أجهزة استشعار MEMS (الأنظمة الميكانيكية الميكانيكية الدقيقة) هي أجهزة مصغرة تجمع بين المكونات الميكانيكية والكهربائية على شريحة سيليكون واحدة. لقد حولت هذه المستشعرات مجال قياس الضغط من خلال العرض الحجم الصغير ، انخفاض استهلاك الطاقة ، كفاءة التكلفة، و حساسية عالية. يتم استخدامها على نطاق واسع في أنظمة السيارات والأجهزة الطبية والإلكترونيات الاستهلاكية والتطبيقات الصناعية.
يستكشف هذا المقال مبادئ العملو تصميم العمارةو عملية التصنيعو الأنواعو التطبيقات، و الاتجاهات المستقبلية من أجهزة استشعار ضغط MEMS ، مما يجعلها مرجعًا شاملاً للمهندسين والطلاب ومطوري المنتجات.
1. ما هي أجهزة استشعار ضغط MEMS؟
1.1 التعريف
أجهزة استشعار ضغط MEMS هي أجهزة تكتشف تغييرات الضغط وتحويلها إلى إشارة كهربائية باستخدام العناصر الميكانيكية المجهرية ملفقة من خلال تقنيات تصنيع أشباه الموصلات.
مستشعر ضغط MEMS = بنية الاستشعار الميكانيكية (على سبيل المثال ، الحجاب الحاجز) + دائرة التحويل الكهربائي + ركيزة السيليكون
1.2 الميزات الرئيسية
- حجم النطاق الجزئي
- إنتاج الدُفعات منخفضة التكلفة
- حساسية ودقة عالية
- التوافق مع الأنظمة الرقمية
- متينة وقوية للبيئات القاسية
2. مبدأ العمل من أجهزة استشعار ضغط MEMS
2.1 عنصر استشعار الضغط
في قلب مستشعر ضغط MEMS هو أ رقيقة الحجاب الحاجز أن تشوه تحت الضغط.
2.2 آليات التحويل
تتم ترجمة التشوه الميكانيكي إلى إشارة كهربائية باستخدام:
- تأثير piezoresive: تغيير في المقاومة بسبب الضغط
- التأثير بالسعة: تغيير في السعة بسبب إزاحة الحجاب الحاجز
- تحول تردد الرنين: تغيير في تردد الاهتزاز
- النزوح البصري: تعديل التداخل أو الانعكاس
3. الهندسة المعمارية لمستشعرات ضغط MEMS
3.1 الهيكل الأساسي
- غشاء: غشاء رفيع أو غشاء بوليمر
- عنصر الاستشعار: piezoresistor أو مكثف
- تجويف: تشكلت باستخدام تقنيات الحفر
- الركيزة: سيليكون رقاقة
- دائرة تكييف الإشارة: تضخيم الإشارة والمرشحات والرقمنة
3.2 التغليف
غالبًا ما تتطلب أجهزة استشعار MEMS الختم المحكم و عزل وسائل الإعلام للحماية من الأضرار البيئية ولضمان الاستقرار على المدى الطويل.
4. أنواع أجهزة استشعار ضغط MEMS
| يكتب | وصف | التطبيقات المشتركة |
|---|---|---|
| mems piezoresistive | السلالة تسبب تغيرات المقاومة في المقاومات المنتشرة | السيارات ، الصناعية ، الطب الحيوي |
| mems capacitive | يغير الضغط السعة بين اللوحات | طبية ، HVAC ، أنظمة الضغط المنخفض |
| ممس الرنين | يتغير الضغط من تردد الرنين | الطيران ، الأجهزة عالية الدقة |
| ممس البصرية | يستخدم تغيير مسار الضوء أو أنماط التداخل | بيئات خطرة أو متفجرة |
5. أنواع قياسات الضغط
يمكن تصنيف مستشعرات ضغط MEMS بناءً على نوع الضغط الذي يقيسه:
5.1 الضغط المطلق
تقاس ضد مرجع فراغ.
5.2 قياس الضغط
تقاس نسبة إلى الضغط الجوي المحيط.
5.3 الضغط التفاضلي
يقيس فرق الضغط بين نقطتين.
5.4 الضغط المختوم
تقاس ضد مرجع مختومة (عادة 1 أجهزة الصراف الآلي).
6. عملية تصنيع مستشعرات ضغط MEMS
يتضمن تصنيع مستشعرات ضغط MEMS متقدمًا تقنيات micromachining.
6.1 خطوات مشتركة
- تحضير الرقاقة: ابدأ مع رقاقة السيليكون.
- أكسدة: زراعة طبقات أكسيد للعزل أو التقنيع.
- التصوير الفوتوغرافي: تحديد الأنماط على الرقاقة باستخدام مقاوم الضوء وضوء الأشعة فوق البنفسجية.
- الحفر:
- الحفر الرطب: KOH ، HF Solutions
- الحفر الجاف: البلازما أو الحفر الأيوني التفاعلي (RIE)
- المنشطات أو الانتشار: إنشاء مناطق piezoresistive.
- الترابط:
- الترابط الأنودي (الزجاج السيليكون)
- الترابط الانصهار (السيليكون سيليكون)
- التغليف: إرفاق مستشعر يموت لقيادة الإطارات أو مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور. تجويف الختم.
7. معلمات الأداء
| المعلمة | وصف |
|---|---|
| حساسية | التغيير في الإخراج لكل وحدة من الضغط |
| دقة | الانحراف عن قيمة الضغط الحقيقي |
| الخطي | الانحراف عن الإخراج المستقيم المثالي |
| التباطؤ | الفرق في الإخراج لزيادة/تقليل الضغط |
| الانجراف | الاستقرار على المدى الطويل مع مرور الوقت ودرجة الحرارة |
| وقت الاستجابة | الوقت المستغرق لتسجيل تغيير الضغط |
| الضغط الزائد | الحد الأقصى للضغط قبل الأضرار الدائمة |
8. مزايا أجهزة استشعار ضغط MEMS
- ✅ التصغير: مثالي للتطبيقات المقيدة بالفضاء
- ✅ تصنيع الدُفعات: يتيح الإنتاج الضخم بتكلفة منخفضة
- ✅ استهلاك الطاقة المنخفض: مناسبة للأجهزة التي تديرها البطارية
- ✅ واجهة رقمية: دمج بسهولة في أنظمة مضمنة
- ✅ حساسية عالية: قادر على اكتشاف تغييرات ضغط الدقيقة
- ✅ المتانة البيئية: مناسبة للاستخدام الصناعي القاسي
9. تطبيقات أجهزة استشعار ضغط MEMS
9.1 السيارات
- أنظمة مراقبة ضغط الإطارات (TPMS)
- ضغط مشعب السحب
- الوقود السكك الحديدية وضغط الزيت
- أنظمة نشر الوسادة الهوائية
9.2 الأجهزة الطبية
- شاشات ضغط الدم
- أجهزة استشعار الجهاز التنفسي في أجهزة التنفس الصناعية
- مضخات التسريب
- أجهزة استشعار ضغط القسطرة
9.3 الإلكترونيات الاستهلاكية
- أجهزة استشعار الضغط البارومترية في الهواتف الذكية
- الأجهزة القابلة للارتداء لتتبع اللياقة البدنية
- أجهزة التزحلق في الساعات الذكية
9.4 الصناعي و HVAC
- التحكم في ضغط النظام الهوائي
- مراقبة الغرفة النظيفة
- تنظيم ضغط قناة HVAC
9.5 الفضاء
- كابينة ومراقبة الضغط الخارجي
- أجهزة الطيران
10. الشركات المصنعة الرئيسية لأجهزة استشعار ضغط MEMS
| شركة | منتجات بارزة |
|---|---|
| بوش Sensortec | BMP280 ، BMP388 (مستشعرات البارومتري) |
| هانيويل | سلسلة الثقة ™ HSC/SSC |
| stmicroelectronics | LPS22HH ، LPS33HW |
| اتصال TE | MS5803 ، MS8607 |
| أشباه الموصلات NXP | سلسلة MPX |
| Infineon | DPS310 ، سلسلة Xensiv ™ |
| يفوز | WPAK63 ، WPCK07 ، WEPAS01 |
11. التكامل مع إنترنت الأشياء والأنظمة الذكية
تلعب أجهزة استشعار ضغط MEMS دورًا رئيسيًا في إنترنت الأشياء (IoT) التطبيقات ، حيث يساهمون المراقبة في الوقت الحقيقيو الصيانة التنبؤية، و الأتمتة الموفرة للطاقة.
11.1 ميزات لإنترنت الأشياء
- أوضاع الطاقة المنخفضة للغاية
- واجهات I²C و SPI الرقمية
- تعويض درجة الحرارة المضمنة
- الاتصال اللاسلكي مع وحدات Ble أو Lora
12. التحديات والقيود
| تحدي | وصف |
|---|---|
| انجراف درجة الحرارة | يمكن أن يختلف الإخراج مع التغيرات في درجة الحرارة البيئية |
| توافق وسائل الإعلام | السوائل والغازات قد تآكل عناصر الاستشعار |
| تعقيد التغليف | الحفاظ على ختم المحكم في عامل صغير |
| الضوضاء والحساسية المتقاطعة | التداخل من الصدمة الميكانيكية أو حقول EM |
13. الاتجاهات المستقبلية في أجهزة استشعار ضغط MEMS
13.1 تكامل متجانس
الجمع بين أجهزة استشعار الضغط مع درجة الحرارة والرطوبة وأجهزة استشعار الغاز على واحد يموت.
13.2 المعايرة القائمة على الذكاء الاصطناعي
باستخدام التعلم الآلي ل المعايرة التلقائية و تصحيح الخطأ في الوقت الحقيقي.
13.3 mems مرنة ويمكن ارتداؤها
مواد ناشئة مثل الجرافين والبوليمرات المرنة للاستخدام في الجهاز القابل للارتداء وبقع الرعاية الصحية.
13.4 نطاقات الضغط العالي
تطوير أجهزة استشعار MEMS مناسبة البيئات الهيدروليكية وعمق البحار.
14. الأسئلة الشائعة حول أجهزة استشعار ضغط MEMS
س 1: ما مدى دقة مستشعرات ضغط MEMS؟
يمكنهم تحقيق دقة ± 0.25 ٪ إلى ± 2 ٪ على نطاق كامل، اعتمادا على النموذج والمعايرة.
Q2: هل يمكن لمستشعرات ضغط MEMS قياس الفراغ؟
نعم، مستشعرات ضغط MEMS المطلقة يمكن قياس وصولاً إلى مستويات الفراغ (~ 0 PA).
س 3: هل أجهزة استشعار MEMS مناسبة للوسائط السائلة؟
تم تصميم بعضها مع عزل وسائل الإعلام للاستخدام مع السوائل ، ولكن النماذج القياسية مخصصة للغاز الجاف.
س 4: ما هو الحجم النموذجي لمستشعر ضغط MEMS؟
الأبعاد تتراوح من 2 × 2 مم إلى 6 × 6 مم، اعتمادا على الحزمة.
15. جدول الملخص: مستشعرات ضغط MEMS في لمحة
| ميزة | وصف |
|---|---|
| مقاس | النطاق الجزئي (نطاق ملليمتر) |
| مبدأ | piezoresive ، تسعية ، رنين ، بصري |
| نوع الإخراج | تمثيلي أو رقمي (i²c ، spi) |
| نطاق الضغط | فراغ لعدة مئات |
| دقة | ± 0.25 ٪ -2 ٪ FS نموذجي |
| درجة حرارة التشغيل | -40 درجة مئوية إلى +125 درجة مئوية (بعض النماذج تصل إلى 150 درجة مئوية) |
| التطبيقات النموذجية | السيارات ، الطبية ، إنترنت الأشياء ، الصناعية ، الفضاء |
خاتمة
تجسد مستشعرات ضغط MEMS تقارب هندسة المجهر والإلكترونيات وعلوم المواد، وتوفير قياسات ضغط دقيقة وموثوقة ومنخفضة التكلفة عبر مجموعة واسعة من الصناعات. مع التقدم المستمر في التصغير والتكامل الرقمي والاتصال اللاسلكي، سوف تلعب هذه المستشعرات دورًا حيويًا في تشكيل مستقبل الأنظمة الذكية ، والتكنولوجيا القابلة للارتداء ، والأتمتة الذكية.
