МЭМС-датчики давления: полное руководство по технологиям, применению и выбору

Введение в датчики давления МЭМС

1.1 Что такое МЭМС датчики давления ?

Определение и основные принципы

МЭМС датчики давления представляют собой микроизготовленные устройства, предназначенные для измерения давления жидкости (жидкости или газа). МЭМС означает Микроэлектромеханические системы , имея в виду технологию миниатюрных устройств, созданных с использованием методов микропроизводства, аналогичных тем, которые используются в производстве интегральных схем (ИС).

Основной принцип предполагает диафрагма (тонкая микрообработанная мембрана, часто изготовленная из кремния), которая отклоняет при воздействии разницы давлений. Это отклонение затем преобразуется в электрический сигнал с использованием различных принципов измерения, чаще всего:

• Пьезорезистивный: Изменения в электрике сопротивление диффузионных или имплантированных тензорезисторов на диафрагме.
• Емкостный: Изменения в емкость между отклоненной диафрагмой и неподвижным электродом сравнения.

Преимущества перед традиционными датчиками давления

Датчики давления MEMS обладают значительными преимуществами по сравнению с традиционными, более громоздкими датчиками давления (например, с датчиками давления из фольги или макродиафрагмами):

• Миниатюризация и размер: Они невероятно малы, часто менее миллиметра, что позволяет интегрировать их в компактные устройства и в ограниченном пространстве.
• Массовое производство и низкая стоимость: Изготовлено с использованием методов серийной обработки полупроводников (фотолитографии, травления и т. д.), что позволяет большой объем, низкая стоимость производство.
• Высокая чувствительность и точность: Небольшие, хорошо контролируемые структуры обеспечивают превосходное разрешение и точные измерения.
• Низкое энергопотребление: Их небольшой размер и уменьшенная масса обычно приводят к снижению требований к питанию, что идеально подходит для портативных устройств с батарейным питанием.
• Высокий интеграционный потенциал: Может быть легко интегрирован со встроенными схемами (АSяС) для формирования сигнала, температурной компенсации и цифрового выхода, создавая полную систему в корпусе (СиП).

1.2 Историческое развитие датчиков давления MEMS

Ключевые вехи и инновации

История датчиков давления MEMS тесно связана с развитием технологий производства полупроводников и микрообработки.

Период времени	Ключевые вехи и инновации	Описание
1954	Открытие пьезорезистивного эффекта в кремнии	Открытие К.С. Смита о том, что электрическое сопротивление кремния и германия значительно изменяется под действием механического напряжения (пьезорезистивный эффект), стало основой для первого поколения датчиков давления на основе кремния.
1960-е годы	Первый кремниевый датчик давления	Были продемонстрированы первые кремниевые датчики давления, использующие обнаруженный пьезорезистивный эффект. Они были громоздкими, в основном с использованием объемная микрообработка .
1980-е годы	Коммерциализация и микрообработка	Появление ранних форм микрообработка поверхности и первые коммерческие кремниевые датчики давления большого объема (например, одноразовые датчики артериального давления для медицинского использования и датчики абсолютного давления в коллекторе (MAП) для управления двигателем). Срок МЭМС (Микроэлектромеханические системы) также был официально представлен в течение этого десятилетия.
1990-е годы	Массовое производство и интеграция	Достижения в производстве, такие как Глубокое реактивное ионное травление (ДРяE) (например, процесс Bosch, запатентованный в 1994 году), позволил создавать сложные трехмерные структуры с высоким соотношением сторон. Это привело к массовому производству недорогих и надежных датчиков для автомобилей (например, в системах подушек безопасности и раннего управления двигателем) и бытовой электроники.
2000-е – настоящее время	Миниатюризация и потребительский бум	Акцент сместился на сверхминиатюрные датчики (например, барометрические датчики) со встроенными ASIС для обработки сигналов и температурной компенсации, что обеспечивает их широкое внедрение в смартфонах, носимых устройствах и других устройствах. Интернет вещей (Интернет вещей) . Емкостные и резонансные датчики получили распространение наряду с пьезорезистивной технологией, обеспечивающей лучшую стабильность и меньшую мощность.

Влияние на различные отрасли

Переход от традиционных крупногабаритных датчиков к миниатюрным, массово производимым МЭМС-датчикам давления оказал преобразующее воздействие во многих секторах:

• Автомобильная промышленность: МЭМС sensors were critical in the development of modern electronic engine control (Engine Control Units, ЭБУ ) и системы безопасности. Они сделали возможным обязательное принятие Системы контроля давления в шинах (TPMS) Благодаря своей низкой стоимости и небольшому размеру они значительно повышают безопасность транспортных средств и топливную экономичность.
• Медицинский: Миниатюризация позволила создать одноразовые датчики артериального давления для инвазивного мониторинга (катетеры), что радикально улучшает санитарные условия и снижает перекрестное загрязнение в больницах. Они также необходимы в портативных аппаратах искусственной вентиляции легких, инфузионных насосах и устройствах непрерывного мониторинга здоровья.
• Бытовая электроника: МЭМС barometric pressure sensors made features like внутренняя навигация (определение уровня пола в зданиях) и точное измерение высоты в дронах и фитнес-трекерах возможно. Это стало основным драйвером роста рынков мобильных и носимых устройств.
• Промышленность/Интернет вещей: Низкое энергопотребление и малый форм-фактор являются ключевыми факторами для Промышленный Интернет вещей (IИнтернет вещей) , что позволяет развертывать узлы беспроводных датчиков давления в системах автоматизации производства, управления процессами и мониторинга окружающей среды. Это способствует повышению эффективности и профилактическому обслуживанию.

MСP-J10, J11, J12 Датчик абсолютного давления

Технология и принципы работы

2.1 Основная физика

Датчики давления MEMS преобразуют механическое отклонение диафрагмы в измеримый электрический сигнал, используя различные физические принципы.

Пьезорезистивный эффект

• Принцип: пьезорезистивный эффект утверждает, что удельное электрическое сопротивление полупроводникового материала (например, кремния) изменяется при механическом напряжении ( $\sigma$ ) применяется.
• Механизм: В пьезорезистивном датчике резисторы (часто изготовленные из легированного кремния или поликристаллического кремния) распыляются или имплантируются на поверхность кремниевой диафрагмы. Когда давление вызывает отклонение диафрагмы, эти резисторы напрягаются ( $ϵ$ ), что приводит к изменению их сопротивления  ( $\Delta R$ ).
• Выход: Обычно четыре резистора располагаются в ряд. Мост Уитстона Конфигурация для максимизации чувствительности и обеспечения температурной компенсации, обеспечивающая выходное напряжение, пропорциональное приложенному давлению.

Емкостное измерение

• Принцип: Емкостные датчики измеряют давление, основываясь на изменении электрического напряжения. емкость ( $С$ ).
• Механизм: 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 ( $д$ ) между двумя электродами. Поскольку емкость обратно пропорциональна расстоянию ( $С\propto 1/д$ ), приложенное давление измеряется по изменению $С$ .
• Преимущества: Обычно предлагает более высокая стабильность , более низкое энергопотребление и более низкая температурная чувствительность по сравнению с пьезорезистивными типами, но требует более сложной схемы считывания.

Резонансное зондирование

• Принцип: Резонансные датчики измеряют давление на основе изменения естественная резонансная частота ( ${ж}_0$ ) микромеханической конструкции (например, балки или диафрагмы).
• Механизм: Микромеханический резонатор приводится в колебательное движение. При приложении давления напряжение/деформация в конструкции изменяется, что, в свою очередь, изменяет ее жесткость и распределение массы. Этот сдвиг механических свойств вызывает изменение резонансной частоты, ${ж}_0$ .
• Преимущества: Чрезвычайно высокий резолюция и долгосрочная стабильность , поскольку частота по своей сути является цифровым и надежным измерительным параметром.

2.2 Процесс изготовления

Датчики давления MEMS производятся с использованием узкоспециализированных микрообработка методы, адаптированные из полупроводниковой промышленности.

Методы микрообработки (объемная или поверхностная)

• Массовая микрообработка:
  • Процесс: Включает выборочное травление всей кремниевой пластины для создания трехмерных структур, таких как диафрагма, чувствительная к давлению, и камера сравнения.
  • Методы: Использует анизотропные влажные травители (например, $\text{КОН}$ или $\text{ТМАХ}$ ) или методы сухого травления, такие как глубокое реактивное ионное травление (DRIE).
  • Результат: Толщина диафрагмы часто определяется глубиной вытравливания в подложке.
• Поверхностная микрообработка:
  • Процесс: Включает в себя нанесение и создание рисунка тонких пленок (поликремния, нитрида кремния и т. д.) на поверхности пластины для создания механических структур. Наносится жертвенный слой, а затем избирательно удаляется (травится), чтобы освободить механическую структуру (например, подвижную пластину в емкостном датчике).
  • Результат: Структуры, как правило, тоньше, меньше и изготавливаются с большей плотностью интеграции, часто используются для акселерометров, а также для некоторых емкостных датчиков давления.

Используемые материалы (кремний, кремний на изоляторе)

• Кремний ( $\text{Si}$ ): 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.
• Кремний на изоляторе ( $\text{СОИ}$ ): Композитная пластина, состоящая из тонкого слоя кремния (слой устройства) поверх изолирующего слоя (скрытый оксид, $\text{КОРОБКА}$ ) на объемной кремниевой подложке.
  • Преимущество: Обеспечивает превосходные характеристики в суровых условиях (высокая температура, радиация) и обеспечивает точный контроль толщины диафрагмы и электрической изоляции, что имеет решающее значение для высокопроизводительных датчиков.

2.3 Типы МЭМС-датчиков давления

Датчики давления классифицируются в зависимости от типа давления, которое они измеряют относительно контрольной точки.

• Датчики абсолютного давления:
  • Ссылка: Измерьте давление относительно идеальный вакуум (0 $\text{Па}$ абсолютное), запечатанное внутри эталонной полости датчика.
  • Вариант использования: Измерение высоты, барометрического давления на метеостанциях и телефонах.
• Датчики избыточного давления:
  • Ссылка: Измерьте давление относительно окружающее атмосферное давление вне датчика.
  • Вариант использования: Давление в шинах, гидравлические системы, уровни промышленных резервуаров. (При стандартном атмосферном давлении выходной сигнал равен нулю.)
• Датчики перепада давления:
  • Ссылка: Измерьте разница под давлением между двумя отдельными портами или точками.
  • Вариант использования: Измерение расхода (путем измерения падения давления на дросселе), мониторинг фильтра HVAС.
• Герметичные датчики давления:
  • Ссылка: Подмножество Калибр датчики, в которых эталонная полость герметизирована при определенном давлении (обычно стандартном атмосферном давлении на уровне моря), что делает их нечувствительными к изменениям местного атмосферного давления.
  • Вариант использования: Где на выходе должно быть постоянное эталонное давление независимо от погоды или изменений высоты.

Ключевые параметры производительности

3.1 Чувствительность и точность

Определение чувствительности и ее важности

• Чувствительность является мерой изменения выходного сигнала датчика ( $\Delta \text{Выход}$ ) на единицу изменения давления ( $\Delta \text{P}$ ). Обычно он выражается в таких единицах, как мВ/В/фунт на квадратный дюйм (милливольты на вольт возбуждения на фунт-силу на квадратный дюйм) или мВ/Па.
  • Формула: $\text{Чувствительность}=\frac{\Delta \text{Выход}}{\Delta \text{P}}$
• Важность: Более высокая чувствительность означает больший электрический сигнал для заданного изменения давления, что упрощает измерение, обработку и разрешение сигнала, особенно для приложений с низким давлением.

Факторы, влияющие на точность

Точность определяет, насколько точно измеренный выходной сигнал датчика соответствует истинному значению давления. Часто это совокупность нескольких источников ошибок:

• Нелинейность (НЛ): deviation of the actual output curve from an ideal straight-line response.
• Гистерезис: difference in output when the same pressure point is approached by increasing pressure versus decreasing pressure.
• Ошибка смещения/нулевой точки: output signal when zero pressure is applied.
• Температурные эффекты: Изменения мощности из-за изменений температуры окружающей среды (рассмотрено в 3.3).

Методы калибровки

Для обеспечения высокой точности датчики проходят калибровку:

• Обрезка: Настройка встроенных резисторов (для пьезорезистивных датчиков) или внедрение цифровых справочных таблиц (для интеллектуальных датчиков) для минимизации начального смещения и изменений чувствительности.
• Температурная компенсация: Измерение реакции датчика в диапазоне температур и применение алгоритма коррекции (часто в цифровом виде во встроенной ASIС) для коррекции ошибок, вызванных температурой.

3.2 Диапазон давления и избыточное давление

Выбор подходящего диапазона давления

• Диапазон давления — это указанный диапазон давления (например, от 0 до 100 фунтов на квадратный дюйм), в котором датчик предназначен для работы и соответствует своим эксплуатационным характеристикам.
• Выбор: ideal sensor range should соответствовать максимально ожидаемому рабочему давлению приложения, а также запас прочности, чтобы обеспечить максимальное разрешение и максимальную точность (поскольку точность часто указывается в процентах от полномасштабного выходного сигнала, ФСО ).

Понимание пределов избыточного давления

• Максимальное рабочее давление: highest pressure the sensor can be continuously subjected to without causing a permanent shift in performance specifications.
• Предел избыточного давления (или давление разрыва): maximum pressure the sensor can withstand without физический ущерб или катастрофический отказ (например, разрыв диафрагмы).
  • Выбор датчика с высоким номинальным значением избыточного давления имеет решающее значение для применений, где резкие скачки давления или внезапные скачки являются обычным явлением, чтобы предотвратить отказ системы.

3.3 Влияние температуры

Температурная чувствительность и компенсация

• Чувствительность к температуре: Все кремниевые МЭМС-датчики по своей природе чувствительны к изменениям температуры. Это вызывает два основных эффекта:
  • Температурный коэффициент смещения (TСO): zero-pressure output changes with temperature.
  • Температурный коэффициент диапазона (TCS): sensitivity of the sensor changes with temperature.
• Компенсация: Современные интеллектуальные датчики MEMS используют интегрированные ASIC (интегральные схемы специального назначения) для измерения температуры чипа и применения в цифровом виде алгоритмов коррекции (компенсации) к необработанным данным давления, что в значительной степени устраняет эти ошибки во всем диапазоне рабочих температур.

Диапазон рабочих температур

• Это диапазон температур окружающей среды (например, $-40^{\circ }\text{С}$ чтобы $125^{\circ }\text{С}$ ), в пределах которого датчик гарантированно соответствует всем опубликованным техническим характеристикам, включая компенсируемую точность.

3.4 Долгосрочная стабильность и надежность

Вопросы дрейфа и гистерезиса

• Дрифт (дрифт нулевой точки): 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.
• Гистерезис (гистерезис давления): 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.

Факторы, влияющие на долгосрочную надежность

• Стресс упаковки: Механическое напряжение, вызванное упаковочным материалом датчика (например, эпоксидной смолой, пластиком) или процессом монтажа, может со временем измениться из-за циклического изменения температуры или влаги, что приведет к дрейфу.
• Медиа-совместимость: 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.
• Материальная усталость: Повторяющиеся циклы напряжений из-за изменений давления могут привести к усталости материала, что в конечном итоге влияет на механические свойства и стабильность датчика.

Применение датчиков давления MEMS

4.1 Автомобильная промышленность

Датчики давления MEMS являются важнейшими компонентами современных автомобилей, поддерживающими как производительность, так и системы безопасности.

• Системы контроля давления в шинах (TPMS): Датчики давления, встроенные в стержень клапана каждой шины, осуществляют беспроводной мониторинг давления в шинах. Это важно для безопасности (предотвращения выбросов) и эффективности (оптимизации экономии топлива).
• Датчики абсолютного давления в коллекторе (MAP): se measure the absolute pressure in the engine's intake manifold. The data is sent to the Engine Control Unit ( ЭБУ ) для расчета плотности воздуха, поступающего в двигатель, что позволяет точно дозировать впрыск топлива и угол опережения зажигания.
• Контроль тормозного давления: Используется в гидравлических тормозных системах, особенно с электронной системой стабилизации ( ЭКУ ) и антиблокировочной тормозной системы ( АБС ), чтобы точно отслеживать и контролировать гидравлическое давление, подаваемое в тормозные магистрали.
• Рециркуляция выхлопных газов (EGR) и сажевые фильтры (DPF/GPF): Датчики перепада давления измеряют падение давления на фильтрах и клапанах для мониторинга систем контроля выбросов, обеспечивая соблюдение экологических норм.

4.2 Медицинские приборы

Миниатюризация и надежность имеют первостепенное значение в медицинских приложениях, где МЭМС-датчики способствуют безопасности пациентов и диагностике.

• Мониторинг артериального давления:
  • Инвазивный: Датчики на кончике катетера (часто пьезорезистивные) используются в отделениях интенсивной терапии или хирургии для измерения артериального давления непосредственно в артериях, обеспечивая высокоточные данные в режиме реального времени.
  • Неинвазивный: Основные компоненты стандартных электронных манжет для измерения артериального давления и носимых устройств непрерывного мониторинга.
• Инфузионные насосы: Датчики давления контролируют давление в линии подачи жидкости, чтобы обеспечить точную доставку лекарства, обнаружить потенциальные закупорки или подтвердить, что линия открыта.
• Дыхательные устройства (например, аппараты искусственной вентиляции легких, аппараты CPAP): Высокочувствительные датчики перепада давления используются для измерения воздушного потока, контроля давления и объема воздуха, подаваемого в легкие пациента, а также мониторинга циклов вдоха/выдоха.

4.3 Промышленная автоматизация

В промышленных условиях датчики MEMS заменяют традиционные, более крупные датчики, повышая точность, снижая затраты на техническое обслуживание и обеспечивая возможность удаленного мониторинга.

• Управление процессом: Используется в трубопроводах, реакторах и резервуарах для хранения для поддержания постоянного уровня давления, что имеет решающее значение для процессов химического, нефтегазового и фармацевтического производства.
• Датчики давления: МЭМС sensing elements are integrated into rugged transmitters that provide standardized digital or analog output signals for remote monitoring and integration into Distributed Control Systems ( DCS ).
• Системы ОВК (отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха): Датчики перепада давления контролируют падение давления на воздушных фильтрах, чтобы определить, когда их необходимо заменить (повышение энергоэффективности), и измеряют скорость воздушного потока для точного климат-контроля.

4.4 Бытовая электроника

МЭМС-сенсоры обеспечивают множество интеллектуальных функций, которые пользователи используют в портативных устройствах.

• Датчики атмосферного давления в смартфонах: Измерьте атмосферное давление, чтобы определить:
  • Отслеживание высоты: Для приложений для фитнеса и активного отдыха.
  • Внутренняя навигация (ось Z): Позволяет картам определять уровень этажа пользователя в многоэтажном здании.
  • Прогноз погоды: Используется для прогнозирования локальных изменений погоды.
• Носимые устройства: Используется в умных часах и фитнес-трекерах для обеспечения высокой точности. набор высоты отслеживание во время таких занятий, как пешие прогулки или подъем по лестнице.
• Дроны: Барометрические датчики обеспечивают высокую точность удержание высоты функциональность, которая имеет решающее значение для стабильного полета и навигации.

Выбор подходящего датчика давления MEMS

5.1 Требования к приложению

Первым шагом является тщательное определение операционной среды и потребностей в измерениях.

Определение конкретных потребностей

• Тип давления: Определите необходимый тип измерения: Абсолютный (относительно вакуума), Калибр (относительно окружающего воздуха) или Дифференциал (разница между двумя точками).
• Диапазон давления: Определите Минимум и Максимум ожидаемое рабочее давление. Полномасштабный диапазон датчика должен комфортно укладываться в эти значения, включая потенциальные переходные пики (→ см. «Избыточное давление»).
• Точность and Resolution: Укажите требуемую точность (например, $\pm 0,5\%\text{ФСО}$ ) и наименьшее изменение давления, которое необходимо надежно обнаружить ( резолюция ). Более высокая точность часто означает более высокую стоимость и больший размер упаковки.
• Медиа-совместимость: Определите вещество (газ, жидкость или агрессивное химическое вещество), давление которого измеряется. Смачиваемые материалы датчика должны быть химически совместимы со средой во избежание коррозии и поломок.

Условия окружающей среды

• Диапазон рабочих температур: sensor must perform reliably across the expected ambient and media temperature extremes. This is crucial for selecting a sensor with proper temperature compensation.
• Влажность и загрязнения: Определите, подвергается ли датчик воздействию влаги, пыли или других загрязнений. Это диктует необходимые Степень защиты (IP) и whether a protected/sealed package is necessary.

5.2 Технические характеристики датчика

После того, как потребности применения станут известны, необходимо тщательно изучить паспорт производителя.

Оценка ключевых параметров

• Чувствительность and Linearity: Убедитесь, что чувствительность достаточна для требуемого разрешения. Проверьте линейность, чтобы гарантировать точные измерения во всем диапазоне давлений.
• Общий диапазон ошибок (TEB): Это самый важный параметр, поскольку он определяет наихудшая точность во всем компенсируемом диапазоне температур и включает линейность, гистерезис и тепловые погрешности. Это дает реалистичную картину производительности.
• Испытательное давление/давление разрыва: Убедитесь, что предел избыточного давления датчика безопасно превышает максимальное ожидаемое давление, включая любые потенциальные гидравлические удары или скачки давления.

Вопросы энергопотребления

• Для аккумуляторных, портативных или Интернет вещей устройства, низкое энергопотребление( $мкм\text{A}$ уровень) имеет важное значение. Емкостные датчики или интеллектуальные датчики с расширенными режимами понижения мощности часто предпочтительнее пьезорезистивных датчиков с постоянным питанием.
• choice between analog and digital output (e.g., ${\text{I}}^2\text{С}$ , $\text{СПИ}$ ) также влияет на энергопотребление и простоту системной интеграции.

5.3 Упаковка и монтаж

Корпус датчика имеет решающее значение для защиты кристалла MEMS и взаимодействия с приложением.

Доступные варианты упаковки

• Устройства для поверхностного монтажа (SMD/LGA/QFN): Небольшие недорогие корпуса для прямой пайки на печатная плата , распространенный в потребительских и медицинских устройствах (например, барометрических датчиках).
• Пакеты с портами и шипами: Пластиковые или керамические корпуса с портами давления (зазубринами или резьбой) для подсоединения трубок, часто встречающиеся в системах с низким давлением и расходом.
• Корпус модуля/передатчика: Прочные, часто металлические корпуса с резьбовыми портами и разъемами для суровых промышленных условий, часто содержащие изоляцию среды (например, полость, заполненную маслом).

Рекомендации по монтажу для обеспечения оптимальной производительности

• Минимизация механического напряжения: sensor package is sensitive to external stress. When mounting on a печатная плата (особенно с винтами), следите за тем, чтобы не допускать чрезмерного крутящего момента или неравномерного напряжения, так как это может привести к смещению нулевой точки ( компенсация ).
• Вентиляция: Для датчиков избыточного давления требуется отверстие для выпуска воздуха из окружающей среды. Это вентиляционное отверстие должно быть защищено от жидкости и загрязнений, что часто требует специальной конструкции упаковки или защитной мембраны (например, гелевого покрытия).
• rmal Management: Разместите датчик вдали от источников тепла ( процессоры , силовые компоненты) для минимизации температурных градиентов, которые могут выйти за пределы компенсируемого температурного диапазона.

5.4 Соображения стоимости

Стоимость всегда является важным фактором, но самая низкая цена за единицу продукции редко является лучшим долгосрочным решением.

Баланс между производительностью и стоимостью

• Более высокая точность, более широкая температурная компенсация и изоляция среды увеличивают стоимость единицы продукции. Избегайте чрезмерных уточнений; выбирайте только тот уровень производительности, который действительно требуется приложению.
• Некомпенсированные и компенсированные: Некомпенсированный сенсорный кристалл дешевле, но требует от пользователя разработки и реализации сложных и дорогостоящих алгоритмов калибровки и температурной компенсации в собственной системе, что увеличивает время разработки. Компенсированный датчик с заводской калибровкой ( умный датчик ) имеет более высокую стоимость единицы, но значительно снижает стоимость интеграции на уровне системы.

Долгосрочная стоимость владения

• Учитывайте общую стоимость, включая время калибровки, потенциальные претензии по гарантии из-за дрейфа или неисправности в суровых условиях, а также стоимость замены или повторной калибровки вышедших из строя устройств. Более прочный и дорогой датчик, который обеспечивает лучшую долговременную стабильность и надежность, часто приводит к снижению совокупной стоимости владения.

Последние инновации и будущие тенденции

6.1 Передовые материалы и методы изготовления

Инновации направлены на повышение устойчивости, стабильности и чувствительности датчиков.

Использование новых материалов (например, карбида кремния ( $\text{Карбид кремния}$ ), Графен, $\text{СОИ}$ )

• Карбид Кремния ( $\text{Карбид кремния}$ ): Исследуется для применения в суровых условиях окружающей среды (например, скважинное бурение, газовые турбины, моторные отсеки) из-за его способности надежно работать при чрезвычайно высоких температурах (превышающих $300^{\circ }\text{С}$ ), где обычные кремниевые датчики не работают.
• Кремний на изоляторе ( $\text{СОИ}$ ): Все чаще применяется в высокопроизводительных и критически важных для безопасности автомобильных приложениях (например, АДАС, мониторинг тормозной магистрали), поскольку обеспечивает лучшую электрическую изоляцию и термическую стабильность в широком диапазоне температур (до $150^{\circ }\text{С}$ ).
• Графен: В настоящее время ведутся исследования по использованию превосходной механической прочности и электронных свойств графена для создания высокочувствительных сверхмаломощных датчиков, которые будут исключительно тонкими.

Передовые процессы микрообработки

• Сквозное кремниевое отверстие ( $\text{ТСВ}$ ): Обеспечивает трехмерное штабелирование кристалла MEMS и ASIC, что значительно уменьшает занимаемую площадь ( Z-высота ) и усиление электромагнитных помех ( ЭМИ ) иммунитет.
• Конструкция «балка-мембрана-остров»: Новая конструкция мембраны для датчиков минимального перепада давления ( Z-высота ), обеспечивающий чрезвычайно высокую чувствительность для аппаратов искусственной вентиляции легких и промышленных расходомеров.

6.2 Интеграция с Интернетом вещей и беспроводными технологиями

Конвергенция МЭМС-датчиков с возможностью подключения является основным фактором роста промышленности и потребителей.

• Беспроводные датчики давления (ЛоРаВАН, $\text{НБ-IoT}$ ): МЭМС pressure sensors are integrated with wireless communication modules (like $\text{LoRaWAN}$ для большой дальности/малой мощности или $\text{НБ-IoT}$ для сотовой связи) для формирования автономных беспроводные датчики давления .
• Приложения для удаленного мониторинга: se wireless nodes eliminate costly cabling, enabling the rapid deployment of dense sensor networks in industrial settings ( IIoT ) для профилактическое обслуживание (мониторинг незначительных отклонений давления для прогнозирования отказа оборудования) и удаленное управление процессом .
• Edge AI и сенсорное слияние: Современные «умные» датчики используют машинное обучение ( МЛ ) ядра или интегрированные ASIC-чипы которые могут обрабатывать и анализировать данные (например, температурную компенсацию, фильтрацию, самодиагностику) непосредственно на кристалле (на «крае»). Это сокращает передачу данных, снижает энергопотребление и обеспечивает более быстрое и локализованное принятие решений.

6.3 Миниатюризация и низкое энергопотребление

Миниатюризация остается основным фактором конкуренции, особенно на потребительском и медицинском рынках.

• Тенденции миниатюризации датчиков: Продолжающееся уменьшение размера матрицы и размера упаковки (вплоть до $<1{\text{мм}}^2$ в некоторых случаях) облегчает интеграцию в носимые, слуховые и имплантируемые медицинские устройства меньшего размера.
• Конструкции со сверхнизким энергопотреблением: Переход к емкостным и резонансным технологиям измерения, которые обычно потребляют меньше энергии, чем пьезорезистивные датчики. Современные конструкции достигают резервных токов в суб- $2\text{мкА}$ диапазон, что имеет решающее значение для продления срока службы батареи в Интернет вещей конечные узлы.
• Интеграция «Давление X»: Интеграция датчика давления с другими функциями (например, измерением температуры, влажности, измерения газа) в единой системе в корпусе ( СиП ) для экономии места и упрощения конструкции.

Лучшие продукты для датчиков давления MEMS

Датчик/Серия	Производитель	Основное приложение	Ключевая технология/особенность
Бош БМП388	Бош Сенсортек	Потребительский, Дрон, Носимый	Высокоточное измерение барометрического давления/высоты ( $\pm 0.08\text{гПа}$ относительная точность); очень маленький, маломощный.
Инфинеон DPS310	Инфинеон Технологии	Потребитель, $\text{Интернет вещей}$ , Навигация	Емкостное измерение для высокой стабильности и низкого уровня шума; превосходная температурная стабильность, предназначен для мобильного и погодных условий.
СТМикроэлектроника LPS22HB	STMicroelectronics	Потребитель, Industrial, Wearable	Сверхкомпактный маломощный датчик абсолютного давления с цифровым выходом(( ${\text{I}}^2\text{С}$ / $\text{СПИ}$ )); часто используется для водостойких мобильных устройств.
TE-подключение MS5837	ТЕ-подключение	Альтиметр, Компьютеры для дайвинга, Высокое разрешение	Цифровой высотомер/датчик глубины; водостойкая конструкция с гелевым наполнением, оптимизированная для работы в суровых средах и под водой.
Амфенол НоваСенсор НПА-100Б	Усовершенствованные датчики амфенола	Медицинское, промышленное оборудование низкого давления OEM	Высоконадежные пьезорезистивные устройства малого форм-фактора, часто используемые в медицинских устройствах, таких как CPAP и расходомеры.
Серия Мурата SCC1300	Производственная компания Мурата	Автомобильная промышленность ( $\text{ADAS}$ , $\text{АБС}$ ), Промышленный	Высокая производительность, $3\text{D}$ МЭМС technology with $\text{АСИЛ}$ рейтинг, известный превосходной стабильностью в критически важных для безопасности приложениях.
Серия Ханивелл ABPM	Honeywell	Промышленные, медицинские, абсолютные/барометрические	Высокоточные и стабильные цифровые барометрические/абсолютные датчики; известен высокой производительностью в диапазоне общей ошибки (TEB).
Первый датчик серии HCE	ТЕ-подключение (acquired First Sensor)	Медицинский (CPAP), низкий перепад давления	Пьезорезистивный датчик, часто используемый для высокочувствительных измерений низкого давления и расхода в медицине и системах отопления, вентиляции и кондиционирования.
Все датчики серии DLHR	Все датчики	Сверхнизкое давление, медицинское	Датчики низкого давления высокого разрешения с ${\text{СoBeam}}^2$ Технология для превосходной производительности при низком давлении $\text{HVAC}$ и medical markets.
Датчики Merit серии BP	Системы датчиков заслуг	Жесткие средства массовой информации, высокое давление	Изолированный от среды датчик давления для крупносерийного автомобильного и промышленного применения, требующего совместимости с суровыми средами.

Заключение

8.1 Краткое изложение ключевых моментов

• Технология: МЭМС pressure sensors miniature, batch-fabricated devices, primarily using the пьезорезистивный или емкостный эффект для измерения давления посредством отклонения диафрагмы.
• Преимущества: y offer superior миниатюризация , низкая стоимость (из-за пакетной обработки), низкое энергопотребление и high интеграционный потенциал по сравнению с традиционными датчиками.
• Ключевые показатели: Выбор определяется такими параметрами, как Общий диапазон ошибок (TEB) , Предел избыточного давления и совместимость с носителями , обеспечивая надежную работу в требуемом диапазоне давлений и температур.
• Приложения: y are foundational to modern technology, enabling critical functions in Автомобильная промышленность (ТПМС, МАП), Медицинский (артериальное давление, аппараты искусственной вентиляции легких), Промышленный (управление технологическими процессами, ОВКВ) и Бытовая электроника (высота в смартфонах, дронах).

8.2 Перспективы на будущее

Будущее MEMS-датчиков давления определяется расширенной интеграцией, возможностью подключения и отказоустойчивостью:

• Интеллектуальное зондирование: trend toward integrating ИИ/МО на переднем крае будет продолжаться, позволяя датчикам предоставлять полезную информацию, а не просто необработанные данные, что будет способствовать дальнейшему росту IIoT .
• Суровые условия: adoption of advanced materials like SiC and SOI will extend sensor use into more extreme temperature and pressure environments, particularly in electric vehicles ( ЕВ ) термоменеджмент и промышленные процессы под высоким давлением.
• Вездесущность и снижение затрат: Продолжающееся совершенствование технологий изготовления (TSV, усовершенствованная микрообработка) приведет к созданию все более компактных и экономически эффективных устройств, ускоряя их проникновение на новые рынки, такие как интеллектуальное сельское хозяйство, сбор энергии и микроробототехника.