Dans cette interview, AZoSensors s'entretient avec Scott Sidwell, responsable de l'ingénierie chez Merit Sensor Systems, des capteurs de pression piézorésistifs MEMS, des puces en silicium et de la manière dont ils sont tous utilisés dans diverses industries.

Pourriez-vous nous fournir quelques informations générales sur les capteurs de pression et leur importance dans diverses industries ?

Les capteurs de pression sont des composants essentiels qui jouent un rôle crucial dans diverses industries. Le marché des capteurs de pression devrait connaître une croissance remarquable, comme l’indiquent des recherches récentes, et devrait atteindre près de 24.5 milliards de dollars d’ici 2028.

Ils trouvent des applications dans l'automobile, l'automatisation industrielle et le contrôle des processus, les produits de consommation comme la plongée, les vélos électriques et, surtout, dans le domaine médical.

Les capteurs de pression fonctionnent sur le principe de la force d'un fluide divisée par sa surface. Pour mettre les choses en perspective, considérons une seringue : une plus petite peut générer plus de pression qu’une plus grande avec la même force appliquée. Comprendre ce concept est crucial lorsqu’il s’agit de capteurs de pression.

La pression atmosphérique est un terme que l’on entend souvent. Pourriez-vous nous expliquer de quoi il s'agit et sa pertinence dans le cadre des capteurs de pression ?

La pression atmosphérique est essentiellement le poids de l’air qui s’exerce sur nous. À mesure que vous montez dans un avion ou un vaisseau spatial, l'air devient moins dense, avec moins de molécules et moins d'oxygène. Il est important de prendre en compte la pression atmosphérique lors de la mesure de la pression dans votre application, car elle déterminera le type de capteur de pression nécessaire.

Quelles autres applications que l’industrie automobile bénéficient des capteurs de pression, et comment sont-ils utilisés ?

Les capteurs de pression trouvent des applications dans un large éventail d’industries, bien au-delà de leur utilisation traditionnelle dans le secteur automobile. L'un des secteurs dans lesquels les capteurs de pression jouent un rôle essentiel est celui de la plongée. Dans ce domaine, des capteurs de pression sont utilisés pour surveiller la profondeur des plongeurs sous l'eau, leur permettant ainsi de calculer avec précision les temps de montée et de descente. L'environnement sous-marin hostile nécessite des mesures de pression fiables pour garantir la sécurité des plongeurs.

Les capteurs de pression ont fait leur entrée sur le marché des produits de consommation. Par exemple, dans le domaine des vélos, en particulier dans la catégorie émergente des vélos électriques, des capteurs de pression sont intégrés dans divers composants. Ces capteurs peuvent être utilisés sur les amortisseurs de vélo, les pneus et d'autres pièces critiques pour améliorer les performances globales et l'expérience utilisateur.

Quelles sont les applications typiques des capteurs de pression piézorésistifs et comment fonctionnent-ils ?

Les capteurs de pression piézorésistifs sont un sous-type de capteurs de pression connus pour leur polyvalence et leur utilisation dans diverses applications. Les capteurs piézorésistifs fonctionnent selon un principe impliquant un cristal de silicium semi-conducteur dopé, ce qui leur permet de mesurer la pression de manière plus reproductible que les autres technologies.

Pour comprendre leurs applications typiques, il convient de souligner que les capteurs de pression piézorésistifs ne sont pas limités à un seul champ. Ils sont utilisés dans de nombreux secteurs, notamment le secteur médical. Dans les procédures médicales comme l’angioplastie, où les chirurgiens gonflent des ballons à l’intérieur des artères, les capteurs de pression jouent un rôle crucial. Dans ces procédures, la sortie du capteur de pression aide le chirurgien à surveiller le niveau de gonflage à l'intérieur du ballon et à évaluer l'état général de la procédure.

Pouvez-vous nous expliquer ce qu'est la technologie MEMS et ses avantages dans le cadre des capteurs de pression ?

MEMS signifie Micro-Electrical-Mechanical Systems, et il existe de nombreux types différents de MEMS. Les étapes de dépôt, d'implantation ionique et de diffusion sont toutes fondamentales pour la fabrication de semi-conducteurs, ainsi que pour la photolithographie et la gravure des capteurs de pression MEMS. Les capteurs de pression MEMS sont dotés d'un diaphragme élastique en silicium, ce qui signifie qu'ils sont exempts d'hystérésis et de fluage.

Cette élasticité profite au capteur car elle lui permet de subir des cycles de pression répétés sans altérer ses propriétés. Lorsque les choses ont tendance à évoluer ou à changer, cela est presque toujours dû à la façon dont elles sont emballées, et pas nécessairement à la puce de silicium elle-même. Le fait de placer des milliers de capteurs de pression sur une seule plaquette contribue également à réduire considérablement les coûts.

Merit Sensor a sa fabrique de plaquettes dans l’Utah. Il y a de nombreux avantages à travailler avec un fournisseur qui possède sa propre usine de fabrication de plaquettes. Lorsqu’il s’agit de développer un nouveau produit, disposer de votre usine de fabrication de plaquettes constitue un énorme avantage, car cela vous permet de contrôler la chaîne d’approvisionnement. Garder la conception en interne est souvent considéré comme la clé du développement et du lancement réussis de tout produit.

Pouvez-vous nous donner une compréhension de base du capteur de pression MEMS ?

La principale caractéristique de conception d'un capteur de pression MEMS est le pont de Wheatstone diffusé dans le diaphragme en silicium. Le changement de sortie de ce pont correspond à un changement de pression appliquée. Lorsqu'un client a besoin d'une plage de pression plus élevée, le capteur nécessite un diaphragme plus épais pour gérer l'augmentation de la pression. À l’inverse, pour mesurer de basses pressions, comme des pouces d’eau ou de faibles pascals, un diaphragme fin suffit.

Après le processus de fabrication, le silicium est lié à un morceau de verre. Le verre peut avoir un trou pour créer un évent pour diverses applications de pression, ou il peut être scellé sans trou. Dans ce dernier cas, le verre et le silicium sont liés sous vide.

Lorsqu’il n’y a pas de trou dans le verre, on parle de capteur absolu car l’espace entre le silicium et le verre représente une pression absolue nulle.

Il existe deux types de capteurs absolus fabriqués à partir de puces MEMS. Le type traditionnel n'a pas de trou dans la vitre arrière, créant une référence de vide scellée pour une pression absolue. Cependant, cette conception nécessite une protection des circuits sur la face supérieure afin d'éviter la corrosion et les courts-circuits dus à l'humidité ou à l'humidité.

Alternativement, il existe le capteur absolu avec pression arrière. Dans cette conception, un morceau de verre est ajouté au sommet du silicium, créant une référence de vide scellée sur la face supérieure et permettant une pression arrière sur l'élément MEMS. Ce type est couramment utilisé dans les applications automobiles et à haute température, ainsi qu'avec les liquides.

Pouvez-vous nous en dire plus sur la pression de décalage et d'autres facteurs tels que la non-linéarité de la pression et l'hystérésis ?

La pression de décalage est la mesure de pression nulle à température ambiante. La non-linéarité de la pression mesure le degré de linéarité ou de non-linéarité de la sortie du capteur entre la pression nulle et la pression à pleine échelle, et l'hystérésis reflète la différence entre le zéro initial et le zéro de retour, lorsque la pression est appliquée puis relâchée. L'élément de détection MEMS est conçu pour minimiser ces sources d'erreur.

Comment les facteurs liés à la température, tels que le TCR et le TCS, influencent-ils le comportement des capteurs de pression ?

Il est possible d'utiliser le TCR, le coefficient de résistance thermique, en conjonction avec la détection de pression pour déterminer la température, car le TCR change considérablement avec la température. Le coefficient de température d'étendue/sensibilité, ou TCS, est important à prendre en compte, en particulier dans les applications pour de larges plages de températures de fonctionnement. Le TCS est négatif et lors de l'utilisation du capteur de pression piézorésistif MEMS, la sensibilité ou l'étendue diminue à mesure que la température augmente.

Pouvez-vous expliquer l'importance de la précision dans les capteurs de pression et comment y parvenir ?

La précision des capteurs de pression est souvent mesurée comme la bande d'erreur totale, qui inclut les erreurs liées à la température et à la pression. Atteindre la précision implique un étalonnage, et des capteurs entièrement compensés avec des ASIC intégrés simplifient ce processus et offrent une plus grande précision. La précision est vitale, en particulier dans les applications où des mesures précises sont essentielles.

Quel est l’impact du stress et d’autres influences externes sur les capteurs de pression ?

Nous sommes très fiers de comprendre et de caractériser les sources d'erreur que nos clients ne peuvent pas compenser : l'hystérésis thermique et la stabilité à long terme. La dernière chose que nos clients souhaitent, c'est une panne de pièce entre leurs mains, qui peut survenir en raison de problèmes de stabilité à long terme.

Il est important de garder à l’esprit que l’élément de détection MEMS est également un bon capteur de stress. Par exemple, un couple ou un moment de flexion sur l'élément MEMS modifiera la sortie du pont de Wheatstone. Des contraintes peuvent être induites pendant les processus d'emballage et d'assemblage, ce qui a un impact sur les performances du capteur. Au fil du temps, les tensions liées à l'emballage se réduiront et reviendront à l'équilibre. Cette réduction des contraintes se manifestera par une modification du décalage du capteur, c'est-à-dire une dérive du décalage et une stabilité à long terme. Une manipulation et un emballage soigneux sont essentiels pour maintenir la stabilité du capteur.

Pourriez-vous expliquer comment les puces MEMS conviennent à un large éventail d'applications, à la fois spécifiques et générales, et quels facteurs les clients doivent-ils prendre en compte lors de la sélection d'un capteur de pression ?

Les puces MEMS sont courantes dans les applications de transducteurs de pression ou de transmetteurs de pression où la puce MEMS se trouve sur un embase. Le collecteur est soudé dans un boîtier en acier inoxydable avec un diaphragme en acier inoxydable. L'acier inoxydable est un excellent choix car il est très médiatique et la plupart des gens connaissent généralement très bien les capacités de l'acier inoxydable. Ce package convient à de nombreuses applications industrielles.

Après avoir soudé le diaphragme en acier inoxydable et l'emballage ensemble, de l'huile est versée dans ce boîtier. Une huile de silicium propre entoure la puce MEMS, transmettant la pression entre le diaphragme en acier inoxydable et le diaphragme en silicium de l'élément MEMS.

Dans l'industrie CVC, la puce MEMS peut être achetée séparément ou emballée dans notre série LP et placée sur un tableau de commande. Ces tableaux de commande se trouvent dans les grands bâtiments, soit au sommet du bâtiment, près de la prise d'air, soit dans la buanderie du bâtiment, où se trouvent les échangeurs de chaleur et les systèmes de circulation d'air.

Une autre application courante concerne les transports. Les capteurs de pression sont largement utilisés dans divers types d’automobiles. Ce domaine continue de croître à mesure que la législation stimule la demande d’une plus grande efficacité et d’émissions plus propres.

Pour en savoir plus, regardez le webinaire complet ci-dessous :

Comprendre les capteurs de pression piézorésistifs MEMS : un examen attentif d'une puce en silicium à partir de Mérite Médical on Vimeo.

 

À propos de la personne interrogée

Scott a rejoint Merit Sensor en septembre 2003. Avant de rejoindre Merit Sensor, il a occupé divers postes d'ingénieur au sein de sociétés de semi-conducteurs, telles que ON Semiconductor et Motorola. Dans son rôle actuel, il travaille en étroite collaboration avec les clients pour fournir des solutions de détection de pression et un support technique.

Scott est titulaire d'un diplôme en génie chimique et d'un MBA de l'Université Brigham Young. Il parle espagnol et aime donner de son temps.