Qu'est-ce que le capteur de pression MEMS ?
MEMS est l'abréviation de Micro Electro Mechanical Systems, c'est-à-dire des systèmes microélectromécaniques. La technologie MEMS est saluée comme l'une des-technologies de pointe révolutionnaires du 21e siècle et remonte aux années 1950.
La technologie des systèmes microélectromécaniques (MEMS) fait référence à la technologie de conception, de fabrication, de mesure et de contrôle de matériaux microniques/nanométriques.
Le capteur de pression MEMS est un capteur de pression fabriqué par le processus de fabrication qui combine la technologie microélectronique et la technologie de micro-usinage (y compris le micro-usinage en vrac du silicium, le micro-usinage de la surface du silicium, la liaison et d'autres technologies). Le capteur de pression MEMS présente d'excellentes performances dans divers aspects tels que la taille, la précision et la vitesse de réponse.
Classification des capteurs de pression MEMS
Basés sur différents principes de fonctionnement, les capteurs de pression MEMS à base de matériaux silicium peuvent être divisés en trois catégories : le type piézorésistif au silicium, le type capacitif au silicium et le type résonant au silicium.
Capteurs de pression piézorésistifs au silicium
L'effet piézorésistif fait référence au phénomène selon lequel lorsqu'un matériau semi-conducteur est soumis à une contrainte, il provoque des changements dans la bande d'énergie, le déplacement d'énergie des vallées, et modifie ainsi la résistivité de la résistance semi-conductrice.
Le capteur de pression piézorésistif est un capteur de pression conçu en utilisant l'effet piézorésistif. Il présente une petite taille, une sensibilité élevée et une réponse rapide. Cependant, son processus de fabrication est complexe et il est facilement affecté par la température et les vibrations, nécessitant ainsi une compensation de température.
Capteurs de pression capacitifs en silicium
Le capteur de pression capacitif au silicium est un type de capteur de pression qui utilise des matériaux en silicium comme éléments de détection et convertit les changements de la quantité mesurée en changements de capacité.
Il utilise généralement un film métallique circulaire ou un film -plaqué de métal comme électrode du condensateur. Lorsque le film se déforme sous l'influence de la pression, la capacité formée entre le film et l'électrode fixe change. Grâce au circuit de mesure, un signal électrique ayant une certaine relation avec la tension peut être émis.
Les avantages de ce type de capteur incluent une sensibilité élevée, une bonne stabilité et une large plage linéaire. Cependant, ses inconvénients sont son coût relativement élevé et sa sensibilité à la température et à l’humidité.
Capteurs de pression résonants au silicium
Le capteur de pression résonante au silicium est un type de capteur de pression qui, basé sur le principe selon lequel le changement de pression externe sur le matériau en silicium provoque le changement de la fréquence de résonance du résonateur, convertit le changement de la pression mesurée en changement de la fréquence de résonance.
Le capteur de pression résonant en silicium présente une haute précision, une haute résolution, une capacité anti--haute anti-interférence, adapté à la transmission longue-distance et pouvant être directement connecté à des appareils numériques. Cependant, son cycle de production est long, son coût est élevé et la fréquence de sortie et la quantité mesurée sont souvent dans une relation non linéaire.
Principe de fonctionnement des capteurs de pression piézorésistifs
L'élément sensible d'un capteur de pression piézorésistif MEMS est constitué d'une puce sensible et d'un substrat de support. Les paramètres caractéristiques initiaux de l'élément sensible solidifient plusieurs indicateurs de paramètres clés du capteur et constituent le cœur du capteur.
La puce piézorésistive en silicium sensible à la pression - est une puce sensible dans laquelle l'élément sensible et l'élément de conversion sont intégrés sur le même substrat de silicium cristallin unique -. L'élément sensible pour détecter la pression est un diaphragme planaire en silicium élastique avec une périphérie scellée et fixe. Le matériau de silicium à l'arrière du diaphragme est retiré pour former une cavité en forme de pyramide quadrangulaire inversée - pyramide -. Les diaphragmes élastiques en silicium de différentes épaisseurs déterminent différentes plages de mesure de pression, sensibilités et capacités de surcharge.
Afin d'optimiser la résistance des parois latérales de support autour du diaphragme, l'isolation des contraintes d'emballage rigide et les performances d'isolation électrique du substrat de puce, le substrat de silicium de la puce doit être stratifié sur un substrat de verre épais présentant des caractéristiques de dilatation thermique correspondantes. Après laminage, les puces dont la cavité communique avec la pression atmosphérique ambiante peuvent être utilisées pour la mesure de pression relative, tandis que les puces dont la cavité est isolée de la pression atmosphérique ambiante peuvent être utilisées pour la mesure de pression absolue.
Les résistances piézorésistives en silicium diffusé qui convertissent la pression mesurée détectée en signaux électriques sont situées sur la couche de surface supérieure du diaphragme plat. La conception conventionnelle consiste à placer les résistances piézorésistives près du bord ou du centre du diaphragme plat. Lorsque le diaphragme plat se déforme sous l'action de la pression mesurée, dans l'hypothèse d'une petite déflexion du diaphragme (la déflexion maximale au centre du diaphragme est bien inférieure à 500 microdéformations), en utilisant le changement de résistivité piézorésistive, un signal électrique qui change linéairement avec la déflexion du diaphragme, c'est-à-dire avec le changement de pression, est émis.
Pour optimiser les performances de mesure de la puce sensible, les quatre résistances sensibles piézorésistives sont disposées sur le plan pour former un pont de Wheatstone. Lorsque la pression mesurée est appliquée, la résistance d'une paire de bras opposés augmente, tandis que la résistance de l'autre paire de bras opposés diminue, ce qui fait que la tension de sortie déséquilibrée du pont de Wheatstone change linéairement avec la pression mesurée.
Applications des capteurs de pression piézorésistifs
Les capteurs de pression piézorésistifs MEMS sont largement utilisés dans diverses industries et domaines, tels que l'aérospatiale, la navigation, l'industrie pétrochimique, la fabrication mécanique et l'automatisation, la conservation de l'eau et l'hydroélectricité, les gaz industriels, le génie biomédical, la météorologie, la géologie, la mesure des tremblements de terre, etc.