A szilícium nyomásérzékelők képességei és korlátai

A jelenleg elérhető vagy a közeljövőben forgalomba kerülő nyomásérzékelők a kapacitív és piezorezisztív érzékelők kategóriájába tartoznak.

A kapacitív nyomásérzékelők alapja egy vékony egykristályos vagy polikristályos szilícium membrán. Metrológiai szempontból ezeket az érzékelőket nagy nyomásérzékenység és kifejezetten alacsony hőmérséklet-érzékenység jellemzi. Körülbelül 300 fokos hőmérsékletig működnek, és szinte hiszterézismentesek maradnak. Másrészt nem lineárisak, de viselkedésüket teljes mértékben a normalizált válaszuk határozza meg. A piezorezisztív érzékelők szilícium membránokból állnak, amelyekre feszültségmérőket helyeznek fel vagy ültetnek be. A membrán feszültségerősítőként működik. Ezek az érzékelők lineáris választ mutatnak az alacsony szintű igénybevételre. A monokristályos szilícium mérőeszközök nyomásérzékenysége kétszer-háromszor nagyobb, mint a lézerrel átkristályosított poliszilícium mérőké. A piezorezisztív érzékelőkkel szembeni legnagyobb probléma a magas hőmérséklet-érzékenység, amelyet ellenálláskompenzációs hálózatokkal kell csökkenteni. A membránba diffúzált vagy beültetett műszerekkel rendelkező érzékelőknek 200 fokig kell működniük, míg a lerakott mérőeszközök 300 fokig kiterjesztik a hőmérséklet-tartományt. A normalizált válaszok összehasonlítása azt mutatja, hogy a piezorezisztív érzékelők nyomásérzékenysége kisebb, mint a kapacitív érzékelőké.

A szilícium nyomásérzékelők egyéb fajtái közül a MOST mérőérzékelők, valamint a rezonanciaérzékelők előnye, hogy frekvenciamodulált kimenetet biztosítanak. Miniatűr kapacitású membránmérő abszolút vákuumméréshez

Idézet részlet:

A törési feszültség, amelyből a szilícium értéke szobahőmérsékleten körülbelül 300 MPa és 7 GPa között mozog [27,28], rendkívül fontos paraméter, amelyet a tervezés során figyelembe kell venni. A membrán darabokra törhet, ha a maximális feszültség nagyobb, mint a törési feszültség [29]. Ezért bizonyos óvintézkedéseket kell tenni a membrán magas nyomás alatti biztonságos működése érdekében.

Kivonat megjelenítése:

SOI beépített hőszóró integrált hőmérséklet- és nyomásérzékelőkkel a hűtés optimalizálásához és in situ monitorozáshoz

2011, Anyagtudomány és -mérnökség B: Szilárdtest-anyagok a fejlett technológiához

Idézet részlet:

Az érzékeny elemek piezorellenállások, amelyek kristályos Si-ben adalékolt régiókból állnak (4. ábra), amelyek Wheatstone-híd konfigurációban vannak összekapcsolva. Amikor nyomást fejtenek ki a membránra, a síkbeli feszültség módosítja a hordozó mobilitását, megváltoztatja a mérőeszközök elektromos ellenállását, és ezért nullától eltérő kimeneti feszültséget hoz létre a híd kimenetén [14]. A piezorezisztív együtthatók az adalékolás típusától és koncentrációjától, a hőmérséklettől és a kristályos orientációtól függenek [15,16], a maximális ellenállás-változást az adalékolás típusától függő kristályirány mentén érjük el.