In diesem Interview spricht AZoSensors mit Scott Sidwell, Engineering Manager bei Merit Sensor Systems, über piezoresistive MEMS-Drucksensoren, Siliziumchips und wie diese in verschiedenen Branchen eingesetzt werden.

Können Sie uns Hintergrundinformationen zu Drucksensoren und deren Bedeutung in verschiedenen Branchen geben?

Drucksensoren sind lebenswichtige Komponenten, die in verschiedenen Branchen eine entscheidende Rolle spielen. Aktuelle Untersuchungen zeigen, dass der Markt für Drucksensoren ein bemerkenswertes Wachstum verzeichnen wird und bis 24.5 voraussichtlich fast 2028 Milliarden US-Dollar erreichen wird.

Sie finden Anwendungen in der Automobilindustrie, der industriellen Automatisierung und Prozesssteuerung, bei Konsumgütern wie Tauchen, E-Bikes und vor allem im medizinischen Bereich.

Drucksensoren arbeiten nach dem Prinzip der Kraft einer Flüssigkeit geteilt durch die Fläche. Um es ins rechte Licht zu rücken: Betrachten Sie eine Spritze – eine kleinere kann bei gleicher Kraft mehr Druck erzeugen als eine größere. Das Verständnis dieses Konzepts ist beim Umgang mit Drucksensoren von entscheidender Bedeutung.

Atmosphärendruck ist ein Begriff, den wir oft hören. Könnten Sie erklären, was es ist und welche Relevanz es im Zusammenhang mit Drucksensoren hat?

Der atmosphärische Druck ist im Wesentlichen das Gewicht der Luft, die auf uns drückt. Wenn Sie in einem Flugzeug oder Raumschiff aufsteigen, wird die Luft weniger dicht, enthält weniger Moleküle und weniger Sauerstoff. Bei der Messung des Drucks in Ihrer Anwendung ist es wichtig, den Atmosphärendruck zu berücksichtigen, da dieser die Art des benötigten Drucksensors bestimmt.

Welche anderen Anwendungen außer der Automobilindustrie profitieren von Drucksensoren und wie werden sie eingesetzt?

Drucksensoren finden in den unterschiedlichsten Branchen Anwendung und gehen weit über ihren traditionellen Einsatz im Automobilsektor hinaus. Einer der Sektoren, in denen Drucksensoren eine entscheidende Rolle spielen, ist die Tauchindustrie. In diesem Bereich werden Drucksensoren eingesetzt, um die Tiefe von Tauchern unter Wasser zu überwachen und es ihnen zu ermöglichen, die Auf- und Abstiegszeiten genau zu berechnen. Die lebensfeindliche Unterwasserumgebung erfordert zuverlässige Druckmessungen, um die Sicherheit der Taucher zu gewährleisten.

Drucksensoren haben ihren Weg in den Konsumgütermarkt gefunden. Beispielsweise werden im Fahrradbereich, insbesondere in der aufstrebenden Kategorie der E-Bikes, Drucksensoren in verschiedene Komponenten integriert. Diese Sensoren können an Fahrradstoßdämpfern, Reifen und anderen wichtigen Teilen eingesetzt werden, um die Gesamtleistung und das Benutzererlebnis zu verbessern.

Was sind typische Anwendungen piezoresistiver Drucksensoren und wie funktionieren sie?

Piezoresistive Drucksensoren sind eine Unterart von Drucksensoren, die für ihre Vielseitigkeit und ihren Einsatz in verschiedenen Anwendungen bekannt sind. Piezoresistive Sensoren basieren auf dem Prinzip eines dotierten Halbleiter-Siliziumkristalls, wodurch sie den Druck wiederholbarer messen können als andere Technologien.

Um ihre typischen Anwendungen zu verstehen, ist hervorzuheben, dass piezoresistive Drucksensoren nicht auf ein einzelnes Feld beschränkt sind. Sie werden in einer Vielzahl von Branchen eingesetzt, darunter auch im medizinischen Bereich. Bei medizinischen Eingriffen wie der Angioplastie, bei der Chirurgen Ballons in Arterien aufblasen, spielen Drucksensoren eine entscheidende Rolle. Bei diesen Eingriffen hilft der Ausgang des Drucksensors dem Chirurgen, den Grad der Inflation im Ballon zu überwachen und den Gesamtstatus des Eingriffs zu beurteilen.

Können Sie erklären, was MEMS-Technologie ist und welche Vorteile sie im Zusammenhang mit Drucksensoren bietet?

MEMS steht für Micro-Electrical-Mechanical Systems und es gibt viele verschiedene Arten von MEMS. Die Abscheidungs-, Ionenimplantations- und Diffusionsschritte sind alle von grundlegender Bedeutung für die Halbleiterherstellung sowie für die Fotolithographie und das Ätzen von MEMS-Drucksensoren. MEMS-Drucksensoren verfügen über eine elastische Siliziummembran und sind daher frei von Hysterese und Kriechen.

Diese Elastizität kommt dem Sensor zugute, da er wiederholten Druckwechseln standhalten kann, ohne seine Eigenschaften zu verändern. Wenn Dinge dazu neigen, zu kriechen oder sich zu verändern, liegt das fast immer an der Verpackung und nicht unbedingt am Siliziumchip selbst. Auch die Unterbringung tausender Drucksensoren auf einem Wafer trägt erheblich zur Kostensenkung bei.

Merit Sensor hat seine Waferfabrik in Utah. Die Zusammenarbeit mit einem Anbieter, der über eine eigene Waferfabrik verfügt, bietet viele Vorteile. Wenn es um die Entwicklung eines neuen Produkts geht, ist die eigene Waferfabrik ein großer Vorteil, da Sie so die Kontrolle über die Lieferkette haben. Das Design im eigenen Haus zu behalten, wird oft als der Schlüssel zur erfolgreichen Entwicklung und Markteinführung eines Produkts angesehen.

Können Sie uns ein grundlegendes Verständnis des MEMS-Drucksensors vermitteln?

Das wichtigste Designmerkmal eines MEMS-Drucksensors ist die in die Siliziummembran diffundierte Wheatstone-Brücke. Die Änderung der Leistung dieser Brücke entspricht einer Änderung des angelegten Drucks. Wenn ein Kunde einen höheren Druckbereich benötigt, benötigt der Sensor eine dickere Membran, um den erhöhten Druck zu bewältigen. Umgekehrt reicht für die Messung niedriger Drücke, z. B. Zoll Wassersäule oder niedrige Pascal, eine dünne Membran aus.

Nach dem Herstellungsprozess wird das Silizium mit einem Stück Glas verbunden. Das Glas kann ein Loch haben, um eine Entlüftung für verschiedene Druckanwendungen zu schaffen, oder es kann ohne Loch abgedichtet werden. Im letzteren Fall werden Glas und Silizium im Vakuum miteinander verbunden.

Wenn im Glas kein Loch vorhanden ist, spricht man von einem Absolutsensor, da der Raum zwischen Silizium und Glas einen absoluten Nulldruck darstellt.

Es gibt zwei Arten von Absolutsensoren, die aus MEMS-Chips hergestellt werden. Der herkömmliche Typ hat kein Loch im hinteren Glas, wodurch eine versiegelte Vakuumreferenz für absoluten Druck entsteht. Dieses Design erfordert jedoch einen Schutz der Schaltkreise auf der Oberseite, um Korrosion und Kurzschlüsse durch Feuchtigkeit oder Nässe zu verhindern.

Alternativ gibt es den Absolutsensor mit Rückseitendruck. Bei diesem Design wird oben auf dem Silizium ein Stück Glas angebracht, wodurch auf der Oberseite eine versiegelte Vakuumreferenz entsteht und ein rückseitiger Druck auf das MEMS-Element ermöglicht wird. Dieser Typ wird häufig in Automobil- und Hochtemperaturanwendungen sowie bei Flüssigkeiten eingesetzt.

Können Sie uns mehr über den Offsetdruck und andere Faktoren wie Drucknichtlinearität und Hysterese erzählen?

Der Offsetdruck ist die Nulldruckmessung bei Raumtemperatur. Die Druck-Nichtlinearität misst, wie linear oder nichtlinear der Sensorausgang vom Nulldruck bis zum Volldruck ist, und die Hysterese spiegelt die Differenz zwischen dem anfänglichen Nullpunkt und dem Rückkehr-Nullpunkt wider, wenn Druck angelegt und dann entlastet wird. Das MEMS-Sensorelement ist darauf ausgelegt, diese Fehlerquellen zu minimieren.

Wie beeinflussen temperaturbedingte Faktoren wie TCR und TCS das Verhalten von Drucksensoren?

Es ist möglich, den TCR, den Temperaturkoeffizienten des Widerstands, in Verbindung mit der Druckmessung zur Bestimmung der Temperatur zu verwenden, da sich der TCR erheblich mit der Temperatur ändert. Der Temperaturkoeffizient der Spanne/Empfindlichkeit (TCS) muss unbedingt berücksichtigt werden, insbesondere bei Anwendungen mit großen Betriebstemperaturbereichen. Der TCS ist negativ und bei Verwendung des piezoresistiven MEMS-Drucksensors nimmt die Empfindlichkeit oder Spanne mit steigender Temperatur ab.

Können Sie erklären, wie wichtig die Genauigkeit von Drucksensoren ist und wie sie erreicht werden kann?

Die Genauigkeit von Drucksensoren wird oft als Gesamtfehlerband gemessen, das Fehler in Bezug auf Temperatur und Druck umfasst. Um Genauigkeit zu erreichen, ist eine Kalibrierung erforderlich, und vollständig kompensierte Sensoren mit integrierten ASICs vereinfachen diesen Prozess und sorgen für eine höhere Genauigkeit. Genauigkeit ist von entscheidender Bedeutung, insbesondere bei Anwendungen, bei denen präzise Messungen von entscheidender Bedeutung sind.

Wie wirken sich Stress und andere äußere Einflüsse auf Drucksensoren aus?

Wir sind sehr stolz darauf, die Fehlerquellen zu verstehen und zu charakterisieren, die unsere Kunden nicht kompensieren können: thermische Hysterese und Langzeitstabilität. Das Letzte, was unsere Kunden wollen, ist ein Teileausfall in ihren Händen, der aufgrund langfristiger Stabilitätsprobleme auftreten kann.

Es ist wichtig zu bedenken, dass das MEMS-Sensorelement auch ein guter Stresssensor ist. Beispielsweise verändert ein Drehmoment oder Biegemoment auf das MEMS-Element den Ausgang der Wheatstone-Brücke. Bei Verpackungs- und Montageprozessen kann es zu Spannungen kommen, die sich auf die Sensorleistung auswirken. Mit der Zeit werden sich etwaige paketbedingte Spannungen lösen und wieder ins Gleichgewicht kommen. Dieser Spannungsabbau äußert sich in einer Änderung des Offsets des Sensors, also in einer Offsetdrift und Langzeitstabilität. Um die Stabilität des Sensors zu gewährleisten, sind eine sorgfältige Handhabung und Verpackung unerlässlich.

Können Sie erläutern, wie sich MEMS-Chips für eine Vielzahl spezifischer und allgemeiner Anwendungen eignen und welche Faktoren Kunden bei der Auswahl eines Drucksensors berücksichtigen sollten?

MEMS-Chips kommen häufig in Druckwandler- oder Drucktransmitteranwendungen vor, bei denen sich der MEMS-Chip auf einem Header befindet. Der Sammler ist in ein Edelstahlgehäuse mit einer Edelstahlmembran eingeschweißt. Edelstahl ist eine ausgezeichnete Wahl, da er sehr medienverträglich ist und die meisten Menschen mit den Fähigkeiten von Edelstahl in der Regel bestens vertraut sind. Dieses Paket ist für viele industrielle Anwendungen geeignet.

Nach dem Zusammenschweißen der Edelstahlmembran und des Gehäuses erfolgt eine Rückfüllung des Öls in dieses Gehäuse. Ein sauberes Silikonöl umgibt den MEMS-Chip und überträgt den Druck zwischen der Edelstahlmembran und der Siliziummembran des MEMS-Elements.

In der HVAC-Branche kann der MEMS-Chip separat erworben oder in unserer LP-Serie verpackt und auf einer Steuerplatine platziert werden. Diese Steuertafeln befinden sich in großen Gebäuden, entweder auf dem Dach des Gebäudes in der Nähe des Lufteinlasses oder im Hauswirtschaftsraum des Gebäudes, wo sich Wärmetauscher und Luftführungssysteme befinden.

Eine weitere häufige Anwendung ist der Transport. Drucksensoren werden häufig in verschiedenen Fahrzeugtypen eingesetzt. Dieser Bereich wächst weiter, da die Gesetzgebung die Nachfrage nach höherer Effizienz und saubereren Emissionen vorantreibt.

Um mehr zu erfahren, sehen Sie sich das vollständige Webinar unten an:

Piezoresistive MEMS-Drucksensoren verstehen: Ein genauer Blick auf einen Siliziumchip ab Merit Medical on Vimeo.

 

Über den Befragten

Scott kam im September 2003 zu Merit Sensor. Bevor er zu Merit Sensor kam, arbeitete er in verschiedenen technischen Positionen bei Halbleiterunternehmen wie ON Semiconductor und Motorola. In seiner aktuellen Position arbeitet er eng mit Kunden zusammen, um Drucksensorlösungen und technischen Support bereitzustellen.

Scott erhielt einen Abschluss in Chemieingenieurwesen und einen MBA von der Brigham Young University. Er spricht Spanisch und engagiert sich gerne ehrenamtlich.