Les capteurs de pression des systèmes microélectromécaniques (MEMS) sont largement utilisés dans l'aérospatiale, la biomédecine, le contrôle industriel et la surveillance environnementale en raison de leur faible consommation d'énergie, de leur petite taille, de leur faible coût et de leur faible impact sur l'objet de mesure. Dans certaines études, des capteurs de pression MEMS piézorésistants ou capacitifs ont été utilisés pour réaliser des mesures à haute pression. Cependant, ces capteurs miniatures à haute pression piézorésistants et capacitifs n'ont pas de précision complète en raison de troubles de température sévères ou de mauvaise linéarité.
Récemment, l'équipe du professeur Junbo Wang à l'Institut d'espace et de l'innovation de l'information astronautique, l'Académie chinoise des sciences (CAS) a développé un mécanisme composite sensible à la pression combinant la flexion du diaphragme et la compression de volume pour les capteurs de pression miniature résonnants pour obtenir des mesures à haute hauteur de pression, en conséquence, par rapport à un rapport de McMasters. Le capteur miniature a été fabriqué à l'aide de la technologie de micro-immatrice, et les résultats expérimentaux montrent que la précision à grande échelle du capteur est ± 0. 0 15% dans la plage de pression de 0,1 ~ 100 MPa et la plage de température de -10 ~ 50 degrés. Les résultats de la recherche connexes sont intitulés «Un microcapteur à haute pression résonnant basé sur un mécanisme composite sensible à la pression de la flexion du diaphragme et de la compression de volume». La compression "a été publiée dans la revue Microsystems & Nanoengineering.
Comme le montre la figure ci-dessous, l'état de contrainte du résonateur ancré à la surface inférieure de la cavité peut refléter la pression externe à travers un mécanisme composite. La cavité contenant le résonateur peut être construite avec une structure composite avec une flexion de diaphragme et une compression de volume. Grâce à ce mécanisme composite, les chercheurs ont développé un nouveau capteur à haute pression miniature résonante avec une cavité miniaturisée renforçant la structure du diaphragme pour une plus grande portée. De plus, une précision élevée peut être obtenue en utilisant des cavités à double résonateur avec différentes largeurs.
Conception globale du capteur à haute tension résonnant
La sélection des matériaux a été obtenue au moyen d'une plaquette Soi 4- pouces (40 μm pour la couche de dispositif, 2 μm pour la couche d'oxyde, et 300 μm pour la couche de substrat) et deux épaisses 4- pouces de pouces (1 mm et 2 mm d'épaisseur, respectivement). Pour éviter d'introduire d'autres contraintes thermiques et pour obtenir une isolation stable des contraintes thermiques, le matériau de la couche d'isolement est le silicium de type N avec de faibles niveaux de dopage et<100>orientation. Les principaux processus de fabrication comprennent la gravure en ions réactifs profonds (Drie), la libération de résonateur, le dépôt de vapeur physique (PVD) et la liaison au niveau des plaquettes.
Processus de fabrication du capteur à haute pression miniature résonnant
Les résultats expérimentaux montrent que le capteur miniature à haute pression résonant fabriqué a une précision de ± 0. 0 15% de pleine échelle sur une plage de pression de 0. 1 à 100 MPa et une plage de température de -10 à 50 degrés. La sensibilité à la pression est de 261,10 Hz / MPa (~ 2 033 ppm / MPa) à la fréquence différentielle. La sensibilité à la pression de la fréquence différentielle est de 261,10 Hz / MPa (~ 2523 ppm / MPa) à 20 degrés, et les sensibilités de température des doubles résonateurs sont 1,54 Hz / degré (~ 14,5 ppm / degré) et 1,57 Hz / C (~ -15. 6 ppm / diplôme) à une pression de 2 MPA. La sortie différentielle a une excellente stabilité dans la plage de 0,02 Hz à une température et une pression constantes.
Résultats de plate-forme expérimentale et de test du capteur à haute pression miniature résonnant
En résumé, les chercheurs ont validé le mécanisme composite sensible à la pression des capteurs de pression miniature par résonance en réalisant efficacement la conversion de pression / contrainte en combinant la flexion et la compression de volume de diaphragme, et ont développé un capteur miniature à haute pression à haute pression à haute pression avec deux résonateurs. Par rapport à deux mécanismes uniques conventionnels, le mécanisme composite sensible à la pression peut réaliser une plage de mesure élevée et une grande précision sur une large plage de températures. La conception appariée de deux résonateurs avec une sensibilité à la pression positive et négative peut être facilement réalisée par l'adaptation et la combinaison de deux mécanismes uniques. La sortie différentielle améliore encore la sensibilité et réalise l'auto-compensation de la température. Les résultats expérimentaux valident les performances élevées de ce capteur miniature en termes de précision, de facteur de qualité, de sensibilité et de stabilité. Cependant, la structure de diaphragme faible du microcapteur en fonction du mécanisme composite sensible à la pression limite l'expansion de la plage de pression. Les travaux futurs peuvent se concentrer sur une optimisation plus approfondie de l'assemblage de ségrégation en termes de stress et de vieillissement du capteur pour améliorer la stabilité de la fréquence de chaque résonateur pour des applications pratiques dans les mesures de haute pression.