Cảm biến áp suất MEMS silicon cho không gian
Cảm biến áp suất mới MEMs dựa trên áp điện trở silicon, được phát triển để đo từ 20Bar
tới trên 1000Bar cho những ứng dụng chuyển động trong không gian. Phần tử silicon có
dạng ống với vị trí ngoài và cầu điện trở được mở rộng với tính ổn định cao để phát hiện
áp suất do ứng suất mang lại, đã được xây dựng bởi chuẩn công nghệ silicon phẳng và
quá trình riêng MEMs, như là liên kết nóng chảy silicon và thuật khắc điện tử.
Hình 1: a, Cảm biến hợp nhất và phần tử cảm biến silicon dạng ống, b, mặt cắt ngang
cầu điện trở
Cảm biến trên có triển vọng ứng dụng trong lĩnh vực gia công thô. Ưu điểm của nó là có
sự khác biệt các thuộc tính quan trọng như kích thước và khoảng cách nhỏ, mức độ cứng
của kim loại, trục đối xứng, tín hiệu đầu ra lớn, đáp ứng nhiệt độ và áp suất nhanh, nhạy
gia tốc thấp. Hiệu ứng trễ cũng đã được giảm thiểu bằng cách loại bỏ vỏ gây ra ứng suất
bởi khoảng cách lớn giữa vùng cảm nhận và vùng chết, hoàn toàn chính xác trong phạm
vi áp suất 700bar và dải nhiệt độ từ -70C tới 1350C là hơn 0,01%FS. Đặc điểm trễ và lặp
lại được đo tới ±10 ppm.
1. Giới thiệu.
Nhà sản xuất Presens tập trung chính vào công nghiệp hoá phù hợp cho những ứng dụng
cho áp suất trung bình và cao như áp suất dầu và gas có yêu cầu về độ chính xác, ổn định
lâu dài và khử độ rung.
Hình 2: Sai số áp suất áp dụng cho áp suất và nhiệt độ khác nhau
2. Công nghệ Silicon
Nguyên tắc đo lường được khai thác bởi Presens bao gồm sự hợp nhất cầu điện trở bên
ngoài trên một cấu trúc silicon dạng ống.
Cho một ống thẳng ứng suất theo hướng ngang sẽ cao gấp đôi hướng trục. Sự khác biệt
ứng suất giữa hai phương sẽ tương ứng với áp suất và có thể được đo lường bởi áp điện
trở của cầu điện trở. Khi tác dụng áp lực bên ngoài đến phần tử ống là để đo ứng suất nén
luôn chống lại những áp lực gây hư hại.
Phần tử cảm biến được chế tạo bởi tiêu chuẩn công nghệ mặt phẳng silicon và tiêu chuẩn
quá trình gia công kích thước nhỏ, giống như hỗn hợp liên kết silicon và khắc điện hoá.
Cầu điện trở được chế tạo bởi một lớp epitaxial silicon và kết nối điện với chuẩn lớp
nhôm. Hình dạng mặt cắt của điện trở phổ biến áp điện trở trong hình 1.b

Kim loại vỏ cảm biến rõ ràng có rất nhiều ứng dụng. Vỏ cảm biến được làm từ titanium
và thép nguyên chất có chất lượng.
Cảm biến không gian, phần tử cảm nhận được bọc trong vỏ titanium bằng cách hàn tia
electron. Trong điều kiện điện áp cao thủy tinh kim loại xuyên qua lỗ giữa khoang phần
tử cảm biến được gây áp suất cao và phần mạch được ghép. Phần tử cảm biến được gắn
bằng cách dính vào khối dây liên kết không nhạy cảm. Và kết nối điện được thực hiện
bằng dây liên kết.
Phần tử cảm biến được bảo vệ bởi vùng mà vùng đó được tạo ra do màng ngăn chia làm 2
phần trong cùng một lúc sự ăn mòn kim loại. Màng phân chia được hàn thành vỏ sử dụng
kỹ thuật hàn EB. Cuối cùng, lỗ hổng cảm biến được điền đầy bằng silicon lỏng và được
bịt kín bằng một bi được hàn điện trở. Giảm áp lực trên màng ngăn được giới hạn tới
50ppm của áp suất được áp dụng, áp suất bị khử bởi điều chỉnh trong lúc bù. Nhìn một
mặt cắt ngang của vùng đã tách khỏi vỏ được chỉ ra trong hình số 4
Tổng trọng lượng cảm biến trong cảm biến không gian yêu cầu 125gran. Phần mạch ghép
được bịt kín, và giao diện điện là do kết nối kín theo yêu cầu ESA. Cảm biến áp suất
không gian hoàn thành được biểu diễn trong hình 4b
Hình 5 : Đóng gói với kích thước nhỏ
4.2 Cảm biến đường kính nhỏ
Để bảo vệ những ứng dụng chất lỏng trơ của phần tử cảm biến có thể được loại bỏ dẫn tới
một quan điểm thay thế vỏ được các phần tử silicon dạng ống có thể được sử dụng như
điện thông qua trực tiếp.
Những quan niệm vỏ thay thế là dựa trên gắn phần tử silicon dạng ống vào một cái lỗ trên
vách ngăn vỏ thép như được chỉ ra ở hình 5. Lỗ kim loại đặc biệt phụ thuộc vào ứng
dụng, nhưng thủy tinh hoặc epoxy được cho là thích hợp.
Mẫu đầu tiên của phần tử cảm biến MEMs silicon thủy tinh làm nóng chảy vào kim loại
cứng được chỉ ra trong hình 6. Đường kính kim loại cứng là 5mm và chiều dài đầy đủ
7mm, cho phép kích thước nhỏ và gọn tích hợp của cảm biến vào hệ thống. Sơ đồ cắt
ngang của cảm biến đầy đủ với thủy tinh được bịt kín được chỉ ra trong hình 6b. Việc lắp
ráp các chi tiết có thể hàn vào lỗ áp suất bằng công nghệ hàn tia electron, laser hoặc điện
trở. Toàn bộ khối lượng bắt đầu nhỏ hơn 30gram, phụ thuộc thực tế cấu hình mạch.

Điện áp vào khác nhau Vs và Vr được chuyển thành một điện áp cuối cùng một cách liên
tục và được số hoác thông qua ADC. Điện áp tham chiếu cầu có giá trị cao hơn từ năng
lượng nguồn cấp.
Với cảm biến này đã tạo nên một cuộc cạnh tranh về tăng độ chính xác, giảm kích thước,
trong lượng và tiết kiệm năng lượng tại châu Âu. Cảm biến áp suất Presens sẽ được sản
xuất 100% tại châu Âu, giới thiệu bộ dồn kênh với đầu vào tương tự có khả năng gồm
nhiều hơn (2-3) phần tử cảm nhận để đảm bảo yêu cầu sự dư thừa.
6. Kết luận
Độ chính xác cao cảm biến áp suất áp điện trở đã phát triển thành công việc sử dụng các
tiêu chuẩn áp điện trở. Do những đặc điểm quan trọng như tín hiệu đầu ra lớn, gia tốc
cảm nhận thấp, đáp ứng áp suất và nhiệt độ nhanh, và khả năng quá tải, cảm biến đó sẽ có
khả năng duy trì độ chính xác trong phòng thí nghiệm vào lĩnh vực thô. Ngoài ra, với các
ứng dụng chuyển động trong không gian là các mối hàn trong cấu trúc vỏ titanium và giải
pháp mạch trong điều kiện ghép tương tự. Công nghệ này đang được tiếp tục với một
cuộc thẩm định cao tiến tới quá trình chế tạo ra một sản phẩm chất lượng cho ngành công
nghiệp vũ trụ.