أجهزة استشعار الضغط MEMS: دليل شامل للتكنولوجيا والتطبيقات والاختيار

مقدمة لأجهزة استشعار الضغط ممس

1.1 ما هي أجهزة استشعار الضغط ممس ؟

التعريف والمبادئ الأساسية

أجهزة استشعار الضغط ممس هي أجهزة مصنعة بشكل دقيق مصممة لقياس ضغط السائل (السائل أو الغاز). MEMS لتقف على الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة ، في إشارة إلى تقنية الأجهزة المصغرة التي تم تصنيعها باستخدام تقنيات التصنيع الدقيقة، المشابهة لتلك المستخدمة في تصنيع الدوائر المتكاملة (أناج).

المبدأ الأساسي ينطوي على أ الحجاب الحاجز (غشاء رقيق مصنوع في الغالب من السيليكون). ينحرف عندما تتعرض لفرق الضغط. يتم بعد ذلك تحويل هذا الانحراف إلى إشارة كهربائية باستخدام مبادئ استشعار مختلفة، الأكثر شيوعًا:

• مقاومة الضغط: تغييرات في الكهرباء المقاومة من مقاييس الضغط المنتشرة أو المزروعة على الحجاب الحاجز.
• بالسعة: التغييرات في السعة بين الحجاب الحاجز المنحرف والقطب المرجعي الثابت.

المزايا مقارنة بأجهزة استشعار الضغط التقليدية

توفر مستشعرات الضغط MEMS مزايا كبيرة مقارنةً بأجهزة استشعار الضغط التقليدية الأكبر حجمًا (على سبيل المثال، تلك التي تستخدم مقاييس ضغط الرقائق أو الأغشية ذات الحجم الكبير):

• التصغير والحجم: فهي صغيرة بشكل لا يصدق، وغالبًا ما يكون حجمها أقل من ملليمتر واحد، مما يسمح بدمجها في الأجهزة المدمجة والمساحات الضيقة.
• الإنتاج الضخم والتكلفة المنخفضة: يتم تصنيعها باستخدام تقنيات المعالجة الدفعية لأشباه الموصلات (الطباعة الحجرية الضوئية، والحفر، وما إلى ذلك)، والتي تتيح ذلك كبيرة الحجم ومنخفضة التكلفة التصنيع.
• حساسية ودقة عالية: تسمح الهياكل الصغيرة التي يتم التحكم فيها بدرجة عالية بدقة ممتازة وقياسات دقيقة.
• استهلاك منخفض للطاقة: يؤدي صغر حجمها وكتلتها المنخفضة عادةً إلى انخفاض متطلبات الطاقة، وهي مثالية للأجهزة المحمولة التي تعمل بالبطارية.
• إمكانات التكامل العالية: يمكن دمجه بسهولة مع الدوائر الموجودة على الرقاقة (أSأناجs) لتكييف الإشارة وتعويض درجة الحرارة والإخراج الرقمي، مما يؤدي إلى إنشاء نظام كامل في الحزمة (سيص).

1.2 التطور التاريخي لأجهزة استشعار الضغط MEMS

المعالم الرئيسية والابتكارات

يرتبط تاريخ أجهزة استشعار الضغط MEMS ارتباطًا وثيقًا بتطور تصنيع أشباه الموصلات وتقنيات التصنيع الدقيق.

الفترة الزمنية	المعالم الرئيسية والابتكارات	الوصف
1954	اكتشاف تأثير صiezأوesistive في السيليكون	أصبح اكتشاف سي إس سميث أن المقاومة الكهربائية للسيليكون والجرمانيوم تتغير بشكل كبير تحت الضغط الميكانيكي (تأثير الضغط الانضغاطي) هو الأساس للجيل الأول من أجهزة استشعار الضغط القائمة على السيليكون.
الستينيات	أول مستشعر ضغط من السيليكون	تم عرض أجهزة استشعار ضغط السيليكون المبكرة، مما أدى إلى الاستفادة من تأثير مقاومة الضغط المكتشف. كانت هذه ضخمة الحجم، وتستخدم في المقام الأول الآلات الدقيقة السائبة .
الثمانينيات	التسويق والتصنيع الدقيق	ظهور الأشكال المبكرة من المعالجة الدقيقة السطحية وأول أجهزة استشعار ضغط السيليكون التجارية ذات الحجم الكبير (على سبيل المثال، محولات ضغط الدم التي يمكن التخلص منها للاستخدام الطبي، وأجهزة استشعار الضغط المطلق المتشعب (MAP) للتحكم في المحرك). المصطلح MEMS كما تم تقديم (الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة) رسميًا خلال هذا العقد.
التسعينيات	الإنتاج الضخم والتكامل	التقدم في التصنيع مثل النقش الأيوني التفاعلي العميق (درIE) (على سبيل المثال، عملية بوش، الحاصلة على براءة اختراع في عام 1994)، سمحت بإنشاء هياكل ثلاثية الأبعاد معقدة ذات نسبة عرض إلى ارتفاع عالية. وأدى ذلك إلى إنتاج كميات كبيرة من أجهزة استشعار قوية ومنخفضة التكلفة للسيارات (مثل تلك الموجودة في أنظمة الوسائد الهوائية والإدارة المبكرة للمحرك) والإلكترونيات الاستهلاكية.
2000s إلى الوقت الحاضر	التصغير وطفرة المستهلك	تحول التركيز إلى أجهزة استشعار مصغرة للغاية (على سبيل المثال، أجهزة استشعار بارومترية) مع أجهزة ASIج متكاملة لمعالجة الإشارات وتعويض درجة الحرارة، مما يتيح اعتمادها على نطاق واسع في الهواتف الذكية والأجهزة القابلة للارتداء والأجهزة المحمولة. إنترنت الأشياء (إنترنت الأشياء) . اكتسب الاستشعار بالسعة والرنين مكانة بارزة جنبًا إلى جنب مع تقنية مقاومة الضغط لتحقيق استقرار أفضل وطاقة أقل.

التأثير على الصناعات المختلفة

كان للتحول من أجهزة الاستشعار التقليدية واسعة النطاق إلى أجهزة استشعار الضغط MEMS الصغيرة القابلة للإنتاج بكميات كبيرة تأثير تحويلي عبر قطاعات متعددة:

• السيارات: كانت أجهزة استشعار MEMS حاسمة في تطوير التحكم الإلكتروني الحديث في المحرك (وحدات التحكم في المحرك، وحدة نقدية أوروبية ) وأنظمة السلامة. لقد مكنت من التبني الإلزامي لـ أنظمة مراقبة ضغط الإطارات (TPMS) نظرًا لتكلفتها المنخفضة وصغر حجمها، مما يعزز بشكل كبير سلامة المركبات وكفاءة استهلاك الوقود.
• الطبية: سمح التصغير بإنشاء أجهزة استشعار ضغط الدم القابل للتصرف للمراقبة الغازية (القسطرة)، وتحسين الصرف الصحي بشكل كبير والحد من التلوث المتبادل في المستشفيات. كما أنها ضرورية في أجهزة التهوية المحمولة ومضخات التسريب وأجهزة المراقبة الصحية المستمرة.
• الالكترونيات الاستهلاكية: قدمت أجهزة استشعار الضغط الجوي MEMS ميزات مثل الملاحة الداخلية (تحديد مستوى الارضية في المباني) و قياس الارتفاع الدقيق في الطائرات بدون طيار وأجهزة تتبع اللياقة البدنية ممكن. لقد كان هذا محركًا رئيسيًا لنمو أسواق الأجهزة المحمولة والأجهزة القابلة للارتداء.
• الصناعة/إنترنت الأشياء: يعد استهلاك الطاقة المنخفض وعامل الشكل الصغير من عوامل التمكين الرئيسية لـ إنترنت الأشياء الصناعية (إنترنت الأشياء) مما يسمح بنشر عقد مستشعر الضغط اللاسلكي في أتمتة المصنع والتحكم في العمليات وأنظمة المراقبة البيئية. وهذا يؤدي إلى الكفاءة والصيانة التنبؤية.

MجP-J10، J11، J12 مستشعر الضغط المطلق

التكنولوجيا ومبادئ العمل

2.1 الفيزياء الأساسية

تقوم مستشعرات الضغط MEMS بتحويل الانحراف الميكانيكي للحجاب الحاجز إلى إشارة كهربائية قابلة للقياس باستخدام مبادئ فيزيائية مختلفة.

تأثير مقاومة الضغط

• المبدأ: ال تأثير مقاوم للضغط تنص على أن المقاومة الكهربائية لمادة أشباه الموصلات (مثل السيليكون) تتغير عند الضغط الميكانيكي ( $\sigma$ ) يتم تطبيقه.
• الآلية: في مستشعر التجويف، يتم نشر أو زرع المقاومات (المصنوعة غالبًا من السيليكون المخدر أو السيليكون متعدد البلورات) على سطح غشاء السيليكون. عندما يؤدي الضغط إلى انحراف الحجاب الحاجز، يتم إجهاد هذه المقاومات ( $ϵ$ )، مما يؤدي إلى تغيير في مقاومتهم  ( $\Delta R$ ).
• الإخراج: عادة، يتم ترتيب أربع مقاومات في جسر ويتستون التكوين لزيادة الحساسية إلى أقصى حد وتوفير تعويض درجة الحرارة، مما يؤدي إلى خرج جهد يتناسب مع الضغط المطبق.

الاستشعار بالسعة

• المبدأ: تقوم أجهزة الاستشعار السعوية بقياس الضغط بناءً على التغير في التيار الكهربائي السعة ( $ج$ ).
• الآلية: ال sensor consists of two parallel electrodes: the pressure-sensing diaphragm and a fixed back electrode. When pressure is applied, the diaphragm deflects, changing the distance ( $د$ ) بين القطبين. وبما أن السعة تتناسب عكسيا مع المسافة ( $ج\propto 1/د$ ) ، يتم قياس الضغط المطبق من خلال التغير في $ج$ .
• المزايا: العروض عموما استقرار أعلى , انخفاض استهلاك الطاقة ، و انخفاض حساسية درجة الحرارة بالمقارنة مع الأنواع المقاومة للضغط، ولكنها تتطلب دوائر قراءة أكثر تعقيدًا.

الاستشعار الرنان

• المبدأ: تقوم أجهزة الاستشعار الرنانة بقياس الضغط بناءً على التغير في تردد الرنين الطبيعي ( ${و}_0$ ) للبنية الميكانيكية الدقيقة (على سبيل المثال، شعاع أو الحجاب الحاجز).
• الآلية: يتم دفع الرنان الميكانيكي الصغير للتأرجح. عند تطبيق الضغط، يتغير الضغط/الانفعال في الهيكل، مما يؤدي بدوره إلى تغيير صلابته وتوزيع كتلته. يؤدي هذا التحول في الخواص الميكانيكية إلى تغير في تردد الرنين، ${و}_0$ .
• المزايا: عالية للغاية القرار و الاستقرار على المدى الطويل ، حيث أن التردد هو بطبيعته معلمة قياس رقمية وقوية.

2.2 عملية التصنيع

يتم تصنيع أجهزة استشعار الضغط MEMS باستخدام درجة عالية من التخصص الآلات الدقيقة تقنيات مقتبسة من صناعة أشباه الموصلات.

تقنيات التصنيع الدقيق (السائبة مقابل السطحية)

• المعالجة الدقيقة السائبة:
  • العملية: يتضمن النقش الانتقائي للجزء الأكبر من رقاقة السيليكون لإنشاء هياكل ثلاثية الأبعاد مثل الحجاب الحاجز المستشعر للضغط والغرفة المرجعية.
  • الطرق: يستخدم منمشات رطبة متباينة الخواص (مثل $\text{كوه}$ أو $\text{تما}$ ) أو تقنيات الحفر الجاف مثل النقش الأيوني التفاعلي العميق (DRIE).
  • النتيجة: غالبًا ما يتم تحديد سمك الحجاب الحاجز من خلال العمق المحفور في الركيزة.
• المعالجة الدقيقة السطحية:
  • العملية: يتضمن ترسيب ونمذجة الأغشية الرقيقة (البولي سيليكون، نيتريد السيليكون، إلخ) على سطح الرقاقة لإنشاء هياكل ميكانيكية. يتم ترسيب طبقة مضحية ثم إزالتها بشكل انتقائي (محفورة) لتحرير الهيكل الميكانيكي (على سبيل المثال، اللوحة المتحركة في جهاز استشعار سعوي).
  • النتيجة: عادة ما تكون الهياكل أرق وأصغر حجمًا، ويتم تصنيعها بكثافة تكامل أكبر، وغالبًا ما تستخدم لمقاييس التسارع ولكن أيضًا لبعض أجهزة استشعار الضغط السعوية.

المواد المستخدمة (السيليكون، السيليكون على العازل)

• السيليكون ( $\text{Si}$ ): ال primary material. It possesses excellent mechanical properties (high strength, low mechanical hysteresis, similar to steel), is a good semiconductor (allowing for piezoresistive doping), and its fabrication processes are highly mature and cost-effective.
• السيليكون على عازل ( $\text{SOI}$ ): هيكل رقاقة مركب يتكون من طبقة رقيقة من السيليكون (طبقة الجهاز) فوق طبقة عازلة (أكسيد مدفون، $\text{صندوق}$ ) على ركيزة السيليكون السائبة.
  • ميزة: يوفر أداءً فائقًا للبيئات القاسية (درجة الحرارة المرتفعة والإشعاع) ويتيح التحكم الدقيق في سمك الحجاب الحاجز والعزل الكهربائي، وهو أمر بالغ الأهمية لأجهزة الاستشعار عالية الأداء.

2.3 أنواع أجهزة استشعار الضغط MEMS

يتم تصنيف أجهزة استشعار الضغط بناءً على نوع الضغط الذي تقيسه بالنسبة إلى نقطة مرجعية.

• مجسات الضغط المطلق:
  • المرجع: قياس الضغط بالنسبة ل فراغ مثالي (0 $\text{بنسلفانيا}$ مطلق) مختوم داخل التجويف المرجعي للمستشعر.
  • حالة الاستخدام: قياس الارتفاع والضغط الجوي في محطات الأرصاد الجوية والهواتف.
• مجسات قياس الضغط:
  • المرجع: قياس الضغط النسبي الضغط الجوي المحيط خارج المستشعر.
  • حالة الاستخدام: ضغط الإطارات، الأنظمة الهيدروليكية، مستويات الخزانات الصناعية. (عند الضغط الجوي القياسي، يكون الناتج صفرًا).
• مجسات الضغط التفاضلي:
  • المرجع: قياس الفرق في الضغط بين منفذين أو نقطتين متميزتين.
  • حالة الاستخدام: قياس معدل التدفق (عن طريق قياس انخفاض الضغط عبر القيد)، ومراقبة مرشح التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAج).
• مجسات الضغط المختومة:
  • المرجع: مجموعة فرعية من مقياس أجهزة استشعار حيث يتم إغلاق التجويف المرجعي عند ضغط محدد (عادةً الضغط الجوي القياسي عند مستوى سطح البحر)، مما يجعلها غير حساسة للتغيرات في الضغط الجوي المحلي.
  • حالة الاستخدام: حيث يجب أن يكون الإخراج ضغطًا مرجعيًا ثابتًا بغض النظر عن تغيرات الطقس أو الارتفاع.

معلمات الأداء الرئيسية

3.1 الحساسية والدقة

تعريف الحساسية وأهميتها

• الحساسية هو مقياس تغير إشارة خرج المستشعر ( $\Delta \text{الإخراج}$ ) لكل وحدة تغير في الضغط ( $\Delta \text{P}$ ). يتم التعبير عنها عادةً بوحدات مثل mV/V/psi (ملي فولت لكل فولت إثارة لكل رطل قوة لكل بوصة مربعة) أو mV/Pa.
  • الصيغة: $\text{الحساسية}=\frac{\Delta \text{الإخراج}}{\Delta \text{P}}$
• الأهمية: حساسية أعلى تعني أ إشارة كهربائية أكبر لتغيير معين في الضغط، مما يجعل قياس الإشارة وحالتها وحلها أسهل، خاصة بالنسبة لتطبيقات الضغط المنخفض.

العوامل المؤثرة على الدقة

الدقة يحدد مدى تطابق مخرجات المستشعر المقاسة مع القيمة الحقيقية للضغط. غالبًا ما يكون مركبًا من عدة مصادر خطأ:

• اللاخطية (NL): ال deviation of the actual output curve from an ideal straight-line response.
• التباطؤ: ال difference in output when the same pressure point is approached by increasing pressure versus decreasing pressure.
• خطأ في الإزاحة/نقطة الصفر: ال output signal when zero pressure is applied.
• تأثيرات درجة الحرارة: التغيرات في المخرجات بسبب التغيرات في درجة الحرارة المحيطة (تم تناولها في 3.3).

تقنيات المعايرة

لضمان الدقة العالية، تخضع المستشعرات للمعايرة:

• التشذيب: ضبط المقاومات الموجودة على الرقاقة (للمقاومة التجويزية) أو تنفيذ جداول البحث الرقمية (لأجهزة الاستشعار الذكية) لتقليل الإزاحة الأولية وتغيرات الحساسية.
• تعويض درجة الحرارة: قياس استجابة المستشعر عبر نطاق درجة الحرارة وتطبيق خوارزمية التصحيح (غالبًا ما تكون رقمية في ASIج المدمج) لتصحيح الأخطاء الناجمة عن درجة الحرارة.

3.2 نطاق الضغط والضغط الزائد

اختيار نطاق الضغط المناسب

• ال نطاق الضغط هو نطاق الضغط المحدد (على سبيل المثال، $0$ إلى $100 psi) الذي تم تصميم المستشعر للعمل عليه وتلبية مواصفات أدائه.
• التحديد: ال ideal sensor range should تطابق الحد الأقصى لضغط التشغيل المتوقع للتطبيق، بالإضافة إلى هامش أمان، لضمان أعلى دقة وأفضل دقة (حيث يتم تحديد الدقة غالبًا كنسبة مئوية من الإخراج واسع النطاق، FSO ).

فهم حدود الضغط الزائد

• الحد الأقصى لضغط التشغيل: ال highest pressure the sensor can be continuously subjected to without causing a permanent shift in performance specifications.
• حد الضغط الزائد (أو ضغط الانفجار): ال maximum pressure the sensor can withstand without الضرر الجسدي أو فشل كارثي (على سبيل المثال، تمزق الحجاب الحاجز).
  • يعد اختيار جهاز استشعار ذو تصنيف عالي للضغط الزائد أمرًا بالغ الأهمية للتطبيقات التي تكون فيها طفرات الضغط أو الزيادات المفاجئة شائعة، لمنع فشل النظام.

3.3 تأثيرات درجة الحرارة

حساسية درجة الحرارة والتعويض

• حساسية درجة الحرارة: جميع أجهزة الاستشعار MEMS القائمة على السيليكون حساسة بطبيعتها للتغيرات في درجات الحرارة. وهذا يسبب تأثيرين رئيسيين:
  • معامل درجة الحرارة للإزاحة (TCO): ال zero-pressure output changes with temperature.
  • معامل درجة الحرارة للامتداد (TCS): ال sensitivity of the sensor changes with temperature.
• التعويض: تستخدم أجهزة استشعار MEMS الذكية الحديثة التكامل أسيك (الدوائر المتكاملة الخاصة بالتطبيقات) لقياس درجة حرارة الشريحة وتطبيق خوارزميات التصحيح (التعويض) رقميًا على بيانات الضغط الخام، مما يؤدي إلى القضاء على هذه الأخطاء إلى حد كبير عبر نطاق درجة حرارة التشغيل.

نطاق درجة حرارة التشغيل

• هذا هو نطاق درجات الحرارة المحيطة  (على سبيل المثال، $-40^{\circ }\text{ج}$ ل $125^{\circ }\text{ج}$ ) حيث يتم ضمان تلبية المستشعر لجميع مواصفات الأداء المنشورة، بما في ذلك الدقة المعوضة.

3.4 الاستقرار والموثوقية على المدى الطويل

اعتبارات الانجراف والتباطؤ

• الانجراف (الانجراف نقطة الصفر): ال change in the sensor's zero-pressure output over a long period of time (e.g., months or years), even when stored under constant conditions. This affects the long-term accuracy and may necessitate recalibration.
• التباطؤ (تباطؤ الضغط): ال output difference at a specific pressure point when reaching it via increasing pressure versus decreasing pressure. High hysteresis indicates poor elastic behavior of the diaphragm material or package stress.

العوامل المؤثرة على الموثوقية على المدى الطويل

• الإجهاد التعبئة والتغليف: يمكن أن يتغير الضغط الميكانيكي الناجم عن مواد تعبئة المستشعر (مثل الإيبوكسي والبلاستيك) أو عملية التثبيت بمرور الوقت بسبب التدوير الحراري أو الرطوبة، مما يؤدي إلى الانجراف.
• توافق الوسائط: ال sensor material must be compatible with the fluid it is measuring (the "media"). Exposure to corrosive or moisture-laden media without adequate protection (e.g., a gel coating or metallic barrier) will rapidly degrade the sensor's performance.
• التعب المادي: يمكن أن تؤدي دورات الإجهاد المتكررة الناتجة عن تغيرات الضغط إلى إجهاد المواد، مما يؤثر في النهاية على الخواص الميكانيكية للمستشعر واستقراره.

تطبيقات أجهزة استشعار الضغط MEMS

4.1 صناعة السيارات

تعد أجهزة استشعار الضغط MEMS مكونات مهمة في المركبات الحديثة، حيث تدعم أنظمة الأداء والسلامة.

• أنظمة مراقبة ضغط الإطارات (TPMS): تقوم أجهزة استشعار الضغط المدمجة داخل ساق صمام كل إطار بمراقبة ضغط الإطارات لاسلكيًا. يعد هذا أمرًا ضروريًا للسلامة (منع الانفجارات) والكفاءة (تحسين الاقتصاد في استهلاك الوقود).
• مجسات الضغط المطلق المنوع (MAP): الse measure the absolute pressure in the engine's intake manifold. The data is sent to the Engine Control Unit ( وحدة نقدية أوروبية ) لحساب كثافة الهواء الداخل إلى المحرك، مما يسمح بالقياس الدقيق لحقن الوقود وتوقيت الإشعال.
• مراقبة ضغط الفرامل: يستخدم في أنظمة الفرملة الهيدروليكية وخاصة تلك التي تحتوي على نظام التحكم الإلكتروني بالثبات ( إي إس سي ) وأنظمة الفرامل المانعة للانغلاق ( ABS )، لمراقبة الضغط الهيدروليكي المطبق على خطوط الفرامل والتحكم فيه بدقة.
• إعادة تدوير غاز العادم (EGR) ومرشحات الجسيمات (DPF/GPF): تعمل أجهزة استشعار الضغط التفاضلي على قياس انخفاض الضغط عبر المرشحات والصمامات لمراقبة أنظمة التحكم في الانبعاثات، مما يضمن الامتثال للوائح البيئية.

4.2 الأجهزة الطبية

يعد التصغير والموثوقية أمرًا بالغ الأهمية في التطبيقات الطبية، حيث تساهم مستشعرات MEMS في سلامة المرضى وتشخيصهم.

• مراقبة ضغط الدم:
  • الغازية: تُستخدم أجهزة استشعار طرف القسطرة (غالبًا ما تكون مقاومة للضغط) في العناية المركزة أو الجراحة لقياس ضغط الدم مباشرة داخل الشرايين، مما يوفر بيانات دقيقة للغاية في الوقت الفعلي.
  • غير الغازية: المكونات الأساسية في الأصفاد الإلكترونية القياسية لضغط الدم وأجهزة المراقبة المستمرة التي يمكن ارتداؤها.
• مضخات التسريب: تقوم مستشعرات الضغط بمراقبة ضغط خط السائل لضمان توصيل الدواء بشكل دقيق، أو اكتشاف الانسدادات المحتملة، أو التأكد من أن الخط مفتوح.
• أجهزة التنفس (مثل أجهزة التنفس الصناعي وأجهزة CPAP): تُستخدم أجهزة استشعار الضغط التفاضلي عالية الحساسية لقياس تدفق الهواء، والتحكم في ضغط وحجم الهواء الواصل إلى رئتي المريض، ومراقبة دورات الشهيق/الزفير.

4.3 الأتمتة الصناعية

في البيئات الصناعية، تحل أجهزة استشعار MEMS محل أجهزة الاستشعار التقليدية الأكبر حجمًا لتحسين الدقة وتقليل تكاليف الصيانة وتمكين المراقبة عن بعد.

• التحكم في العملية: يستخدم في خطوط الأنابيب والمفاعلات وصهاريج التخزين للحفاظ على مستويات ضغط ثابتة، وهو أمر بالغ الأهمية لعمليات تصنيع المواد الكيميائية والنفط والغاز والأدوية.
• مرسلات الضغط: يتم دمج عناصر الاستشعار MEMS في أجهزة الإرسال القوية التي توفر إشارات إخراج رقمية أو تناظرية موحدة للمراقبة عن بعد والتكامل في أنظمة التحكم الموزعة ( DCS ).
• أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (التدفئة والتهوية وتكييف الهواء): تقوم أجهزة استشعار الضغط التفاضلي بمراقبة انخفاض الضغط عبر مرشحات الهواء لتحديد متى تحتاج إلى الاستبدال (تحسين كفاءة الطاقة) وقياس سرعة تدفق الهواء للتحكم الدقيق في المناخ.

4.4 الالكترونيات الاستهلاكية

تتيح مستشعرات MEMS العديد من الميزات الذكية التي يعتمد عليها المستخدمون في الأجهزة المحمولة.

• مستشعرات الضغط الجوي في الهواتف الذكية: قياس الضغط الجوي لتوفير:
  • تتبع الارتفاع: لتطبيقات اللياقة البدنية والخارجية.
  • الملاحة الداخلية (المحور Z): يسمح للخرائط بتحديد مستوى أرضية المستخدم في مبنى متعدد الطوابق.
  • التنبؤ بالطقس: تستخدم للتنبؤ بتغيرات الطقس المحلية.
• الأجهزة القابلة للارتداء: يستخدم في الساعات الذكية وأجهزة تتبع اللياقة البدنية للحصول على دقة عالية كسب الارتفاع التتبع أثناء الأنشطة مثل المشي لمسافات طويلة أو تسلق السلالم.
• طائرات بدون طيار: توفر أجهزة الاستشعار البارومترية دقة عالية عقد الارتفاع الوظيفة، وهو أمر بالغ الأهمية للطيران والملاحة المستقرة.

اختيار جهاز استشعار الضغط MEMS الصحيح

5.1 متطلبات التطبيق

الخطوة الأولى هي تعريف شامل للبيئة التشغيلية واحتياجات القياس.

تحديد الاحتياجات المحددة

• نوع الضغط: تحديد نوع القياس المطلوب: مطلق (بالنسبة للفراغ)، مقياس (بالنسبة للهواء المحيط)، أو التفاضلية (الفرق بين نقطتين).
• نطاق الضغط: تعريف الحد الأدنى و الحد الأقصى ضغوط التشغيل المتوقعة يجب أن يضع النطاق الكامل للمستشعر بين هذه القيم بشكل مريح، بما في ذلك الارتفاعات العابرة المحتملة (← راجع الضغط الزائد).
• الدقة and Resolution: حدد الدقة المطلوبة (على سبيل المثال، $\pm 0.5\%\text{FSO}$ ) وأصغر تغيير في الضغط يجب اكتشافه بشكل موثوق ( القرار ). غالبًا ما تعني الدقة الأعلى تكلفة أعلى وحجمًا أكبر للحزمة.
• توافق الوسائط: تحديد المادة (الغاز أو السائل أو المادة الكيميائية المسببة للتآكل) التي يتم قياس ضغطها. يجب أن تكون المواد المبللة الخاصة بالمستشعر متوافقة كيميائيًا مع الوسائط لمنع التآكل والفشل.

الظروف البيئية

• نطاق درجة حرارة التشغيل: ال sensor must perform reliably across the expected ambient and media temperature extremes. This is crucial for selecting a sensor with proper temperature compensation.
• الرطوبة والملوثات: حدد ما إذا كان المستشعر معرضًا للرطوبة أو الغبار أو الملوثات الأخرى. وهذا يفرض المطلوب تصنيف حماية الدخول (IP). و whether a protected/sealed package is necessary.

5.2 مواصفات المستشعر

بمجرد معرفة احتياجات التطبيق، يجب فحص ورقة بيانات الشركة المصنعة.

تقييم المعلمات الرئيسية

• الحساسية and Linearity: تأكد من أن الحساسية كافية للقرار المطلوب. تحقق من الخطية لضمان قياسات دقيقة عبر نطاق الضغط بأكمله.
• نطاق الخطأ الإجمالي (TEB): هذه هي المعلمة الأكثر أهمية، لأنها تحدد دقة أسوأ الحالات على نطاق درجة الحرارة المعوض بالكامل ويتضمن الخطية والتباطؤ والأخطاء الحرارية. أنه يعطي صورة أداء واقعية.
• ضغط الدليل / ضغط الانفجار: تأكد من أن حد الضغط الزائد للمستشعر أعلى بأمان من الحد الأقصى للضغط المتوقع، بما في ذلك أي صدمة هيدروليكية محتملة أو ارتفاع في الضغط.

اعتبارات استهلاك الطاقة

• تعمل بالبطارية أو المحمولة أو إنترنت الأشياء الأجهزة, استهلاك منخفض للطاقة ( $\mu \text{A}$ المستوى) أمر ضروري. غالبًا ما يتم تفضيل المستشعرات السعوية أو المستشعرات الذكية ذات أوضاع خفض الطاقة المتقدمة على أنواع مقاومة الضغط ذات الطاقة المستمرة.
• ال choice between analog and digital output (e.g., ${\text{I}}^2\text{ج}$ , $\text{SPI}$ ) يؤثر أيضًا على استهلاك الطاقة وسهولة تكامل النظام.

5.3 التغليف والتركيب

تعد حزمة المستشعر أمرًا بالغ الأهمية لحماية قالب MEMS والتفاعل مع التطبيق.

خيارات التغليف المتاحة

• أجهزة التثبيت على السطح (SMD/LGA/QFN): عبوات صغيرة ومنخفضة التكلفة للحام المباشر على أ ثنائي الفينيل متعدد الكلور ، شائع في الأجهزة الاستهلاكية والطبية (مثل أجهزة الاستشعار الجوي).
• الحزم المنقولة/الشائكة: العبوات البلاستيكية أو الخزفية ذات منافذ الضغط (الأشواك أو الخيوط) لتوصيل الأنابيب، وهي شائعة في تطبيقات الضغط المنخفض والتدفق.
• وحدة/مبيت الارسال: أغلفة قوية، غالبًا ما تكون معدنية، مع منافذ وموصلات ملولبة للبيئات الصناعية القاسية، وغالبًا ما تحتوي على عزل الوسائط (على سبيل المثال، تجويف مملوء بالزيت).

اعتبارات التركيب لتحقيق الأداء الأمثل

• التقليل من الإجهاد الميكانيكي: ال sensor package is sensitive to external stress. When mounting on a ثنائي الفينيل متعدد الكلور (خاصة مع البراغي)، تأكد من تجنب عزم الدوران الزائد أو الضغط غير المتساوي، لأن ذلك يمكن أن يسبب تحولًا في نقطة الصفر ( إزاحة ).
• التنفيس: تتطلب أجهزة استشعار ضغط المقياس فتحة تهوية للهواء المحيط. يجب حماية فتحة التهوية هذه من السوائل والملوثات، والتي غالبًا ما تتطلب تصميم عبوة متخصص أو غشاء واقي (على سبيل المثال، طلاء هلامي).
• الrmal Management: ضع المستشعر بعيدًا عن مصادر الحرارة ( وحدات المعالجة المركزية ، مكونات الطاقة) لتقليل تدرجات درجة الحرارة التي يمكن أن تتجاوز نطاق درجة الحرارة المعوض.

5.4 اعتبارات التكلفة

تعد التكلفة عاملاً دائمًا، ولكن نادرًا ما يكون أقل سعر للوحدة هو الحل الأفضل على المدى الطويل.

موازنة الأداء والتكلفة

• تضيف الدقة العالية والتعويض الأوسع لدرجة الحرارة وعزل الوسائط إلى تكلفة الوحدة. تجنب المبالغة في التحديد؛ حدد فقط مستوى الأداء الذي يتطلبه التطبيق حقًا.
• غير المعوض مقابل المعوض: يعد قالب المستشعر الخام غير المعوض أرخص ولكنه يتطلب من المستخدم تطوير وتنفيذ خوارزميات معقدة ومكلفة للمعايرة وتعويض درجة الحرارة في نظامه الخاص، مما يزيد من وقت التطوير. مستشعر معاير ومعاير في المصنع ( جهاز استشعار ذكي ) تتميز بتكلفة وحدة أعلى ولكنها تقلل بشكل كبير من تكلفة التكامل على مستوى النظام.

تكلفة الملكية على المدى الطويل

• خذ في الاعتبار التكلفة الإجمالية، بما في ذلك وقت المعايرة، ومطالبات الضمان المحتملة بسبب الانحراف أو الفشل في البيئات القاسية، وتكلفة استبدال الوحدات الفاشلة أو إعادة معايرتها. غالبًا ما يؤدي المستشعر الأكثر قوة والأعلى سعرًا والذي يوفر استقرارًا وموثوقية أفضل على المدى الطويل إلى انخفاض التكلفة الإجمالية للملكية.

أحدث الابتكارات والاتجاهات المستقبلية

6.1 المواد المتقدمة وتقنيات التصنيع

تركز الابتكارات على تحسين مرونة أجهزة الاستشعار واستقرارها وحساسيتها.

استخدام مواد جديدة (على سبيل المثال، كربيد السيليكون ( $\text{كربيد كربيد}$ )، الجرافين، $\text{SOI}$ )

• كربيد السيليكون ( $\text{كربيد كربيد}$ ): يتم استكشافه لتطبيقات البيئة القاسية (مثل الحفر أسفل الحفرة وتوربينات الغاز ومقصورات المحرك) نظرًا لقدرته على العمل بشكل موثوق في درجات حرارة عالية للغاية (تتجاوز $300^{\circ }\text{ج}$ ) حيث ستفشل أجهزة استشعار السيليكون التقليدية.
• السيليكون على عازل ( $\text{SOI}$ ): يتم اعتماده بشكل متزايد للتطبيقات عالية الأداء والتطبيقات الحرجة لسلامة السيارات (على سبيل المثال، مساعد مساعدة السائق المساعد ومراقبة خط الفرامل) لأنه يوفر عزلًا كهربائيًا أفضل واستقرارًا حراريًا على نطاق واسع من درجات الحرارة (يصل إلى $150^{\circ }\text{ج}$ ).
• الجرافين: تجري الأبحاث حاليًا للاستفادة من القوة الميكانيكية الفائقة والخصائص الإلكترونية للجرافين لإنشاء مستشعرات حساسة للغاية ومنخفضة الطاقة للغاية ورقيقة للغاية.

عمليات التصنيع الدقيقة المتقدمة

• عبر السيليكون ( $\text{TSV}$ ): يتيح التراص ثلاثي الأبعاد لقالب MEMS وASIC، مما يقلل بشكل كبير من أثر الحزمة ( ارتفاع Z ) وتعزيز التداخل الكهرومغناطيسي ( إيمي ) المناعة.
• تصميم جزيرة الغشاء الشعاعي: هيكل غشاء جديد لأجهزة استشعار الضغط التفاضلي الدقيقة ( ارتفاع Z )، مما يوفر حساسية عالية للغاية لأجهزة التهوية الطبية وأجهزة قياس التدفق الصناعية.

6.2 التكامل مع إنترنت الأشياء والتكنولوجيا اللاسلكية

يعد تقارب أجهزة استشعار MEMS مع الاتصال هو المحرك الرئيسي للنمو الصناعي والاستهلاكي.

• أجهزة استشعار الضغط اللاسلكية (لوراوان، $\text{إنترنت الأشياء (إنترنت الأشياء (NB-إنترنت الأشياء).).}$ ): تم دمج مستشعرات الضغط MEMS مع وحدات الاتصال اللاسلكية (مثل $\text{LoRaWAN}$ للمدى الطويل/الطاقة المنخفضة أو $\text{NB-IoT}$ للاتصال الخلوي) لتشكيل مستقل أجهزة إرسال الضغط اللاسلكية .
• تطبيقات المراقبة عن بعد: الse wireless nodes eliminate costly cabling, enabling the rapid deployment of dense sensor networks in industrial settings ( إنترنت الأشياء ) ل الصيانة التنبؤية (مراقبة انجرافات الضغط الدقيقة للتنبؤ بفشل المعدات) و التحكم في العملية عن بعد .
• Edge AI وSensor Fusion: تشتمل أجهزة الاستشعار "الذكية" الحديثة على التعلم الآلي ( مل ) النوى أو متكاملة ASICs يمكنها معالجة البيانات وتحليلها (على سبيل المثال، تعويض درجة الحرارة، والتصفية، والتشخيص الذاتي) مباشرة على الشريحة (عند "الحافة"). وهذا يقلل من نقل البيانات، ويقلل من استهلاك الطاقة، ويتيح اتخاذ قرارات محلية بشكل أسرع.

6.3 التصغير وانخفاض استهلاك الطاقة

يظل التصغير عاملاً تنافسيًا أساسيًا، خاصة بالنسبة للأسواق الاستهلاكية والطبية.

• الاتجاهات في تصغير أجهزة الاستشعار: استمرار التخفيض في حجم القالب وحجم العبوة (وصولاً إلى $<1{\text{مم}}^2$ في بعض الحالات) يسهل التكامل مع الأجهزة الصغيرة القابلة للارتداء والسماعات والأجهزة الطبية القابلة للزرع.
• تصاميم الطاقة المنخفضة للغاية: التحول نحو تقنيات الاستشعار السعوية والرنانة، والتي تستهلك عمومًا طاقة أقل من الأنواع المقاومة للضغط. تحقق التصاميم الحديثة تيارات احتياطية في المناطق الفرعية $2\text{μA}$ النطاق، وهو أمر بالغ الأهمية لإطالة عمر البطارية إنترنت الأشياء العقد النهائية.
• التكامل "الضغط X": دمج مستشعر الضغط مع الوظائف الأخرى (مثل درجة الحرارة والرطوبة والاستشعار عن الغاز) في نظام واحد داخل الحزمة ( رشفة ) لتوفير المساحة وتبسيط التصميم.

أفضل منتجات أجهزة استشعار الضغط MEMS

الاستشعار/السلسلة	الشركة المصنعة	التطبيق الأساسي	التكنولوجيا/الميزة الرئيسية
بوش BMP388	بوش سينسورتيك	المستهلك، بدون طيار، يمكن ارتداؤها	قياس الضغط الجوي/الارتفاع عالي الدقة ( $\pm 0.08\text{hPa}$ الدقة النسبية)؛ صغيرة جدًا، ومنخفضة الطاقة.
انفينيون DPS310	إنفينيون تكنولوجيز	المستهلك, $\text{إنترنت الأشياء}$ الملاحة	الاستشعار بالسعة لتحقيق الاستقرار العالي وانخفاض مستوى الضجيج. ثبات ممتاز في درجة الحرارة، مصمم لتطبيقات الهاتف المحمول والطقس.
إس تي ميكروإلكترونيكس LPS22HB	إس تي مايكروإلكترونيكس	المستهلك, Industrial, Wearable	مستشعر ضغط مطلق صغير الحجم للغاية ومنخفض الطاقة مع مخرج رقمي (( ${\text{I}}^2\text{ج}$ / $\text{SPI}$ )); غالبا ما تستخدم للأجهزة المحمولة المقاومة للماء.
اتصال تي إي MS5837	اتصال تي إي	مقياس الارتفاع، أجهزة كمبيوتر الغوص، عالية الدقة	مقياس الارتفاع/مستشعر العمق الرقمي؛ تصميم مملوء بالجل ومقاوم للماء ومُحسّن للوسائط القاسية والتطبيقات تحت الماء.
أمفينول نوفا سينسور NPA-100B	أجهزة استشعار أمفينول المتقدمة	الطبية والصناعية وتصنيع المعدات الأصلية ذات الضغط المنخفض	موثوقية عالية، وقائم على مقاومة التجويف، وعامل شكل صغير، وغالبًا ما يستخدم في الأجهزة الطبية مثل جهاز ضغط المجرى الهوائي الإيجابي المستمر (CPAP) وأجهزة قياس التدفق.
سلسلة موراتا SCC1300	شركة موراتا للتصنيع	السيارات ( $\text{ADAS}$ , $\text{ABS}$ )، الصناعية	عالية الأداء، $3\text{D}$ تقنية MEMS مع $\text{أسيل}$ تصنيف معروف باستقراره الفائق في التطبيقات الحرجة للسلامة.
سلسلة هانيويل ABPM	هانيويل	الصناعية والطبية والمطلقة / البارومترية	أجهزة استشعار بارومترية/مطلقة رقمية عالية الدقة ومستقرة؛ معروف بأداء نطاق الخطأ الإجمالي العالي (TEB).
سلسلة أجهزة الاستشعار الأولى HCE	اتصال تي إي (acquired First Sensor)	الطبية (CPAP)، الضغط المنخفض التفاضلي	استشعار المقاومة الضغطية، يُستخدم غالبًا لقياسات الضغط المنخفض والتدفق شديدة الحساسية في المجال الطبي وأنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (التدفئة والتهوية وتكييف الهواء).
جميع أجهزة الاستشعار سلسلة DLHR	جميع أجهزة الاستشعار	ضغط منخفض للغاية، طبي	أجهزة استشعار الضغط المنخفض عالية الدقة مع ${\text{جoBeam}}^2$ تقنية لأداء فائق في الضغط المنخفض $\text{HVAC}$ و medical markets.
أنظمة استشعار الجدارة سلسلة BP	أنظمة استشعار الجدارة	وسائل الإعلام القاسية، والضغط العالي	قالب مستشعر الضغط المعزول للوسائط لتطبيقات السيارات والتطبيقات الصناعية كبيرة الحجم التي تتطلب توافقًا قاسيًا مع الوسائط.

الاستنتاج

8.1 ملخص النقاط الرئيسية

• التكنولوجيا: أجهزة استشعار الضغط MEMS مصغرة، وهي أجهزة مصنعة على دفعات، تستخدم في المقام الأول مقاوم للضغط or بالسعة تأثير لقياس الضغط عن طريق انحراف الحجاب الحاجز.
• المزايا: الy offer superior التصغير , تكلفة منخفضة (بسبب معالجة الدفعات)، انخفاض استهلاك الطاقة ، و high إمكانات التكامل مقارنة بأجهزة الاستشعار التقليدية.
• المقاييس الرئيسية: يخضع الاختيار لمعلمات مثل نطاق الخطأ الإجمالي (TEB) , حد الضغط الزائد ، و توافق الوسائط مما يضمن أداءً موثوقًا عبر نطاق الضغط ودرجة الحرارة المطلوب.
• التطبيقات: الy are foundational to modern technology, enabling critical functions in السيارات (TPMS، خريطة)، طبي (ضغط الدم، أجهزة التنفس الصناعي)، صناعية (التحكم في العمليات، التدفئة والتهوية وتكييف الهواء)، و الالكترونيات الاستهلاكية (الارتفاع في الهواتف الذكية والطائرات بدون طيار).

8.2 النظرة المستقبلية

يتم تحديد مستقبل استشعار الضغط MEMS من خلال التكامل المتقدم والاتصال والمرونة:

• الاستشعار الذكي: ال trend toward integrating AI/ML على الحافة سيستمر، مما يسمح لأجهزة الاستشعار بتقديم رؤى قابلة للتنفيذ بدلاً من مجرد البيانات الأولية، مما يؤدي إلى مزيد من النمو في إنترنت الأشياء .
• البيئات القاسية: ال adoption of advanced materials like SiC and SOI will extend sensor use into more extreme temperature and pressure environments, particularly in electric vehicles ( إيف ) الإدارة الحرارية والعمليات الصناعية ذات الضغط العالي.
• الانتشار وخفض التكلفة: سيؤدي التحسين المستمر لتقنيات التصنيع (TSV، الآلات الدقيقة المتقدمة) إلى أجهزة أصغر حجمًا وأكثر فعالية من حيث التكلفة، مما يؤدي إلى تسريع اختراقها في أسواق جديدة مثل الزراعة الذكية، وحصاد الطاقة، والروبوتات الدقيقة.