このインタビューでは、AZoSensors が Merit Sensor Systems のエンジニアリング マネージャーである Scott Sidwell に、MEMS ピエゾ抵抗圧力センサー、シリコン ダイ、およびこれらすべてがさまざまな業界でどのように利用されているかについて語ります。

圧力センサーとさまざまな業界におけるその重要性に関する背景情報を教えていただけますか?

圧力センサーは、さまざまな産業で重要な役割を果たす重要なコンポーネントです。 最近の調査で示されているように、圧力センサー市場は目覚ましい成長が見込まれており、24.5 年までに 2028 億ドル近くに達すると予想されています。

これらは、自動車、産業オートメーションやプロセス制御、ダイビングや電動自転車などの消費者向け製品、そして重要なことに、医療分野にも応用されています。

圧力センサーは、流体の力を面積で割った原理に基づいて動作します。 これを大局的に考えるために、注射器を考えてみましょう。同じ力を加えた場合、小さい注射器の方が大きい注射器よりも多くの圧力を生成できます。 圧力センサーを扱う場合、この概念を理解することが重要です。

大気圧はよく聞く言葉です。 それが何であるか、また圧力センサーとの関連性について説明していただけますか?

大気圧は本質的に私たちに押し付けられる空気の重さです。 飛行機や宇宙船で上昇すると、空気の密度が低くなり、分子や酸素が少なくなります。 必要な圧力センサーの種類が決まるため、アプリケーションで圧力を測定するときは大気圧を考慮することが重要です。

自動車産業以外に圧力センサーの恩恵を受けるアプリケーションは何ですか?また、圧力センサーはどのように使用されますか?

圧力センサーは、自動車分野での従来の用途をはるかに超えて、さまざまな業界にわたって用途が広がっています。 圧力センサーが重要な役割を果たす分野の XNUMX つはダイビング業界です。 この分野では、圧力センサーを使用してダイバーの水深を監視し、上昇時間と下降時間を正確に計算できるようにします。 過酷な水中環境では、ダイバーの安全を確保するために信頼性の高い圧力測定が必要です。

圧力センサーは消費者製品市場に進出しています。 たとえば、自転車の分野、特に電動自転車の新興カテゴリーでは、圧力センサーがさまざまなコンポーネントに統合されています。 これらのセンサーは、自転車のショック、タイヤ、その他の重要な部品に利用され、全体的なパフォーマンスとユーザー エクスペリエンスを向上させることができます。

ピエゾ抵抗圧力センサーの一般的な用途は何ですか?また、それらはどのように機能しますか?

ピエゾ抵抗圧力センサーは、多用途性とさまざまな用途での使用で知られる圧力センサーのサブタイプです。 ピエゾ抵抗センサーは、ドープされた半導体シリコン結晶を使用する原理に基づいて機能するため、他の技術よりも繰り返し圧力を測定できます。

典型的なアプリケーションを理解するには、ピエゾ抵抗圧力センサーが単一の分野に制限されていないことを強調する価値があります。 医療分野を含むさまざまな業界で使用されています。 外科医が動脈内でバルーンを膨張させる血管形成術などの医療処置では、圧力センサーが重要な役割を果たします。 これらの処置では、圧力センサーの出力は、外科医がバルーン内の膨張レベルを監視し、処置の全体的な状態を評価するのに役立ちます。

MEMS テクノロジーとは何か、また圧力センサーの観点からその利点を説明していただけますか?

MEMS は Micro-Electrical-Mechanical Systems の略で、MEMS にはさまざまな種類があります。 堆積、イオン注入、拡散のステップはすべて、MEMS 圧力センサーのフォトリソグラフィーやエッチングと同様に、半導体製造の基本です。 MEMS 圧力センサーは弾性シリコン ダイアフラムを備えているため、ヒステリシスやクリープが発生しません。

この弾性は、センサーの特性を変えることなく圧力サイクルを繰り返すことができるため、センサーに利益をもたらします。 物事が徐々に変化したり変化したりする傾向がある場合、それはほとんどの場合、パッケージング方法の結果であり、必ずしもシリコン チップ自体が原因であるとは限りません。 XNUMX 枚のウェハー上に数千の圧力センサーを搭載することも、コスト削減に大きく役立ちます。

Merit Sensor はユタ州にウェーハ工場を持っています。 ウェーハ工場を持つベンダーと協力することには多くの利点があります。 新製品の開発に関しては、自社のウェーハ製造工場を持つことは、サプライチェーンを管理できるため、大きな利点となります。 多くの場合、設計を社内で維持することが、製品の開発と発売を成功させる鍵であると考えられています。

MEMS圧力センサーについて基本的なことを教えていただけますか?

MEMS 圧力センサーの主要な設計特徴は、シリコン ダイアフラムに拡散されたホイートストン ブリッジです。 このブリッジからの出力の変化は、加えられる圧力の変化に対応します。 お客様がより高い圧力範囲を必要とする場合、センサーは増加した圧力に対応するためにより厚いダイヤフラムを必要とします。 逆に、水柱インチや低パスカルなどの低圧を測定する場合は、薄いダイヤフラムで十分です。

製造プロセスの後、シリコンはガラス片に接着されます。 ガラスには、さまざまな圧力用途に備えて通気口を作るための穴が開いている場合もありますが、穴なしで密閉することもできます。 後者の場合、ガラスとシリコンは真空中で接合されます。

ガラスに穴がない場合、シリコンとガラスの間の空間が絶対圧力ゼロを表すため、絶対センサーとして知られています。

MEMS ダイから作られたアブソリュート センサーには XNUMX つのタイプがあります。 従来のタイプには背面ガラスに穴がなく、絶対圧力の密閉された真空基準が作成されます。 ただし、この設計では、湿気や湿気による腐食やショートを防ぐために、上側の回路を保護する必要があります。

あるいは、背面圧力を備えた絶対センサーもあります。 この設計では、ガラス片がシリコンの上部に追加され、上部に密閉された真空基準が作成され、MEMS 要素に対する裏面の圧力が可能になります。 このタイプは、自動車用途や高温用途、液体によく使用されます。

オフセット圧力や、圧力の非直線性やヒステリシスなどのその他の要因について詳しく教えていただけますか?

オフセット圧力は、室温でのゼロ圧力測定値です。 圧力の非線形性は、センサーの出力がゼロ圧力からフルスケール圧力までどの程度線形であるか非線形であるかを測定し、ヒステリシスは、圧力が加えられてから解放されたときの初期ゼロと戻りゼロの差を反映します。 MEMS センシング要素は、これらの誤差の原因を最小限に抑えるように設計されています。

TCR や TCS などの温度関連要因は、圧力センサーの動作にどのような影響を与えますか?

TCR (抵抗温度係数) は温度によって大幅に変化するため、温度を測定するために圧力検出と組み合わせて使用​​することが可能です。 スパン/感度の温度係数 (TCS) は、特に広い動作温度範囲のアプリケーションでは考慮することが重要です。 TCS は負であり、MEMS ピエゾ抵抗圧力センサーを使用する場合、温度が上昇するにつれて感度またはスパンが低下します。

圧力センサーの精度の重要性とそれをどのように達成できるかを説明していただけますか?

圧力センサーの精度は、温度と圧力に関連する誤差を含む合計誤差帯域として測定されることがよくあります。 精度を達成するにはキャリブレーションが必要ですが、オンボード ASIC を備えた完全に補償されたセンサーにより、このプロセスが簡素化され、より高い精度が得られます。 特に正確な測定が重要なアプリケーションでは、精度が非常に重要です。

ストレスやその他の外部影響は圧力センサーにどのような影響を与えますか?

当社は、お客様が補償できない誤差の原因である熱ヒステリシスと長期安定性を理解し、特徴付けることに大きな誇りを持っています。 当社のお客様が望んでいないのは、長期的な安定性の問題により発生する可能性のある部品の故障です。

MEMS センシング素子は優れた応力センサーでもあるということを覚えておくことが重要です。 たとえば、MEMS 要素のトルクまたは曲げモーメントによって、ホイートストン ブリッジの出力が変化します。 パッケージングおよび組み立てプロセス中に応力が誘発され、センサーの性能に影響を与える可能性があります。 時間の経過とともに、パッケージ関連のストレスは自然に軽減され、平衡状態に戻ります。 この応力緩和は、センサーのオフセットの変化、つまりオフセット ドリフトと長期安定性として現れます。 センサーの安定性を維持するには、慎重な取り扱いと梱包が不可欠です。

MEMS ダイが特定および一般的な幅広いアプリケーションにどのように適しているか、また圧力センサーを選択する際に顧客が考慮すべき要素は何かについて説明していただけますか?

MEMS ダイは、MEMS ダイがヘッダー上にある圧力トランスデューサまたは圧力トランスミッタのアプリケーションで一般的です。 ヘッダーは、ステンレス鋼のダイヤフラムを備えたステンレス鋼のハウジングに溶接されます。 ステンレス鋼はメディアに非常に適しており、ほとんどの人がステンレス鋼の機能に精通しているため、優れた選択肢です。 このパッケージは多くの産業用途に適しています。

ステンレス鋼のダイヤフラムとパッケージを溶接した後、このハウジングにオイルを充填します。 きれいなシリコン オイルが MEMS ダイを囲み、ステンレス鋼のダイアフラムと MEMS 要素のシリコン ダイアフラムの間に圧力を伝達します。

HVAC 業界では、MEMS ダイを個別に購入することも、LP シリーズにパッケージ化して制御基板に配置することもできます。 これらの制御盤は、大きな建物の吸気口付近の建物上部、または熱交換器や空気流システムが設置されている建物のユーティリティ ルームに設置されています。

もう XNUMX つの一般的な用途は輸送です。 圧力センサーはさまざまな種類の自動車に広く使用されています。 法律により、より高い効率とよりクリーンな排出ガスに対する需要が高まるにつれて、この分野は成長し続けています。

詳細については、以下のウェビナー全文をご覧ください。

MEMS ピエゾ抵抗圧力センサーを理解する: シリコン ダイを詳しく見る から メリットメディカル on Vimeoの.

 

インタビュー対象者について

スコットは2003年XNUMX月にメリットセンサーに入社しました。メリットセンサーに入社する前は、ONSemiconductorやMotorolaなどの半導体企業でさまざまなエンジニアリングの役割を果たしていました。 現在の職務では、顧客と緊密に連携して、圧力検知ソリューションと技術サポートを提供しています。

スコットはブリガム ヤング大学で化学工学の学位と MBA を取得しました。 彼はスペイン語を話し、ボランティア活動を楽しんでいます。