מהו חיישן לחץ MEMS?
MEMS הוא קיצור של Micro Electro Mechanical Systems, כלומר מערכות מיקרו-אלקטרו-מכניות. טכנולוגיית MEMS נחשבת לאחת ההיי-טק המהפכניות-במאה ה-21, וניתן לייחס אותה אל שנות ה-50.
טכנולוגיית Microelectromechanical Systems (MEMS) מתייחסת לטכנולוגיה של תכנון, ייצור, מדידה ובקרה של חומרים מיקרונים/ננומטרים.
חיישן לחץ MEMS הוא חיישן לחץ המיוצר בתהליך הייצור המשלב טכנולוגיית מיקרו-אלקטרוניקה וטכנולוגיית מיקרו-עיבוד (כולל מיקרו-עיבוד סיליקון בתפזורת, מיקרו-משטח סיליקון, חיבור וטכנולוגיות נוספות). חיישן הלחץ MEMS מציג ביצועים מצוינים בהיבטים שונים כגון גודל, דיוק ומהירות תגובה.
סיווג חיישני לחץ MEMS
בהתבסס על עקרונות עבודה שונים, ניתן לחלק חיישני לחץ של MEMS המבוססים על חומרי סיליקון לשלוש קטגוריות: סוג סיליקון piezoresistive, סוג סיליקון קיבולי וסוג תהודה סיליקון.
חיישני לחץ פייזורזיסטיים מסיליקון
האפקט הפייזוריסטי מתייחס לתופעה שכאשר חומר מוליך למחצה נתון ללחץ, הוא גורם לשינויים ברצועת האנרגיה, לשינוי האנרגיה של העמקים, ובכך משנה את ההתנגדות של התנגדות המוליכים למחצה.
חיישן לחץ piezoresistive הוא חיישן לחץ שתוכנן על ידי ניצול אפקט piezoresistive. הוא כולל גודל קטן, רגישות גבוהה ותגובה מהירה. עם זאת, תהליך הייצור שלו מורכב והוא מושפע בקלות מטמפרטורה ורטט, ולכן דורש פיצוי טמפרטורה.
חיישני לחץ קיבולי סיליקון
חיישן לחץ קיבולי סיליקון הוא סוג של חיישן לחץ המשתמש בחומרי סיליקון כרכיבי חישה וממיר את השינויים בכמות הנמדדת לשינויי קיבול.
בדרך כלל הוא משתמש בסרט מתכת עגול או בסרט מצופה מתכת- כאלקטרודה אחת של הקבל. כאשר הסרט מתעוות בהשפעת לחץ, הקיבול שנוצר בין הסרט לבין האלקטרודה הקבועה משתנה. דרך מעגל המדידה ניתן להוציא אות חשמלי שיש לו קשר מסוים עם המתח.
היתרונות של חיישן מסוג זה כוללים רגישות גבוהה, יציבות טובה וטווח ליניארי רחב. עם זאת, החסרונות שלו הם עלות גבוהה יחסית ומושפע בקלות מטמפרטורה ולחות.
חיישני לחץ תהודה סיליקון
חיישן לחץ תהודה סיליקון הוא סוג של חיישן לחץ אשר על בסיס העיקרון שהשינוי בלחץ החיצוני על חומר הסיליקון גורם לשינוי בתדר התהודה של המהוד, ממיר את השינוי בלחץ הנמדד לשינוי בתדר התהודה.
חיישן הלחץ התהודה מסיליקון כולל דיוק גבוה, רזולוציה גבוהה, יכולת אנטי--הפרעות גבוהה, מתאים לשידור- למרחקים ארוכים ויכול להיות מחובר ישירות למכשירים דיגיטליים. עם זאת, יש לו מחזור ייצור ארוך, עלות גבוהה, ותדירות הפלט והכמות הנמדדת נמצאים לעתים קרובות בקשר לא ליניארי.
עיקרון העבודה של חיישני לחץ פייזוריסטיים
האלמנט הרגיש של חיישן לחץ piezoresistive MEMS מורכב משבב רגיש ומצע תומך. הפרמטרים האופייניים הראשוניים של האלמנט הרגיש מגבשים מספר אינדיקטורים של פרמטרים מרכזיים של החיישן והם הליבה של החיישן.
השבב הרגיש ללחץ piezoresistive סיליקון - הוא שבב רגיש שבו האלמנט הרגיש ואלמנט ההמרה משולבים על אותו מצע סיליקון קריסטל יחיד -. האלמנט הרגיש לחישת לחץ הוא דיאפרגמה מישורית אלסטית סיליקון עם היקפית אטומה וקבועה. חומר הסיליקון בגב הסרעפת מוסר ליצירת חלל מרובע הפוך בצורת - פירמידה -. דיאפרגמות הסיליקון האלסטיות בעובי שונה קובעות טווחי מדידת לחץ שונים, רגישויות ויכולות עומס יתר.
על מנת לייעל את חוזק הדפנות התומכות סביב הסרעפת, הבידוד של מתח האריזה הנוקשה וביצועי הבידוד החשמלי של מצע השבב, יש לרדד את מצע הסיליקון של השבב על מצע זכוכית עבה עם מאפייני התפשטות תרמית תואמים. לאחר הלמינציה, השבבים עם החלל מתקשר עם הלחץ האטמוספרי הסביבתי יכולים לשמש למדידת לחץ מד, בעוד שבשבבים עם החלל מבודד מהלחץ האטמוספרי הסביבתי יכולים לשמש למדידת לחץ מוחלט.
נגדי הסיליקון הפיזוריסטיים המפוזרים הממירים את הלחץ הנמדד לאותות חשמליים ממוקמים על שכבת פני השטח העליונה של הסרעפת השטוחה. העיצוב הקונבנציונלי הוא למקם את הנגדים הפייזוריסטיים בסמוך לקצה או למרכז הדיאפרגמה השטוחה. כאשר הדיאפרגמה השטוחה מתעוותת תחת פעולת הלחץ הנמדד, בהנחה של סטיה קטנה של הסרעפת (הסטייה המקסימלית במרכז הסרעפת היא הרבה פחות מ-500 מיקרוזנים), על ידי ניצול השינוי בהתנגדות הפייזוריסטית, אות חשמלי המשתנה באופן ליניארי עם הסרעפת, השינוי בלחץ, הלחץ, הלחץ, השינוי של הסרעפת.
כדי לייעל את ביצועי המדידה של השבב הרגיש, ארבעת הנגדים הרגישים ה-piezoresistive מסודרים על המטוס ליצירת גשר וויטסטון. כאשר הלחץ הנמדד מופעל, ההתנגדות של זוג אחד של זרועות מנוגדות גדלה, בעוד שההתנגדות של צמד הזרועות המנוגדות האחרות יורדת, מה שגורם לתפוקת המתח הלא מאוזנת של גשר וויטסטון להשתנות באופן ליניארי עם הלחץ הנמדד.
יישומים של חיישני לחץ פייזוריסטיים
חיישני לחץ piezoresistive MEMS נמצאים בשימוש נרחב בתעשיות ובתחומים שונים, כגון תעופה וחלל, ניווט, תעשייה פטרוכימית, ייצור מכני ואוטומציה, שימור מים וכוח הידרו, גזים תעשייתיים, הנדסה ביו-רפואית, מטאורולוגיה, גיאולוגיה, מדידת רעידות אדמה וכן הלאה.