Cảm biến áp suất MEMS: Hướng dẫn toàn diện về công nghệ, ứng dụng và lựa chọn

Giới thiệu về cảm biến áp suất MEMS

1.1 là gì Cảm biến áp suất MEMS ?

Định nghĩa và nguyên tắc cơ bản

Cảm biến áp suất MEMS là các thiết bị chế tạo vi mô được thiết kế để đo áp suất của chất lỏng (chất lỏng hoặc khí). MEMS là viết tắt của Hệ thống cơ điện vi mô , đề cập đến công nghệ của các thiết bị thu nhỏ được chế tạo bằng kỹ thuật chế tạo vi mô, tương tự như các kỹ thuật được sử dụng trong sản xuất mạch tích hợp (tôiC).

Nguyên tắc cơ bản bao gồm một cơ hoành (một màng mỏng được gia công vi mô, thường được làm bằng silicon) làm chệch hướng khi chịu sự chênh lệch áp suất. Độ lệch này sau đó được chuyển đổi thành tín hiệu điện bằng nhiều nguyên tắc cảm biến khác nhau, phổ biến nhất là:

• áp điện trở: Những thay đổi về điện sức đề kháng của máy đo biến dạng khuếch tán hoặc cấy ghép trên cơ hoành.
• Điện dung: Những thay đổi trong điện dung giữa màng chắn bị lệch và một điện cực tham chiếu cố định.

Ưu điểm so với cảm biến áp suất truyền thống

Cảm biến áp suất MEMS mang lại những lợi thế đáng kể so với các cảm biến áp suất truyền thống, cồng kềnh hơn (ví dụ: những cảm biến sử dụng máy đo biến dạng lá hoặc màng chắn quy mô vĩ mô):

• Thu nhỏ và kích thước: Chúng cực kỳ nhỏ, thường có kích thước nhỏ hơn một milimet, cho phép tích hợp vào các thiết bị nhỏ gọn và không gian chật hẹp.
• Sản xuất hàng loạt và chi phí thấp: Được chế tạo bằng kỹ thuật xử lý hàng loạt chất bán dẫn (phođểlithography, khắc, v.v.), cho phép khối lượng lớn, chi phí thấp sản xuất.
• Độ nhạy và độ chính xác cao: Cấu trúc nhỏ, được kiểm soát chặt chẽ mang lại độ phân giải tuyệt vời và phép đo chính xác.
• Tiêu thụ điện năng thấp: Kích thước nhỏ và khối lượng giảm của chúng thường dẫn đến yêu cầu năng lượng thấp hơn, lý tưởng cho các thiết bị di động và chạy bằng pin.
• Tiềm năng tích hợp cao: Có thể dễ dàng tích hợp với mạch trên chip (AStôiC) để điều hòa tín hiệu, bù nhiệt độ và đầu ra kỹ thuật số, tạo ra một Hệ thống trọn gói (SĩP) hoàn chỉnh.

1.2 Lịch sử phát triển của cảm biến áp suất MEMS

Các cột mốc quan trọng và đổi mới

Lịch sử của cảm biến áp suất MEMS gắn liền với sự phát triển của kỹ thuật sản xuất chất bán dẫn và vi cơ khí.

Khoảng thời gian	Các cột mốc quan trọng và đổi mới	Mô tả
1954	Khám phá hiệu ứng áp điện trong silicon	Phát hiện của C.S. Smith rằng điện trở của silicon và germanium thay đổi đáng kể dưới tác dụng cơ học (Hiệu ứng áp điện) đã trở thành nền tảng cho thế hệ cảm biến áp suất dựa trên silicon đầu tiên.
thập niên 1960	Cảm biến áp suất silicon đầu tiên	Cảm biến áp suất silicon ban đầu đã được chứng minh, tận dụng hiệu ứng áp điện được phát hiện. Chúng cồng kềnh, chủ yếu sử dụng gia công vi mô số lượng lớn .
thập niên 1980	Thương mại hóa và vi cơ khí	Sự xuất hiện sớm của các hình thức gia công vi bề mặt và các cảm biến áp suất silicon khối lượng lớn, thương mại đầu tiên (ví dụ: đầu dò huyết áp dùng một lần cho mục đích y tế và cảm biến áp suất tuyệt đối đa dạng (MAP) để điều khiển động cơ). Thuật ngữ MEMS (Hệ thống vi cơ điện tử) cũng được chính thức giới thiệu trong thập kỷ này.
thập niên 1990	Sản xuất hàng loạt và tích hợp	Những tiến bộ trong chế tạo, chẳng hạn như Khắc ion phản ứng sâu (DRIE) (ví dụ: quy trình của Bosch, được cấp bằng sáng chế vào năm 1994), cho phép tạo ra các cấu trúc 3D phức tạp, có tỷ lệ khung hình cao. Điều này dẫn đến việc sản xuất hàng loạt các cảm biến mạnh mẽ, chi phí thấp cho ô tô (như cảm biến trong hệ thống túi khí và quản lý động cơ đời đầu) và thiết bị điện tử tiêu dùng.
Những năm 2000-nay	Thu nhỏ và bùng nổ tiêu dùng	Trọng tâm chuyển sang các cảm biến có kích thước cực nhỏ (ví dụ: cảm biến khí áp) với ASIC tích hợp để xử lý tín hiệu và bù nhiệt độ, cho phép chúng được áp dụng rộng rãi trong điện thoại thông minh, thiết bị đeo và Internet vạn vật (IoT) . Cảm biến điện dung và cộng hưởng đã trở nên nổi bật cùng với công nghệ áp điện để mang lại độ ổn định tốt hơn và tiêu thụ điện năng thấp hơn.

Tác động đến các ngành công nghiệp khác nhau

Sự chuyển đổi từ cảm biến truyền thống, quy mô lớn sang cảm biến áp suất MEMS nhỏ, sản xuất hàng loạt đã có tác động mang tính biến đổi trên nhiều lĩnh vực:

• Ô tô: Cảm biến MEMS rất quan trọng trong việc phát triển điều khiển động cơ điện tử hiện đại (Bộ điều khiển động cơ, ECU ) và hệ thống an toàn. Họ cho phép áp dụng bắt buộc các Hệ thống giám sát áp suất lốp (TPMS) do chi phí thấp và kích thước nhỏ, giúp nâng cao đáng kể độ an toàn của phương tiện và tiết kiệm nhiên liệu.
• Y tế: Việc thu nhỏ cho phép tạo ra cảm biến huyết áp dùng một lần để theo dõi xâm lấn (ống thông), cải thiện mạnh mẽ điều kiện vệ sinh và giảm lây nhiễm chéo trong bệnh viện. Chúng cũng rất cần thiết trong máy thở di động, máy bơm truyền dịch và các thiết bị theo dõi sức khỏe liên tục.
• Điện tử tiêu dùng: Cảm biến áp suất khí quyển MEMS có các tính năng như điều hướng trong nhà (xác định cao độ sàn trong tòa nhà) và đo độ cao chính xác trong máy bay không người lái và máy theo dõi thể dục có thể. Đây là động lực chính cho sự phát triển của thị trường thiết bị di động và thiết bị đeo.
• Công nghiệp/IoT: Mức tiêu thụ điện năng thấp và kiểu dáng nhỏ gọn là những yếu tố then chốt cho Internet vạn vật công nghiệp (IIoT) , cho phép triển khai các nút cảm biến áp suất không dây trong hệ thống tự động hóa nhà máy, điều khiển quy trình và giám sát môi trường. Điều này thúc đẩy hiệu quả và bảo trì dự đoán.

Cảm biến áp suất tuyệt đối MCP-J10, J11, J12

Công nghệ và nguyên tắc làm việc

2.1 Vật lý cơ bản

Cảm biến áp suất MEMS chuyển đổi độ lệch cơ học của màng ngăn thành tín hiệu điện có thể đo được bằng các nguyên tắc vật lý khác nhau.

Hiệu ứng áp điện

• Nguyên tắc: các hiệu ứng áp điện nói rằng điện trở suất của vật liệu bán dẫn (như silicon) thay đổi khi ứng suất cơ học ( $\sigma$ ) được áp dụng.
• Cơ chế: Trong cảm biến áp điện, các điện trở (thường được làm bằng silicon pha tạp hoặc silicon đa tinh thể) được khuếch tán hoặc cấy lên bề mặt của màng chắn silicon. Khi áp suất làm cho màng ngăn bị lệch, các điện trở này bị căng ( $ϵ$ ), dẫn đến sự thay đổi điện trở của chúng  ( $∆R$ ).
• Đầu ra: Thông thường, bốn điện trở được sắp xếp thành một Cầu lúa mì cấu hình để tối đa hóa độ nhạy và cung cấp khả năng bù nhiệt độ, mang lại điện áp đầu ra tỷ lệ thuận với áp suất áp dụng.

Cảm biến điện dung

• Nguyên tắc: Cảm biến điện dung đo áp suất dựa trên sự thay đổi điện áp điện dung ( $C$ ).
• Cơ chế: các 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 ( $d$ ) giữa hai điện cực. Vì điện dung tỉ lệ nghịch với khoảng cách ( $C\propto 1/d$ ), áp suất tác dụng được đo bằng sự thay đổi trong $C$ .
• Ưu điểm: Nói chung cung cấp độ ổn định cao hơn , tiêu thụ điện năng thấp hơn và độ nhạy nhiệt độ thấp hơn so với các loại áp điện, nhưng đòi hỏi mạch đọc phức tạp hơn.

Cảm biến cộng hưởng

• Nguyên tắc: Cảm biến cộng hưởng đo áp suất dựa trên sự thay đổi của tần số cộng hưởng tự nhiên ( $f_0$ ) của cấu trúc vi cơ (ví dụ: dầm hoặc màng ngăn).
• Cơ chế: Một bộ cộng hưởng vi cơ được điều khiển để dao động. Khi áp lực được tác dụng, ứng suất/biến dạng trong cấu trúc thay đổi, từ đó làm thay đổi độ cứng và sự phân bố khối lượng của nó. Sự thay đổi tính chất cơ học này gây ra sự thay đổi tần số cộng hưởng, $f_0$ .
• Ưu điểm: Cực kỳ cao độ phân giải và sự ổn định lâu dài , vì tần số vốn là một tham số đo lường kỹ thuật số và mạnh mẽ.

2.2 Quy trình chế tạo

Cảm biến áp suất MEMS được sản xuất bằng công nghệ chuyên dụng cao gia công vi mô kỹ thuật thích nghi từ ngành công nghiệp bán dẫn.

Kỹ thuật gia công vi mô (Số lượng lớn so với bề mặt)

• Gia công vi mô số lượng lớn:
  • Quá trình: Liên quan đến việc khắc có chọn lọc phần lớn tấm bán dẫn silicon để tạo ra các cấu trúc 3D như màng ngăn cảm biến áp suất và buồng tham chiếu.
  • Phương pháp: Sử dụng chất ăn mòn ướt dị hướng (như $\text{KOH}$ hoặc $\text{TMAH}$ ) hoặc kỹ thuật khắc khô như Khắc ion phản ứng sâu (DRIE).
  • Kết quả: Độ dày màng ngăn thường được xác định bởi độ sâu khắc vào chất nền.
• Gia công vi bề mặt:
  • Quá trình: Liên quan đến việc lắng đọng và tạo hình các màng mỏng (polysilicon, silicon nitride, v.v.) trên bề mặt của tấm bán dẫn để tạo ra các cấu trúc cơ học. Một lớp hy sinh được lắng đọng và sau đó được loại bỏ có chọn lọc (khắc) để giải phóng cấu trúc cơ học (ví dụ: tấm di động trong cảm biến điện dung).
  • Kết quả: Các cấu trúc thường mỏng hơn, nhỏ hơn và được chế tạo với mật độ tích hợp lớn hơn, thường được sử dụng cho gia tốc kế nhưng cũng được sử dụng cho một số cảm biến áp suất điện dung.

Vật liệu được sử dụng (Silicon, Silicon trên chất cách điện)

• Silicon ( $\text{Si}$ ): các 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.
• Chất cách điện silicon ( $\text{SOI}$ ): Cấu trúc wafer tổng hợp bao gồm một lớp silicon mỏng (lớp thiết bị) phía trên lớp cách điện (Buried Oxide, $\text{HỘP}$ ) trên đế silicon số lượng lớn.
  • Lợi thế: Mang lại hiệu suất vượt trội cho môi trường khắc nghiệt (nhiệt độ cao, bức xạ) và cho phép kiểm soát chính xác độ dày màng ngăn và cách ly điện, điều này rất quan trọng đối với cảm biến hiệu suất cao.

2.3 Các loại cảm biến áp suất MEMS

Cảm biến áp suất được phân loại dựa trên loại áp suất mà chúng đo được so với điểm tham chiếu.

• Cảm biến áp suất tuyệt đối:
  • Tham khảo: Đo áp suất tương ứng với chân không hoàn hảo (0 $\text{Pa}$ tuyệt đối) được niêm phong bên trong khoang tham chiếu của cảm biến.
  • Trường hợp sử dụng: Đo độ cao, áp suất khí quyển tại các trạm thời tiết và điện thoại.
• Cảm biến áp suất đo:
  • Tham khảo: Đo áp suất tương ứng với áp suất khí quyển xung quanh bên ngoài cảm biến.
  • Trường hợp sử dụng: Áp suất lốp, hệ thống thủy lực, bình chứa công nghiệp. (Ở áp suất khí quyển tiêu chuẩn, đầu ra bằng không.)
• Cảm biến áp suất chênh lệch:
  • Tham khảo: Đo lường sự khác biệt về áp suất giữa hai cổng hoặc điểm riêng biệt.
  • Trường hợp sử dụng: Đo tốc độ dòng chảy (bằng cách đo độ giảm áp suất qua một hạn chế), giám sát bộ lọc HVAC.
• Cảm biến áp suất kín:
  • Tham khảo: Một tập hợp con của Máy đo cảm biến trong đó khoang tham chiếu được bịt kín ở một áp suất cụ thể (thường là áp suất khí quyển tiêu chuẩn ở mực nước biển), khiến chúng không nhạy cảm với sự thay đổi của áp suất khí quyển cục bộ.
  • Trường hợp sử dụng: Trường hợp đầu ra cần phải có áp suất tham chiếu không đổi bất kể sự thay đổi của thời tiết hoặc độ cao.

Các thông số hiệu suất chính

3.1 Độ nhạy và độ chính xác

Xác định độ nhạy và tầm quan trọng của nó

• Độ nhạy là thước đo sự thay đổi tín hiệu đầu ra của cảm biến ( $∆\text{đầu ra}$ ) trên một đơn vị thay đổi áp suất ( $∆\text{P}$ ). Nó thường được biểu thị bằng các đơn vị như mV/V/psi (mV/V/psi (mV/Pa kích thích trên mỗi pound-lực trên mỗi inch vuông) hoặc mV/Pa.
  • Công thức: $\text{Độ nhạy}=\frac{∆\text{đầu ra}}{∆\text{P}}$
• Tầm quan trọng: Độ nhạy cao hơn có nghĩa là tín hiệu điện lớn hơn đối với một sự thay đổi áp suất nhất định, giúp tín hiệu dễ đo, điều hòa và giải quyết hơn, đặc biệt đối với các ứng dụng áp suất thấp.

Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác

Độ chính xác xác định mức độ đầu ra đo được của cảm biến khớp với giá trị thực của áp suất đến mức nào. Nó thường là sự kết hợp của một số nguồn lỗi:

• Phi tuyến tính (NL): các deviation of the actual output curve from an ideal straight-line response.
• Độ trễ: các difference in output when the same pressure point is approached by increasing pressure versus decreasing pressure.
• Lỗi bù trừ/điểm 0: các output signal when zero pressure is applied.
• Hiệu ứng nhiệt độ: Những thay đổi ở đầu ra do sự thay đổi nhiệt độ môi trường (được đề cập ở 3.3).

Kỹ thuật hiệu chuẩn

Để đảm bảo độ chính xác cao, các cảm biến phải trải qua quá trình hiệu chuẩn:

• Cắt tỉa: Điều chỉnh điện trở trên chip (đối với áp điện) hoặc triển khai bảng tra cứu kỹ thuật số (đối với cảm biến thông minh) để giảm thiểu các biến đổi độ lệch và độ nhạy ban đầu.
• Bù nhiệt độ: Đo phản ứng của cảm biến trong phạm vi nhiệt độ và áp dụng thuật toán hiệu chỉnh (thường là kỹ thuật số trong ASIC tích hợp) để sửa các lỗi do nhiệt độ gây ra.

3.2 Phạm vi áp suất và quá áp

Chọn phạm vi áp suất phù hợp

• các Phạm vi áp suất là dải áp suất được chỉ định (ví dụ: $0$ đến $100 psi) mà cảm biến được thiết kế để vận hành và đáp ứng các thông số hiệu suất của nó.
• Lựa chọn: các ideal sensor range should phù hợp với áp suất vận hành dự kiến tối đa của ứng dụng, cộng với giới hạn an toàn, để đảm bảo độ phân giải cao nhất và độ chính xác tốt nhất (vì độ chính xác thường được chỉ định dưới dạng phần trăm của Đầu ra Toàn thang đo, FSO ).

Hiểu giới hạn quá áp

• Áp suất vận hành tối đa: các highest pressure the sensor can be continuously subjected to without causing a permanent shift in performance specifications.
• Giới hạn quá áp (hoặc áp suất nổ): các maximum pressure the sensor can withstand without thiệt hại vật chất hoặc sự cố nghiêm trọng (ví dụ, vỡ cơ hoành).
  • Việc chọn một cảm biến có chỉ số quá áp cao là rất quan trọng đối với các ứng dụng thường xuyên xảy ra hiện tượng tăng áp suất đột ngột hoặc tăng đột ngột để ngăn ngừa lỗi hệ thống.

3.3 Hiệu ứng nhiệt độ

Độ nhạy và bù nhiệt độ

• Độ nhạy nhiệt độ: Tất cả các cảm biến MEMS dựa trên silicon vốn rất nhạy cảm với sự thay đổi nhiệt độ. Điều này gây ra hai tác động chính:
  • Hệ số bù nhiệt độ (TCO): các zero-pressure output changes with temperature.
  • Hệ số nhiệt độ của nhịp (TCS): các sensitivity of the sensor changes with temperature.
• Bồi thường: Cảm biến MEMS thông minh hiện đại sử dụng tích hợp ASIC (Mạch tích hợp dành riêng cho ứng dụng) để đo nhiệt độ chip và áp dụng thuật toán hiệu chỉnh (bù) bằng kỹ thuật số cho dữ liệu áp suất thô, loại bỏ phần lớn các lỗi này trong phạm vi nhiệt độ vận hành.

Phạm vi nhiệt độ hoạt động

• Đây là phạm vi nhiệt độ môi trường xung quanh  (ví dụ: $-40^{\circ }\text{C}$ to $125^{\circ }\text{C}$ ) trong đó cảm biến được đảm bảo đáp ứng tất cả thông số kỹ thuật hiệu suất đã được công bố, bao gồm cả độ chính xác được bù đắp.

3.4 Tính ổn định và tin cậy lâu dài

Cân nhắc về độ trôi và độ trễ

• Drift (Trôi điểm 0): các 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.
• Độ trễ (Độ trễ áp suất): các 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.

Các yếu tố ảnh hưởng đến độ tin cậy lâu dài

• Căng thẳng đóng gói: Ứng suất cơ học gây ra bởi vật liệu đóng gói cảm biến (ví dụ: epoxy, nhựa) hoặc quá trình lắp đặt có thể thay đổi theo thời gian do chu kỳ nhiệt hoặc độ ẩm, dẫn đến trôi dạt.
• Khả năng tương thích phương tiện: các 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.
• Mệt mỏi vật chất: Các chu kỳ căng thẳng lặp đi lặp lại do thay đổi áp suất có thể dẫn đến mỏi vật liệu, cuối cùng ảnh hưởng đến tính chất cơ học và độ ổn định của cảm biến.

Ứng dụng của cảm biến áp suất MEMS

4.1 Công nghiệp ô tô

Cảm biến áp suất MEMS là bộ phận quan trọng trong các phương tiện hiện đại, hỗ trợ cả hệ thống hiệu suất và an toàn.

• Hệ thống giám sát áp suất lốp (TPMS): Cảm biến áp suất được gắn trong thân van của mỗi lốp sẽ theo dõi áp suất lốp không dây. Điều này rất cần thiết để đảm bảo an toàn (ngăn ngừa nổ máy) và hiệu quả (tối ưu hóa việc tiết kiệm nhiên liệu).
• Cảm biến áp suất tuyệt đối đa dạng (MAP): cácse measure the absolute pressure in the engine's intake manifold. The data is sent to the Engine Control Unit ( ECU ) để tính toán mật độ không khí đi vào động cơ, cho phép đo chính xác thời điểm phun nhiên liệu và đánh lửa.
• Giám sát áp suất phanh: Được sử dụng trong các hệ thống phanh thủy lực, đặc biệt là các hệ thống có Hệ thống kiểm soát ổn định điện tử ( ESC ) và Hệ thống chống bó cứng phanh ( ABS ), để theo dõi và kiểm soát chính xác áp suất thủy lực tác dụng lên đường phanh.
• Bộ lọc tuần hoàn khí thải (EGR) và Bộ lọc hạt (DPF/GPF): Cảm biến áp suất chênh lệch đo độ giảm áp suất trên các bộ lọc và van để giám sát hệ thống kiểm soát khí thải, đảm bảo tuân thủ các quy định về môi trường.

4.2 Thiết bị y tế

Thu nhỏ và độ tin cậy là điều tối quan trọng trong các ứng dụng y tế, trong đó cảm biến MEMS góp phần đảm bảo an toàn và chẩn đoán cho bệnh nhân.

• Theo dõi huyết áp:
  • xâm lấn: Cảm biến đầu ống thông (thường áp điện) được sử dụng trong chăm sóc đặc biệt hoặc phẫu thuật để đo huyết áp trực tiếp trong động mạch, cung cấp dữ liệu thời gian thực, có độ chính xác cao.
  • Không xâm lấn: Các bộ phận thiết yếu trong máy đo huyết áp điện tử tiêu chuẩn và thiết bị theo dõi liên tục có thể đeo được.
• Bơm tiêm truyền: Cảm biến áp suất giám sát áp suất dòng chất lỏng để đảm bảo phân phối thuốc chính xác, phát hiện tắc nghẽn tiềm ẩn hoặc xác nhận dòng đang mở.
• Thiết bị hô hấp (ví dụ: Máy thở, máy CPAP): Cảm biến áp suất chênh lệch có độ nhạy cao được sử dụng để đo luồng không khí, kiểm soát áp suất và thể tích không khí đưa đến phổi của bệnh nhân và theo dõi chu kỳ hít vào/thở ra.

4.3 Tự động hóa công nghiệp

Trong môi trường công nghiệp, cảm biến MEMS thay thế các cảm biến truyền thống, lớn hơn để cải thiện độ chính xác, giảm chi phí bảo trì và cho phép giám sát từ xa.

• Kiểm soát quá trình: Được sử dụng trong đường ống, lò phản ứng và bể chứa để duy trì mức áp suất không đổi, điều này rất quan trọng đối với các quy trình sản xuất hóa chất, dầu khí và dược phẩm.
• Máy phát áp lực: Các phần tử cảm biến MEMS được tích hợp vào các máy phát chắc chắn cung cấp tín hiệu đầu ra kỹ thuật số hoặc analog được tiêu chuẩn hóa để giám sát và tích hợp từ xa vào Hệ thống điều khiển phân tán ( DCS ).
• Hệ thống HVAC (Sưởi ấm, thông gió và điều hòa không khí): Cảm biến chênh lệch áp suất theo dõi sự sụt giảm áp suất trên các bộ lọc không khí để xác định khi nào chúng cần thay thế (cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng) và đo tốc độ dòng khí để kiểm soát khí hậu chính xác.

4.4 Điện tử tiêu dùng

Cảm biến MEMS hỗ trợ nhiều tính năng thông minh mà người dùng tin cậy trong các thiết bị di động.

• Cảm biến áp suất khí quyển trong điện thoại thông minh: Đo áp suất khí quyển để cung cấp:
  • Theo dõi độ cao: Dành cho các ứng dụng thể dục và ngoài trời.
  • Điều hướng trong nhà (Trục Z): Cho phép bản đồ xác định tầng của người dùng trong tòa nhà nhiều tầng.
  • Dự báo thời tiết: Được sử dụng để dự đoán sự thay đổi thời tiết cục bộ.
• Thiết bị đeo được: Được sử dụng trong đồng hồ thông minh và thiết bị theo dõi thể dục để có độ chính xác cao tăng độ cao theo dõi trong các hoạt động như đi bộ đường dài hoặc leo cầu thang.
• Máy bay không người lái: Cảm biến khí áp cung cấp độ chính xác cao giữ độ cao chức năng rất quan trọng cho chuyến bay và điều hướng ổn định.

Chọn cảm biến áp suất MEMS phù hợp

5.1 Yêu cầu ứng dụng

Bước đầu tiên là xác định kỹ lưỡng về môi trường vận hành và nhu cầu đo lường.

Xác định nhu cầu cụ thể

• Loại áp suất: Xác định loại phép đo cần thiết: tuyệt đối (so với chân không), Máy đo (so với không khí xung quanh), hoặc vi phân (sự khác biệt giữa hai điểm).
• Phạm vi áp suất: Xác định tối thiểu và Tối đa áp lực vận hành dự kiến. Phạm vi toàn thang đo của cảm biến phải nằm trong phạm vi thoải mái của các giá trị này, bao gồm cả các mức tăng đột biến nhất thời có thể xảy ra (→ xem Quá áp suất).
• Độ chính xác and Resolution: Chỉ định độ chính xác cần thiết (ví dụ: $\pm 0,5\%\text{FSO}$ ) và sự thay đổi áp suất nhỏ nhất phải được phát hiện một cách đáng tin cậy ( độ phân giải ). Độ chính xác cao hơn thường có nghĩa là chi phí cao hơn và kích thước gói hàng lớn hơn.
• Khả năng tương thích phương tiện: Xác định chất (khí, chất lỏng hoặc hóa chất ăn mòn) có áp suất được đo. Vật liệu làm ướt của cảm biến phải tương thích về mặt hóa học với môi trường để tránh bị ăn mòn và hỏng hóc.

Điều kiện môi trường

• Phạm vi nhiệt độ hoạt động: các sensor must perform reliably across the expected ambient and media temperature extremes. This is crucial for selecting a sensor with proper temperature compensation.
• Độ ẩm và chất gây ô nhiễm: Xác định xem cảm biến có tiếp xúc với hơi ẩm, bụi hoặc các chất gây ô nhiễm khác hay không. Điều này chỉ ra yêu cầu Xếp hạng Bảo vệ chống xâm nhập (IP) và whether a protected/sealed package is necessary.

5.2 Thông số cảm biến

Sau khi xác định được nhu cầu ứng dụng, bảng dữ liệu của nhà sản xuất phải được xem xét kỹ lưỡng.

Đánh giá các thông số chính

• Độ nhạy and Linearity: Đảm bảo độ nhạy đủ cho độ phân giải cần thiết. Kiểm tra độ tuyến tính để đảm bảo các phép đo chính xác trên toàn bộ phạm vi áp suất.
• Tổng dải lỗi (TEB): Đây là tham số quan trọng nhất vì nó xác định độ chính xác trong trường hợp xấu nhất trên toàn bộ phạm vi nhiệt độ được bù và bao gồm độ tuyến tính, độ trễ và lỗi nhiệt. Nó mang lại một hình ảnh hiệu suất thực tế.
• Áp suất bằng chứng / Áp suất nổ: Xác minh rằng giới hạn quá áp của cảm biến cao hơn áp suất dự kiến tối đa một cách an toàn, bao gồm mọi khả năng bị sốc thủy lực hoặc tăng áp suất.

Cân nhắc về mức tiêu thụ điện năng

• Dành cho loại chạy bằng pin, di động hoặc IoT thiết bị, tiêu thụ điện năng thấp ( $\mu \text{A}$ cấp độ) là điều cần thiết. Cảm biến điện dung hoặc cảm biến thông minh có chế độ tắt nguồn tiên tiến thường được ưa chuộng hơn các loại áp điện cấp nguồn liên tục.
• các choice between analog and digital output (e.g., ${\text{I}}^2\text{C}$ , $\text{SPI}$ ) cũng ảnh hưởng đến mức tiêu thụ điện năng và khả năng tích hợp hệ thống.

5.3 Đóng gói và lắp đặt

Gói cảm biến rất quan trọng để bảo vệ khuôn MEMS và giao tiếp với ứng dụng.

Tùy chọn đóng gói có sẵn

• Thiết bị gắn trên bề mặt (SMD/LGA/QFN): Các gói nhỏ, chi phí thấp để hàn trực tiếp lên một PCB , phổ biến trong các thiết bị tiêu dùng và y tế (ví dụ: cảm biến khí áp).
• Gói chuyển/có gai: Các gói bằng nhựa hoặc gốm có cổng áp suất (ngạnh hoặc ren) để kết nối ống, phổ biến trong các ứng dụng dòng chảy và áp suất thấp.
• Vỏ mô-đun/máy phát: Vỏ chắc chắn, thường bằng kim loại, có cổng ren và đầu nối dành cho môi trường công nghiệp khắc nghiệt, thường có cách ly phương tiện (ví dụ: khoang chứa đầy dầu).

Cân nhắc gắn kết để có hiệu suất tối ưu

• Giảm thiểu căng thẳng cơ học: các sensor package is sensitive to external stress. When mounting on a PCB (đặc biệt là với vít), đảm bảo tránh mô-men xoắn quá mức hoặc ứng suất không đồng đều, vì điều này có thể gây ra sự dịch chuyển điểm 0 ( bù đắp ).
• Thông gió: Cảm biến áp suất đo yêu cầu một lỗ thông hơi với không khí xung quanh. Lỗ thông hơi này phải được bảo vệ khỏi chất lỏng và chất gây ô nhiễm, thường yêu cầu thiết kế bao bì chuyên dụng hoặc màng bảo vệ (ví dụ: lớp phủ gel).
• cácrmal Management: Đặt cảm biến cách xa nguồn nhiệt ( CPU , thành phần nguồn) để giảm thiểu độ dốc nhiệt độ có thể vượt quá phạm vi nhiệt độ được bù.

5.4 Cân nhắc chi phí

Chi phí luôn là một yếu tố, nhưng đơn giá thấp nhất hiếm khi là giải pháp lâu dài tốt nhất.

Cân bằng hiệu suất và chi phí

• Độ chính xác cao hơn, bù nhiệt độ rộng hơn và cách ly phương tiện truyền thông đều làm tăng thêm chi phí đơn vị. Tránh chỉ định quá mức; chỉ chọn mức hiệu suất mà ứng dụng thực sự yêu cầu.
• Không được bồi thường so với được bồi thường: Một khuôn cảm biến thô, không bù nhiệt sẽ rẻ hơn nhưng đòi hỏi người dùng phải phát triển và triển khai các thuật toán hiệu chỉnh và bù nhiệt độ phức tạp, tốn kém trong hệ thống của chính họ, làm tăng thời gian phát triển. Một cảm biến bù được hiệu chuẩn tại nhà máy ( cảm biến thông minh ) có đơn giá cao hơn nhưng lại giảm đáng kể chi phí tích hợp cấp hệ thống.

Chi phí sở hữu dài hạn

• Xem xét tổng chi phí, bao gồm thời gian hiệu chuẩn, các yêu cầu bảo hành có thể xảy ra do sai lệch hoặc hỏng hóc trong môi trường khắc nghiệt và chi phí thay thế hoặc hiệu chỉnh lại các thiết bị bị hỏng. Cảm biến mạnh hơn, giá cao hơn mang lại độ ổn định và độ tin cậy lâu dài tốt hơn thường mang lại tổng chi phí sở hữu thấp hơn.

Những cải tiến mới nhất và xu hướng tương lai

6.1 Vật liệu tiên tiến và kỹ thuật chế tạo

Những đổi mới tập trung vào việc cải thiện khả năng phục hồi, độ ổn định và độ nhạy của cảm biến.

Sử dụng Vật liệu Mới (ví dụ: Cacbua silic ( $\text{SiC}$ ), graphene, $\text{SOI}$ )

• Silicon Carbide ( $\text{SiC}$ ): Đang được khám phá cho các ứng dụng môi trường khắc nghiệt (ví dụ: khoan lỗ, tua bin khí, khoang động cơ) do khả năng hoạt động đáng tin cậy ở nhiệt độ cực cao (vượt quá nhiệt độ cho phép). $300^{\circ }\text{C}$ ) nơi các cảm biến silicon thông thường sẽ không hoạt động.
• Chất cách điện silicon ( $\text{SOI}$ ): Ngày càng được áp dụng cho các ứng dụng quan trọng về an toàn và hiệu suất cao (ví dụ: ADAS, giám sát đường phanh) vì nó mang lại khả năng cách ly điện tốt hơn và ổn định nhiệt trong phạm vi nhiệt độ rộng (lên đến $150^{\circ }\text{C}$ ).
• Graphen: Nghiên cứu đang được tiến hành để tận dụng độ bền cơ học và tính chất điện tử vượt trội của graphene để tạo ra các cảm biến có độ nhạy cao, năng lượng cực thấp và cực kỳ mỏng.

Quy trình vi cơ nâng cao

• Thông qua silicon qua ( $\text{TSV}$ ): Cho phép xếp chồng 3D khuôn MEMS và ASIC, giảm đáng kể diện tích gói ( chiều cao Z ) và tăng cường nhiễu điện từ ( EMI ) khả năng miễn dịch.
• Thiết kế đảo-màng-dầm: Cấu trúc màng ngăn mới dành cho cảm biến áp suất chênh lệch phút ( chiều cao Z ), mang lại độ nhạy cực cao cho máy thở y tế và máy đo lưu lượng công nghiệp.

6.2 Tích hợp với IoT và Công nghệ không dây

Sự hội tụ của cảm biến MEMS với khả năng kết nối là động lực chính cho sự phát triển của ngành công nghiệp và tiêu dùng.

• Cảm biến áp suất không dây (LoRaWAN, $\text{NB-IoT}$ ): Cảm biến áp suất MEMS được tích hợp với các mô-đun truyền thông không dây (như $\text{LoRaWAN}$ cho tầm xa/công suất thấp hoặc $\text{NB-IoT}$ cho kết nối di động) để tạo thành độc lập máy phát áp lực không dây .
• Ứng dụng giám sát từ xa: cácse wireless nodes eliminate costly cabling, enabling the rapid deployment of dense sensor networks in industrial settings ( IIoT ) cho bảo trì dự đoán (theo dõi sự chênh lệch áp suất tinh tế để dự đoán lỗi thiết bị) và điều khiển quá trình từ xa .
• Edge AI và Cảm biến Fusion: Các cảm biến "thông minh" hiện đại đang kết hợp việc học máy ( ML ) lõi hoặc tích hợp ASIC có thể xử lý và phân tích dữ liệu (ví dụ: bù nhiệt độ, lọc, tự chẩn đoán) trực tiếp trên chip (ở "cạnh"). Điều này làm giảm việc truyền dữ liệu, giảm mức tiêu thụ điện năng và cho phép đưa ra quyết định cục bộ, nhanh hơn.

6.3 Thu nhỏ và tiêu thụ điện năng thấp

Thu nhỏ vẫn là yếu tố cạnh tranh cốt lõi, đặc biệt là đối với thị trường tiêu dùng và y tế.

• Xu hướng thu nhỏ cảm biến: Tiếp tục giảm kích thước khuôn và kích thước gói (xuống $<1{\text{mm}}^2$ trong một số trường hợp) tạo điều kiện tích hợp vào các thiết bị đeo, thiết bị nghe và thiết bị y tế cấy ghép nhỏ hơn.
• Thiết kế công suất cực thấp: Chuyển sang công nghệ cảm biến điện dung và cộng hưởng, thường tiêu thụ ít điện năng hơn các loại áp điện. Các thiết kế hiện đại đang đạt được dòng điện dự phòng ở mức phụ $2\text{µA}$ phạm vi, rất quan trọng để kéo dài tuổi thọ pin trong IoT các nút cuối.
• Tích hợp "Áp lực X": Tích hợp cảm biến áp suất với các chức năng khác (ví dụ: nhiệt độ, độ ẩm, cảm biến khí) trong một Hệ thống trong Gói duy nhất ( SiP ) để tiết kiệm không gian và đơn giản hóa thiết kế.

Top sản phẩm cảm biến áp suất MEMS

Cảm biến/Dòng	nhà sản xuất	Ứng dụng chính	Công nghệ/Tính năng chính
Bosch BMP388	Cảm biến Bosch	Người tiêu dùng, Máy bay không người lái, Thiết bị đeo được	Đo áp suất khí quyển/độ cao có độ chính xác cao ( $\pm 0.08\text{hPa}$ độ chính xác tương đối); rất nhỏ, công suất thấp.
Infineon DPS310	Công nghệ Infineon	người tiêu dùng, $\text{IoT}$ , Điều hướng	Cảm biến điện dung cho độ ổn định cao và độ ồn thấp; ổn định nhiệt độ tuyệt vời, được thiết kế cho các ứng dụng di động và thời tiết.
STVi điện tử LPS22HB	STVi điện tử	người tiêu dùng, Industrial, Wearable	Cảm biến áp suất tuyệt đối siêu nhỏ gọn, tiêu thụ điện năng thấp với đầu ra kỹ thuật số (( ${\text{I}}^2\text{C}$ / $\text{SPI}$ )); thường được sử dụng cho các thiết bị di động có khả năng chống nước.
Kết nối TE MS5837	Kết nối TE	Máy đo độ cao, Máy tính lặn, Độ phân giải cao	Cảm biến đo độ cao/độ sâu kỹ thuật số; thiết kế chứa đầy gel, chống nước được tối ưu hóa cho các ứng dụng dưới nước và môi trường khắc nghiệt.
Amphenol NovaCảm biến NPA-100B	Cảm biến nâng cao Amphenol	OEM y tế, công nghiệp, áp suất thấp	Hệ số dạng nhỏ, dựa trên áp điện, có độ tin cậy cao, thường được sử dụng trong các thiết bị y tế như CPAP và lưu lượng kế.
Dòng Murata SCC1300	Công ty sản xuất Murata	Ô tô ( $\text{ADAS}$ , $\text{ABS}$ ), công nghiệp	Hiệu suất cao, $3\text{D}$ Công nghệ MEMS với $\text{ASIL}$ đánh giá, được biết đến với sự ổn định vượt trội trong các ứng dụng quan trọng về an toàn.
Dòng ABPM của Honeywell	Honeywell	Công nghiệp, Y tế, Tuyệt đối/Khí áp	Cảm biến khí áp/tuyệt đối kỹ thuật số có độ chính xác cao, ổn định; được biết đến với hiệu suất tổng dải lỗi (TEB) cao.
Dòng cảm biến HCE đầu tiên	Kết nối TE (acquired First Sensor)	Y tế (CPAP), Áp suất chênh lệch thấp	Cảm biến áp điện, thường được sử dụng để đo lưu lượng và áp suất thấp có độ nhạy cao trong y tế và HVAC.
Tất cả các dòng cảm biến DLHR	Tất cả cảm biến	Áp suất cực thấp, y tế	Cảm biến áp suất thấp có độ phân giải cao với ${\text{CoBeam}}^2$ Công nghệ mang lại hiệu suất vượt trội ở áp suất thấp $\text{HVAC}$ và medical markets.
Hệ thống cảm biến Merit dòng BP	Hệ thống cảm biến khen thưởng	Phương tiện khắc nghiệt, áp lực cao	Khuôn cảm biến áp suất cách ly với môi trường dành cho các ứng dụng công nghiệp và ô tô có khối lượng lớn yêu cầu khả năng tương thích môi trường khắc nghiệt.

Kết luận

8.1 Tóm tắt các điểm chính

• Công nghệ: Cảm biến áp suất MEMS thu nhỏ, thiết bị chế tạo hàng loạt, chủ yếu sử dụng áp điện trở hoặc điện dung Hiệu ứng đo áp suất thông qua độ lệch của màng ngăn.
• Ưu điểm: cácy offer superior thu nhỏ , chi phí thấp (do xử lý hàng loạt), tiêu thụ điện năng thấp và high tiềm năng hội nhập so với các cảm biến truyền thống.
• Số liệu chính: Lựa chọn được điều chỉnh bởi các tham số như Tổng dải lỗi (TEB) , Giới hạn quá áp và khả năng tương thích phương tiện , đảm bảo hiệu suất đáng tin cậy trong phạm vi áp suất và nhiệt độ cần thiết.
• Ứng dụng: cácy are foundational to modern technology, enabling critical functions in ô tô (TPMS, BẢN ĐỒ), Y tế (huyết áp, máy thở), công nghiệp (điều khiển quá trình, HVAC), và Điện tử tiêu dùng (độ cao trong điện thoại thông minh, máy bay không người lái).

8.2 Triển vọng tương lai

Tương lai của cảm biến áp suất MEMS được xác định bằng sự tích hợp, kết nối và khả năng phục hồi nâng cao:

• Cảm biến thông minh: các trend toward integrating AI/ML ở rìa sẽ tiếp tục, cho phép các cảm biến cung cấp những hiểu biết sâu sắc có thể hành động thay vì chỉ dữ liệu thô, thúc đẩy tăng trưởng hơn nữa trong IIoT .
• Môi trường khắc nghiệt: các adoption of advanced materials like SiC and SOI will extend sensor use into more extreme temperature and pressure environments, particularly in electric vehicles ( xe điện ) quản lý nhiệt và các quy trình công nghiệp áp suất cao.
• Tính phổ biến và giảm chi phí: Việc tiếp tục cải tiến các kỹ thuật chế tạo (TSV, vi cơ tiên tiến) sẽ dẫn đến các thiết bị ngày càng nhỏ hơn, tiết kiệm chi phí hơn, đẩy nhanh sự thâm nhập của chúng vào các thị trường mới như nông nghiệp thông minh, thu hoạch năng lượng và robot vi mô.