Cosa sono i sensori di pressione MEMS

Capire l'uso e la funzione dei sensori di pressione piezoresistivi MEMS

I sensori di pressione sono componenti vitali che svolgono un ruolo cruciale in vari settori. Si prevede che il mercato dei sensori di pressione vedrà una crescita notevole, come indicato da recenti ricerche, e si prevede che raggiungerà quasi 24.5 miliardi di dollari entro il 2028.

Trovano applicazione nel settore automobilistico, nell’automazione industriale e nel controllo dei processi, nei prodotti di consumo come le immersioni, le biciclette elettriche e, soprattutto, nel campo medico.

I sensori di pressione funzionano in base al principio della forza di un fluido divisa per area. Per metterlo in prospettiva, considera una siringa: una più piccola può generare più pressione di una più grande con la stessa forza applicata. Comprendere questo concetto è fondamentale quando si ha a che fare con i sensori di pressione.

Pressione atmosferica è un termine che sentiamo spesso...

La pressione atmosferica è essenzialmente il peso dell'aria che preme su di noi. Mentre sali su un aereo o su un veicolo spaziale, l'aria diventa meno densa, con meno molecole e meno ossigeno. È importante considerare la pressione atmosferica quando si misura la pressione nella propria applicazione, poiché determinerà il tipo di sensore di pressione necessario.

Non solo automotive

I sensori di pressione trovano applicazione in un ampio spettro di settori, espandendosi ben oltre il loro uso tradizionale nel campo automobilistico. Uno dei settori in cui i sensori di pressione svolgono un ruolo fondamentale è l'industria subacquea. In questo campo vengono utilizzati sensori di pressione per monitorare la profondità sott'acqua dei sommozzatori, consentendo loro di calcoolare con precisione i tempi di risalita e discesa. L'ostile ambiente sottomarino richiede misurazioni affidabili della pressione per garantire la sicurezza dei sub.

I sensori di pressione si sono fatti strada nel mercato dei prodotti di consumo. Nel settore delle biciclette, ad esempio, soprattutto nella categoria emergente delle e-bike, i sensori di pressione sono integrati in diversi componenti. Questi sensori possono essere utilizzati su ammortizzatori, pneumatici e altre parti critiche delle biciclette per migliorare le prestazioni complessive e l'esperienza dell'utilizzatore.

Quali sono le applicazioni tipiche dei sensori di pressione piezoresistivi e come funzionano?

I sensori di pressione piezoresistivi sono un sottotipo di sensori di pressione noti per la loro versatilità e utilizzo in varie applicazioni. I sensori piezoresistivi funzionano secondo un principio che coinvolge cristalli trattati di silicio a semiconduttore, che consente di misurare la pressione in modo più ripetibile rispetto ad altre tecnologie.

Per comprenderne le applicazioni tipiche, è opportuno evidenziare che i sensori di pressione piezoresistivi non sono vincolati ad un unico campo. Sono utilizzati in una vasta gamma di settori, compreso il settore medico. Nelle procedure mediche come l’angioplastica, in cui i chirurghi gonfiano i palloncini all’interno delle arterie, i sensori di pressione svolgono un ruolo cruciale. In queste procedure, l'indicazione del sensore di pressione aiuta il chirurgo a monitorare il livello di gonfiaggio all'interno del palloncino e a valutare lo stato generale della procedura.

Cos'è la tecnologia MEMS e i suoi vantaggi

MEMS sta per Sistemi Microelettrici-Meccanici, ed esistono molti tipi diversi di MEMS. Le fasi di deposizione, trapianto ionico e diffusione sono tutte fondamentali per la produzione di semiconduttori, così come per la fotolitografia e l'incisione dei sensori di pressione MEMS. I sensori di pressione MEMS sono dotati di un diaframma elastico in silicio, il che significa che sono esenti da isteresi e scorrimento. Questa elasticità avvantaggia il sensore perché gli consente di sottoporsi a ripetuti cicli di pressione senza alterarne le proprietà. Quando le cose tendono a spostarsi o cambiare, è quasi sempre il risultato del modo in cui sono confezionate, non necessariamente del chip di silicio stesso. Anche l'inserimento di migliaia di sensori di pressione su un wafer contribuisce in modo significativo a ridurre i costi.

Merit Sensor ha la sua fabbrica di wafer nello Utah. Ci sono molti vantaggi nel lavorare con un fornitore che ha la sua fabbrica di wafer. Quando si tratta di sviluppare un nuovo prodotto, avere la propria fabbrica di wafer è un enorme vantaggio, poiché consente di controllare la catena di fornitura. Mantenere la progettazione interna è spesso considerata la chiave per lo sviluppo e il lancio di successo di qualsiasi prodotto.

La caratteristica chiave del design di un Sensore di pressione MEMS è il Ponte di Wheatstone diffuso nel diaframma di silicio. La variazione dell'uscita da questo ponte corrisponde a una variazione della pressione applicata. Quando un cliente necessita di un intervallo di pressione più elevato, il sensore richiede un diaframma più spesso per gestire l'aumento di pressione. Al contrario, per misurare pressioni basse, come centimetri d'acqua o pochi pascal, è sufficiente un diaframma sottile.

Dopo il processo di fabbricazione, il silicio viene incollato su un pezzo di vetro. Il vetro può avere un foro per creare uno sfiato per varie applicazioni di pressione oppure può essere sigillato senza foro. In quest'ultimo caso, il vetro e il silicio vengono legati insieme sotto vuoto.

Quando non è presente alcun foro nel vetro, viene denominato come "sensore assoluto" perché lo spazio tra il silicio e il vetro rappresenta la pressione zero assoluta.

Esistono due tipi di sensori assoluti realizzati in stampi MEMS. Il tipo tradizionale non ha fori nel vetro posteriore e creano un riferimento di vuoto sigillato per la pressione assoluta. Tuttavia, questo design richiede protezione per i circuiti sul lato superiore per prevenire corrosione e cortocircuiti dovuti all' umidità.

In alternativa è disponibile il sensore assoluto con pressione posteriore. In questo progetto, un pezzo di vetro viene aggiunto alla parte superiore del silicio, creando un riferimento di vuoto sigillato sul lato superiore e consentendo la pressione posteriore sull'elemento MEMS. Questo tipo è comunemente utilizzato nelle applicazioni automobilistiche e ad alta temperatura, nonché con i liquidi.

Gli stampi MEMS sono comuni nelle applicazioni con trasduttori di pressione o trasmettitori in cui gli stampi MEMS si trovano su un collettore. La testata viene saldata in un alloggiamento in acciaio inossidabile con un diaframma anch'esso in acciaio inossidabile. L'acciaio inossidabile è una scelta eccellente poiché è molto adatto ai media e la maggior parte delle persone di solito ha molta familiarità con le capacità dell'acciaio inossidabile. Questo pacchetto è adatto a molte applicazioni industriali.

Dopo aver saldato insieme il diaframma in acciaio inossidabile e il pacchetto, si effettua un riempimento di olio in questo alloggiamento. Un olio siliconico pulito circonda lo stampo MEMS, trasmettendo la pressione tra il diaframma in acciaio inossidabile e il diaframma in silicio dell'elemento MEMS.

Nell'industria HVAC, il MEMS può essere acquistato separatamente o confezionato nella nostra serie LP e posizionato su una scheda di controllo. Questi quadri di controllo si trovano in edifici di grandi dimensioni, in cima all'edificio vicino alla presa d'aria o nel locale tecnico dell'edificio, dove sono ubicati gli scambiatori di calore e i sistemi di flusso d'aria.

Un'altra applicazione comune è nei trasporti. I sensori di pressione sono ampiamente utilizzati in vari tipi di automobili. Quest’area continua a crescere poiché la legislazione spinge la domanda di maggiore efficienza ed emissioni più pulite.

(fonte: https://www.azosensors.com/ estratto dell'intervista a Scott Sidwell, Direttore tecnico presso Merit Sensor)

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