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MEMS在中等压力测量应用解决方案

来源: Melexis
2018-05-02
类别:工业控制
eye 222
文章创建人 拍明

  微电子机械系统(MEMS)技术在压力传感方面的应用屡见不鲜。这种应用方式数十年来一直常见于各种系统设计中并获得了良好的效果。微电子机械系统由于性能好、可靠性高、尺寸紧凑,因此特别适用于汽车和医疗领域。目前其主要用于低压应用(0至5 bar),与此同时MEMS在推动压力标度技术发展方面表现出的潜在优势也开始得到认可。

  传统上,10至50 bar范围的压力测量系统主要依赖于繁琐的机电技术,例如陶瓷基板应变仪。这既是其固有的特点,但同时也限制了其应用范围。首先,其结构过于臃肿,这意味着这些装置并不适合空间有限的应用场合。其次,随着使用时间的增加,这些装置易出现磨损和断裂问题(由于其密封件最终失效)。

  相比之下离散型MEMS方案更具优势,但同时此类方案也存在一些负面问题。通常传感器应来源于同一家供应商,但这些供应商并不具备必要的相关知识为电子元件提供支持,因此还需要与其他供应商协调。这样不仅导致装配过程复杂化,而且在后续使用时需要安装防护装置并进行必要的相关测试,以保证MEMS方案符合电磁兼容性(EMC)标准。由于这种采用传感器的方案有很多不便,这意味着我们需要根据测定中等压力值的场合对MEMS做重大改进,提高MEMS的耐用性、紧凑性,同时降低成本,使MEMS方案更具吸引力。

  某些情况下单纯使用离散型MEMS方案并不能满足要求,而需要采用集成式解决方案,即一个传感器中整合了数据转换和信号处理等所有功能。为满足这一需求,Melexis经验丰富的研发人员提供了一种能够基于MEMS测量中等压力值的特殊方案,可以将所有必要的功能直接整合到一个芯片之中。在研发过程中我们借鉴了此前在使用各种复杂工程原理时积累的大量经验,决定通过设计创新解决技术难题。最终我们研发了更为先进、更易于实现的压力传感方案。

  新一代的中等压力测量解决方案,充分利用了MEMS技术的许多关键优势

  MLX90819传感元件包含了一种蚀刻在CMOS基片背面的微加工隔膜。当相对的两面存在压力差时,该隔膜将膨胀。相应地,位于隔膜边缘的压阻型传感器会产生信号,从而精确测定相对压力值。该装置采用了创新型玻璃底座布局(如上图中所示),这意味着传感器元件可以直接裸露于应用环境下,与连接焊点和引线键合位置隔开。

  同样,上述元件能够避免暴露在有害介质(例如油类)下导致损坏。该芯片具有极佳的性能特性--在其整个工作压力范围内其线性度始终为±0.2%,响应时间为1ms。此外,该芯片还具有温度偏移和增益补偿、以及大范围诊断功能。

  采用不同的接口类型可以使传感器传递不同的信号:模拟信号或(满足数字输出)SENT协议数据包。实际使用时,可根据汽车和工业的应用要求进行不同的设置,其工作温度的范围为-40°C至150°C。这种传感解决方案特别适合测量汽车HVAC中的液体压力、机油/冷却液压力、双离合器式变速器以及无级变速系统中的液体压力、卡车气闸压力,以及工厂自动化设备中的液体压力。

  在坚持'启发工程'的理念推动下,Melexis充分利用MEMS技术的许多关键优势研发出了下一代中等压力测量方案。这种测量方案不仅可以实现系统小型化目标,而且简化了装配程序,降低了材料成本,同时更易于满足EMC标准。充分证明这种此前曾被整个行业忽视的新型技术方案具有着巨大的发展潜力。

  微机电系统(MEMS, Micro-Electro-Mechanical System),也叫做微电子机械系统、微系统、微机械等,指尺寸在几毫米乃至更小的高科技装置。

  微机电系统其内部结构一般在微米甚至纳米量级,是一个独立的智能系统。

  微机电系统是在微电子技术(半导体制造技术)基础上发展起来的,融合了光刻、腐蚀、薄膜、LIGA、硅微加工、非硅微加工和精密机械加工等技术制作的高科技电子机械器件。

  微机电系统是集微传感器、微执行器、微机械结构、微电源微能源、信号处理和控制电路、高性能电子集成器件、接口、通信等于一体的微型器件或系统。MEMS是一项革命性的新技术,广泛应用于高新技术产业,是一项关系到国家的科技发展、经济繁荣和国防安全的关键技术。

  MEMS侧重于超精密机械加工,涉及微电子、材料、力学、化学、机械学诸多学科领域。它的学科面涵盖微尺度下的力、电、光、磁、声、表面等物理、化学、机械学的各分支。

  常见的产品包括MEMS加速度计、MEMS麦克风、微马达、微泵、微振子、MEMS光学传感器、MEMS力传感器、MEMS陀螺仪、MEMS湿度传感器、MEMS气体传感器等等以及它们的集成产品。

  MEMS全称Micro Electromechanical System,微机电系统。是指尺寸在几毫米乃至更小的高科技装置,其内部结构一般在微米甚至纳米量级,是一个独立的智能系统。主要由传感器、动作器(执行器)和微能源三大部分组成。微机电系统涉及物理学、半导体、光学、电子工程、化学、材料工程、机械工程、医学、信息工程及生物工程等多种学科和工程技术,为智能系统、消费电子、可穿戴设备、智能家居、系统生物技术的合成生物学与微流控技术等领域开拓了广阔的用途。常见的产品包括MEMS加速度计、MEMS麦克风、微马达、微泵、微振子、MEMS压力传感器、MEMS陀螺仪、MEMS湿度传感器等以及它们的集成产品。

  MEMS是一个独立的智能系统,可大批量生产,其系统尺寸在几毫米乃至更小,其内部结构一般在微米甚至纳米量级。例如,常见的MEMS产品尺寸一般都在3mm×3mm×1.5mm,甚至更小。

  微机电系统在国民经济和军事系统方面将有着广泛的应用前景。主要民用领域是电子、医学、工业、汽车和航空航天系统。

  概括起来,MEMS具有以下几个基本特点,微型化、智能化、多功能、高集成度和适于大批量生产。MEMS技术的目标是通过系统的微型化、集成化来探索具有新原理、新功能的元件和系统。 MEMS技术是一种典型的多学科交叉的前沿性研究领域,几乎涉及到自然及工程科学的所有领域,如电子技术、机械技术、物理学、化学、生物医学、材料科学、能源科学等。其研究内容一般可以归纳为以下三个基本方面: 1.理论基础: 在当前MEMS所能达到的尺度下,宏观世界基本的物理规律仍然起作用,但由于尺寸缩小带来的影响(Scaling Effects),许多物理现象与宏观世界有很大区别,因此许多原来的理论基础都会发生变化,如力的尺寸效应、微结构的表面效应、微观摩擦机理等,因此有必要对微动力学、微流体力学、微热力学、微摩擦学、微光学和微结构学进行深入的研究。这一方面的研究虽然受到重视,但难度较大,往往需要多学科的学者进行基础研究。2. 技术基础研究:主要包括微机械设计、微机械材料、微细加工、微装配与封装、集成技术、微测量等技术基础研究。3. 微机械在各学科领域的应用研究。

  美国已研制成功用于汽车防撞和节油的微机电系统加速度表和传感器,可提高汽车的安全性,节油10%。仅此一项美国国防部系统每年就可节约几十亿美元的汽油费。微机电系统在航空航天系统的应用可大大节省费用,提高系统的灵活性,并将导致航空航天系统的变革。在军事应用方面,美国国防部高级研究计划局正在进行把微机电系统应用于个人导航用的小型惯性测量装置、大容量数据存储器件、小型分析仪器、医用传感器、光纤网络开关、环境与安全监测用的分布式无人值守传感等方面的研究。该局已演示以微机电系统为基础制造的加速度表,它能承受火炮发射时产生的近10.5个重力加速度的冲击力,可以为非制导弹药提供一种经济的制导系统。设想中的微机电系统的军事应用还有:化学战剂报警器、敌我识别装置、灵巧蒙皮、分布式战场传感器网络等。





责任编辑:Davia

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