MIKROCZUJNIKI CIŚNIENIA - PRZYKŁAD MEMS'ÓW

W niniejszym numerze, kontynuując omawianie mikroelektromechanicznych systemów (MEMS'ów) przedstawiony zostanie, jako przykład takiego urządzenia, mikroczujnik ciśnienia. Są to aktualnie jedne z najczęściej używanych mikroczujników, głównie w samochodach, samolotach i sprzęcie medycznym. Ich działanie polega na pomiarze odkształceń jakie powstają w cienkiej membranie podlegającej ugięciu na skutek przyłożonego ciśnienia P (rys. 1). Rys 1. Budowa mikroczujnika ciśnienia W zależności od tego jakie ciśnienie P0 będzie utrzymywane w komorze można wyróżnić czujniki mierzące ciśnienie bezwzględne (P0 = 0) lub względne (P = CONST). Część środkowa czujnika zawierająca membranę wykonana jest zwykle z cienkiej płytki krzemowej, której pole powierzchni wynosi od kilku mikrometrów kwadratowych do kilku milimetrów kwadratowych, natomiast grubość membrany równa jest od kilku do kilkudziesięciu mikrometrów. Do pomiaru odkształceń w membranie wykorzystywane mogą być różne sprzężone zjawiska (efekty) fizyczne polegające na powstawaniu skutków odmiennej natury fizycznej niż ich przyczyny. W mikroczujnikach ciśnienia najczęściej wykorzystywany jest efekt piezoelektryczny (rys. 2) polegający na powstawaniu ładunku elektrycznego na przeciwległych ściankach kryształu przed wpływem jego mechanicznych odkształceń (efekt piezoelektryczny prosty) oraz na powstawaniu takich odkształceń pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego przyłożonego do ścianek kryształu (efekt piezoelektryczny odwrotny). a) odkształcenie -> napięcie V = f x  b) napięcie -> odkształcenie  = f x V Rys 2. Efekt piezoelektryczny W praktyce efekt piezoelektryczny prosty jest zwykle wykorzystywany nie w sposób bezpośredni tzn. przez pomiar napięcia lecz w sposób pośredni przez pomiar względnej zmiany oporu elektrycznego odkształcanego materiału piezoelektrycznego (tensometr piezoelektryczny - piezorezystor). Zmiana taka opisana jest zależnością: R/R = K. Współczynnik czułości odkształceniowej (stała tensometru) K dla piezorezystorów krzemowych wynosi od 50 do 100 i jest większy niż dla metali (~ 2). Odkształcenia membrany są mierzone za pomocą 4 piezorezystorów rozmieszczonych w miejscach maksymalnych odkształceń, tak jak to ilustruje rys 3. Rys 3. Rozmieszczenie piezorezystorów Powstałe na skutek działającego ciśnienia, odkształcenia membrany powodują zmiany oporu w piezorezystorach, które wywołują zmiany napięcia w elektrycznym układzie pomiarowym tzw. mostku Wheatstone'a (rys 4.) Rys 4. Mostek Wheatstone'a Zmiany oporu związane z odkształceniami membrany wywołane przez przyłożone ciśnienie można zmierzyć pośrednio za pomocą pomiaru napięcia V0 w mostku Wheatstone'a. Biorąc pod uwagę, że zmiany oporów piezorezystorów R1 i R3 rozciąganych wzdłuż długości są równe: R1 = R3 = (1 + ) R0, a rezystorów R2 i R4 zmniejszających się wpoprzek długości wynoszą: R2 = R4 = (1 - ) R0, zmiany napięcia w mostku określone są zależnością: V0= Vin [(R1R3 - R2R4)/(R1 + R2)(R3 + R4)] ~ ( + ) / 2(1 +  - ) Ze względu na to, że wartości  i  są rzędu 2% i różnią się między sobą mniej niż 10% przyjęte rozmieszczenie piezorezystorów daje największą wartość mierzonego napięcia V0. Wykorzystując podane wyżej zależności, związek pomiędzy mierzonym napięciem V0, a mierzonym ciśnieniem P - P0 można ostatecznie przedstawić w następującej postaci: V0 ~ R/R ~ K ~ C(P - P0), gdzie stała C zależy od modułu sprężystości materiału membrany, jej gęstości i rozmiarów oraz współczynnika czułości K. Dobierając odpowiednie wartości tych wielkości można ustalić najkorzystniejszą wartość stałej C dla mierzonego zakresu ciśnień. Aktualnie produkowane są piezoelektryczne mikroczujniki pozwalające mierzyć ciśnienia w zakresie od 0 do 200 MPa i mogące pracować w zakresie temperatur od -40 do 125 stopni Celsjusza. Aby zorientować się o rozmiarach takich mikroczujników jako przykład można podać, stosowany w cewnikach mikroczujnik ciśnienia produkowany przez firmę Lucas Nova Sensor, którego wymiary wynoszą 800x400x150 mikrometrów. Maciej Bossak, PW

---