Sensor Tekanan MEMS: Panduan Komprehensif untuk Teknologi, Aplikasi dan Pemilihan

Pengenalan kepada Sensatau Tekanan MEMS

1.1 Apakah itu Sensatau Tekanan MEMS ?

Definisi dan Prinsip Asas

Sensatau Tekanan MEMS ialah peranti mikro-fabrikasi yang direka untuk mengukur tekanan bendalir (cecair atau gas). MEMS bermaksud Sistem Mikro-Elektro-Mekanikal , merujuk kepada teknologi peranti kecil yang dibina menggunakan teknik fabrikasi mikro, sama seperti yang digunakan dalam pembuatan litar bersepadu (sayaC).

Prinsip asas melibatkan a diafragma (membran nipis, mikro-mesin, selalunya diperbuat daripada silikon) yang melencong apabila tertakluk kepada perbezaan tekanan. Pesongan ini kemudiannya ditukar kepada isyarat elektrik menggunakan pelbagai prinsip penderiaan, yang paling biasa:

• Piezoresistif: Perubahan dalam elektrik rintangan kepadalok terikan yang tersebar atau ditanam pada diafragma.
• Kapasitif: Perubahan dalam kemuatan antara diafragma terpesong dan elektrod rujukan tetap.

Kelebihan berbdaning Penderia Tekanan Tradisional

Penderia tekanan MEMS menawarkan kelebihan yang ketara berbdaning dengan penderia tekanan tradisional yang lebih besar (cth., yang menggunakan tolok terikan foil atau diafragma skala makro):

• Pengecilan dan Saiz: sayaa sangat kecil, selalunya bersaiz kurang daripada satu milimeter, membolehkan penyepaduan ke dalam peranti padat dan ruang yang sempit.
• Pengeluaran Besar-besaran dan Kos Rendah: Dibuat menggunakan teknik pemprosesan kelompok semikonduktor (fotolitografi, etsa, dll.), yang membolehkan volum tinggi, kos rendah pembuatan.
• Kepekaan dan Ketepatan Tinggi: Struktur yang kecil dan sangat terkawal membolehkan resolusi yang sangat baik dan ukuran yang tepat.
• Penggunaan Kuasa Rendah: Saiznya yang kecil dan jisim yang dikurangkan biasanya membawa kepada keperluan kuasa yang lebih rendah, sesuai untuk peranti berkuasa bateri dan mudah alih.
• Potensi Integrasi Tinggi: Boleh disepadukan dengan mudah dengan litar pada cip (ASIC) untuk penyaman isyarat, pampasan suhu dan output digital, mewujudkan Sistem dalam Pakej (SiP) yang lengkap.

1.2 Perkembangan Sejarah Penderia Tekanan MEMS

Pencapaian Utama dan Inovasi

Sejarah penderia tekanan MEMS berkait rapat dengan pembangunan pembuatan semikonduktor dan teknik pemesinan mikro.

Tempoh Masa	Pencapaian Utama dan Inovasi	Penerangan
1954	Penemuan Kesan Piezoresistif dalam Silikon	Penemuan C.S. Smith bahawa rintangan elektrik silikon dan germanium berubah dengan ketara di bawah tekanan mekanikal (Kesan Piezoresistive) menjadi asas bagi penderia tekanan berasaskan silikon generasi pertama.
1960-an	Sensor Tekanan Silikon Pertama	Penderia tekanan silikon awal telah ditunjukkan, memanfaatkan kesan piezoresistif yang ditemui. Ini adalah besar, terutamanya menggunakan pemesinan mikro pukal .
1980-an	Pengkomersilan dan Pemesinan Mikro	Kemunculan bentuk awal pemesinan mikro permukaan dan penderia tekanan silikon bervolume tinggi komersial pertama (cth., transduser tekanan darah pakai buang untuk kegunaan perubatan, dan penderia tekanan mutlak manifold (MAP) untuk kawalan enjin). Istilah MEMS (Sistem Mikro-Elektro-Mekanikal) juga diperkenalkan secara rasmi pada dekad ini.
1990-an	Pengeluaran dan Integrasi secara besar-besaran	Kemajuan dalam fabrikasi, seperti Goresan Ion Reaktif Dalam (DRIE) (cth., proses Bosch, dipatenkan pada tahun 1994), membenarkan penciptaan struktur 3D kompleks nisbah aspek tinggi. Ini membawa kepada pengeluaran besar-besaran penderia kos rendah dan teguh untuk automotif (seperti dalam sistem beg udara dan pengurusan enjin awal) dan elektronik pengguna.
2000an-Sekarang	Pengecilan dan Ledakan Pengguna	Fokus beralih kepada penderia yang sangat kecil (mis., penderia barometrik) dengan ASIC bersepadu untuk pemprosesan isyarat dan pampasan suhu, membolehkan penggunaan meluasnya dalam telefon pintar, boleh pakai dan Internet Perkara (IoT) . Penderiaan kapasitif dan resonan semakin menonjol di samping teknologi piezoresistif untuk kestabilan yang lebih baik dan kuasa yang lebih rendah.

Kesan kepada Pelbagai Industri

Peralihan daripada penderia tradisional berskala besar kepada penderia tekanan MEMS yang kecil dan boleh dihasilkan secara besar-besaran telah memberi kesan transformatif merentas pelbagai sektor:

• Automotif: Sensor MEMS adalah kritikal dalam pembangunan kawalan enjin elektronik moden (Unit Kawalan Enjin, ECU ) dan sistem keselamatan. Mereka membolehkan penggunaan mandatori Sistem Pemantauan Tekanan Tayar (TPMS) disebabkan kos rendah dan saiznya yang kecil, meningkatkan keselamatan kenderaan dan kecekapan bahan api dengan ketara.
• Perubatan: Pengecilan dibenarkan untuk penciptaan penderia tekanan darah pakai buang untuk pemantauan invasif (kateter), meningkatkan sanitasi secara drastik dan mengurangkan pencemaran silang di hospital. Ia juga penting dalam ventilator mudah alih, pam infusi, dan peranti pemantauan kesihatan berterusan.
• Elektronik Pengguna: Sensor tekanan barometrik MEMS membuat ciri seperti navigasi dalaman (menentukan aras lantai dalam bangunan) dan pengukuran ketinggian yang tepat dalam dron dan penjejak kecergasan mungkin. Ini telah menjadi pemacu utama dalam pertumbuhan pasaran peranti mudah alih dan boleh pakai.
• Perindustrian/IoT: Penggunaan kuasa yang rendah dan faktor bentuk yang kecil adalah pemboleh utama untuk Internet Perkara Industri (IIoT) , membenarkan penggunaan nod penderia tekanan tanpa wayar dalam automasi kilang, kawalan proses dan sistem pemantauan alam sekitar. Ini memacu kecekapan dan penyelenggaraan ramalan.

MCP-J10, J11, J12 Sensor tekanan mutlak

Teknologi dan Prinsip Kerja

2.1 Fizik Asas

Penderia tekanan MEMS menukarkan pesongan mekanikal diafragma kepada isyarat elektrik yang boleh diukur menggunakan prinsip fizikal yang berbeza.

Kesan Piezoresistif

• Prinsip: The kesan piezoresistif menyatakan bahawa kerintangan elektrik bahan semikonduktor (seperti silikon) berubah apabila tegasan mekanikal ( $\sigma$ ) digunakan.
• Mekanisme: Dalam penderia piezoresistif, perintang (selalunya diperbuat daripada silikon terdop atau silikon polihablur) disebarkan atau diimplan pada permukaan diafragma silikon. Apabila tekanan menyebabkan diafragma terpesong, perintang ini tegang ( $ϵ$ ), membawa kepada perubahan dalam rintangan mereka  ( $\Delta R$ ).
• Keluaran: Biasanya, empat perintang disusun dalam a Jambatan Wheatstone konfigurasi untuk memaksimumkan kepekaan dan memberikan pampasan suhu, menghasilkan output voltan berkadar dengan tekanan yang dikenakan.

Penderiaan Kapasitif

• Prinsip: Penderia kapasitif mengukur tekanan berdasarkan perubahan dalam elektrik kemuatan ( $C$ ).
• Mekanisme: Penderia terdiri daripada dua elektrod selari: diafragma pengesan tekanan dan elektrod belakang tetap. Apabila tekanan dikenakan, diafragma membelok, mengubah jarak ( $d$ ) antara dua elektrod. Oleh kerana kapasitansi adalah berkadar songsang dengan jarak ( $C\propto 1/d$ ), tekanan yang dikenakan diukur dengan perubahan dalam $C$ .
• Kelebihan: Umumnya menawarkan kestabilan yang lebih tinggi , penggunaan kuasa yang lebih rendah , dan sensitiviti suhu yang lebih rendah berbanding jenis piezoresistif, tetapi memerlukan litar bacaan yang lebih kompleks.

Penderiaan Resonans

• Prinsip: Penderia resonans mengukur tekanan berdasarkan perubahan dalam frekuensi resonans semula jadi ( $f_0$ ) struktur mikro-mekanikal (cth., rasuk atau diafragma).
• Mekanisme: Resonator mikro-mekanikal didorong untuk berayun. Apabila tekanan dikenakan, tegasan/terikan dalam struktur berubah, yang seterusnya mengubah kekakuan dan taburan jisimnya. Peralihan sifat mekanikal ini menyebabkan perubahan dalam frekuensi resonans, $f_0$ .
• Kelebihan: Sangat tinggi resolusi and kestabilan jangka panjang , kerana kekerapan ialah parameter pengukuran yang sememangnya digital dan teguh.

2.2 Proses Fabrikasi

Sensor tekanan MEMS dihasilkan menggunakan pengkhususan tinggi pemesinan mikro teknik yang diadaptasi daripada industri semikonduktor.

Teknik Pemesinan Mikro (Pukal lwn Permukaan)

• Pemesinan Mikro Pukal:
  • Proses: Melibatkan pengelasan secara terpilih sebahagian besar wafer silikon untuk mencipta struktur 3D seperti diafragma penderia tekanan dan ruang rujukan.
  • Kaedah: Menggunakan etsa basah anisotropik (seperti $\text{KOH}$ or $\text{TMAH}$ ) atau teknik goresan kering seperti Deep Reactive Ion Etching (DRIE).
  • Keputusan: Ketebalan diafragma selalunya ditentukan oleh kedalaman yang terukir ke dalam substrat.
• Pemesinan Mikro Permukaan:
  • Proses: Melibatkan mendapan dan mencorak filem nipis (polisilikon, silikon nitrida, dsb.) pada permukaan wafer untuk mencipta struktur mekanikal. Lapisan korban didepositkan dan kemudian dikeluarkan secara selektif (terukir) untuk membebaskan struktur mekanikal (cth., plat alih dalam sensor kapasitif).
  • Keputusan: Struktur biasanya lebih nipis, lebih kecil dan direka dengan ketumpatan penyepaduan yang lebih besar, selalunya digunakan untuk pecutan meter tetapi juga untuk beberapa penderia tekanan kapasitif.

Bahan yang Digunakan (Silikon, Silikon pada Penebat)

• silikon ( $\text{Si}$ ): Bahan utama. Ia mempunyai sifat mekanikal yang sangat baik (kekuatan tinggi, histerisis mekanikal rendah, serupa dengan keluli), merupakan semikonduktor yang baik (membolehkan doping piezoresistif), dan proses fabrikasinya sangat matang dan menjimatkan kos.
• Silikon-pada-Penebat ( $\text{SOI}$ ): Struktur wafer komposit yang terdiri daripada lapisan nipis silikon (lapisan peranti) di atas lapisan penebat (Buried Oxide, $\text{KOTAK}$ ) pada substrat silikon pukal.
  • Kelebihan: Menawarkan prestasi unggul untuk persekitaran yang keras (suhu tinggi, sinaran) dan membolehkan kawalan tepat ke atas ketebalan diafragma dan pengasingan elektrik, yang penting untuk penderia berprestasi tinggi.

2.3 Jenis Penderia Tekanan MEMS

Penderia tekanan dikelaskan berdasarkan jenis tekanan yang mereka ukur relatif kepada titik rujukan.

• Penderia Tekanan Mutlak:
  • Rujukan: Ukur tekanan berbanding a vakum yang sempurna (0 $\text{Pa}$ mutlak) dimeterai di dalam rongga rujukan sensor.
  • Kes Penggunaan: Pengukuran ketinggian, tekanan barometrik di stesen cuaca dan telefon.
• Penderia Tekanan Tolok:
  • Rujukan: Ukur tekanan berbanding dengan tekanan atmosfera persekitaran di luar sensor.
  • Kes Penggunaan: Tekanan tayar, sistem hidraulik, paras tangki industri. (Pada tekanan atmosfera standard, output adalah sifar.)
• Penderia Tekanan Berbeza:
  • Rujukan: Ukur perbezaan dalam tekanan antara dua port atau titik yang berbeza.
  • Kes Penggunaan: Mengukur kadar aliran (dengan mengukur penurunan tekanan merentasi sekatan), pemantauan penapis HVAC.
• Penderia Tekanan Tertutup:
  • Rujukan: Subset daripada Tolok penderia di mana rongga rujukan dimeterai pada tekanan tertentu (biasanya tekanan atmosfera standard pada paras laut), menjadikannya tidak sensitif kepada variasi dalam tekanan atmosfera tempatan.
  • Kes Penggunaan: Di mana output perlu menjadi tekanan rujukan yang berterusan tanpa mengira perubahan cuaca atau ketinggian.

Parameter Prestasi Utama

3.1 Kepekaan dan Ketepatan

Mentakrifkan Sensitiviti dan Kepentingannya

• Sensitiviti ialah ukuran perubahan isyarat keluaran sensor ( $\Delta \text{Keluaran}$ ) per unit perubahan tekanan ( $\Delta \text{P}$ ). Ia biasanya dinyatakan dalam unit seperti mV/V/psi (milivolt per volt pengujaan setiap paun-daya per inci persegi) atau mV/Pa.
  • Formula: $\text{Sensitiviti}=\frac{\Delta \text{Keluaran}}{\Delta \text{P}}$
• Kepentingan: Kepekaan yang lebih tinggi bermaksud a isyarat elektrik yang lebih besar untuk perubahan tekanan tertentu, menjadikan isyarat lebih mudah untuk diukur, keadaan dan diselesaikan, terutamanya untuk aplikasi tekanan rendah.

Faktor yang Mempengaruhi Ketepatan

Ketepatan mentakrifkan sejauh mana output terukur sensor sepadan dengan nilai sebenar tekanan. Ia selalunya merupakan gabungan beberapa sumber ralat:

• Bukan lineariti (NL): Sisihan keluk keluaran sebenar daripada tindak balas garis lurus yang ideal.
• Histeresis: Perbezaan dalam output apabila titik tekanan yang sama didekati dengan meningkatkan tekanan berbanding tekanan menurun.
• Ralat Offset/Titik Sifar: Isyarat keluaran apabila tekanan sifar digunakan.
• Kesan Suhu: Perubahan dalam output disebabkan oleh variasi dalam suhu ambien (ditujukan dalam 3.3).

Teknik Penentukuran

Untuk memastikan ketepatan yang tinggi, penderia menjalani penentukuran:

• pemangkasan: Melaraskan perintang pada cip (untuk piezoresistif) atau melaksanakan jadual carian digital (untuk penderia pintar) untuk meminimumkan variasi mengimbangi dan sensitiviti awal.
• Pampasan Suhu: Mengukur tindak balas sensor merentas julat suhu dan menggunakan algoritma pembetulan (selalunya secara digital dalam ASIC bersepadu) untuk membetulkan ralat yang disebabkan oleh suhu.

3.2 Julat Tekanan dan Tekanan Terlebih

Memilih Julat Tekanan Yang Sesuai

• The Julat Tekanan ialah jalur tekanan yang ditentukan (mis., $0$ hingga $100 psi) di mana penderia direka bentuk untuk beroperasi dan memenuhi spesifikasi prestasinya.
• Pilihan: Julat sensor yang ideal sepatutnya sepadan dengan tekanan operasi maksimum yang dijangkakan aplikasi, ditambah margin keselamatan, untuk memastikan resolusi tertinggi dan ketepatan terbaik (kerana ketepatan sering dinyatakan sebagai peratusan Output Skala Penuh, FSO ).

Memahami Had Tekanan Terlebih

• Tekanan Operasi Maksimum: Tekanan tertinggi penderia boleh dikenakan secara berterusan tanpa menyebabkan anjakan kekal dalam spesifikasi prestasi.
• Had Tekanan Terlebih (atau Tekanan Pecah): Tekanan maksimum yang tidak dapat ditahan oleh sensor kerosakan fizikal atau kegagalan bencana (cth., pecah diafragma).
  • Memilih penderia dengan penarafan tekanan lampau yang tinggi adalah penting untuk aplikasi yang lonjakan tekanan atau lonjakan mendadak adalah perkara biasa, untuk mengelakkan kegagalan sistem.

3.3 Kesan Suhu

Sensitiviti dan Pampasan Suhu

• Kepekaan Suhu: Semua sensor MEMS berasaskan silikon sememangnya sensitif terhadap variasi suhu. Ini menyebabkan dua kesan utama:
  • Pekali Suhu Offset (TCO): Keluaran tekanan sifar berubah mengikut suhu.
  • Pekali Span Suhu (TCS): Kepekaan sensor berubah mengikut suhu.
• Pampasan: Penderia MEMS pintar moden menggunakan bersepadu ASIC (Litar Bersepadu Khusus Aplikasi) untuk mengukur suhu cip dan menggunakan algoritma pembetulan (pampasan) secara digital pada data tekanan mentah, sebahagian besarnya menghapuskan ralat ini merentasi julat suhu operasi.

Julat Suhu Operasi

• Ini ialah julat suhu ambien  (mis., $-40^{\circ }\text{C}$ to $125^{\circ }\text{C}$ ) di mana penderia dijamin memenuhi semua spesifikasi prestasi yang diterbitkan, termasuk ketepatan pampasan.

3.4 Kestabilan dan Kebolehpercayaan Jangka Panjang

Pertimbangan Drift dan Histeresis

• Drift (Hanyutan titik sifar): Perubahan dalam output tekanan sifar sensor dalam tempoh masa yang panjang (cth., bulan atau tahun), walaupun disimpan dalam keadaan malar. Ini menjejaskan ketepatan jangka panjang dan mungkin memerlukan penentukuran semula.
• Histeresis (Histeresis Tekanan): Perbezaan keluaran pada titik tekanan tertentu apabila mencapainya melalui peningkatan tekanan berbanding penurunan tekanan. Histeresis tinggi menunjukkan tingkah laku keanjalan yang lemah bagi bahan diafragma atau tegasan bungkusan.

Faktor-faktor yang Mempengaruhi Kebolehpercayaan Jangka Panjang

• Tekanan Pembungkusan: Tekanan mekanikal yang disebabkan oleh bahan pembungkus sensor (cth., epoksi, plastik) atau proses pelekap boleh berubah dari semasa ke semasa disebabkan oleh kitaran haba atau kelembapan, yang membawa kepada hanyut.
• Keserasian Media: Bahan penderia mestilah serasi dengan bendalir yang diukurnya ("media"). Pendedahan kepada media yang menghakis atau sarat lembapan tanpa perlindungan yang mencukupi (cth., salutan gel atau penghalang logam) akan merendahkan prestasi sensor dengan cepat.
• Keletihan Bahan: Kitaran tegasan berulang daripada perubahan tekanan boleh menyebabkan keletihan bahan, akhirnya menjejaskan sifat mekanikal dan kestabilan sensor.

Aplikasi Penderia Tekanan MEMS

4.1 Industri Automotif

Penderia tekanan MEMS ialah komponen penting dalam kenderaan moden, menyokong kedua-dua sistem prestasi dan keselamatan.

• Sistem Pemantauan Tekanan Tayar (TPMS): Penderia tekanan yang tertanam dalam setiap batang injap tayar memantau tekanan tayar secara wayarles. Ini penting untuk keselamatan (mencegah letupan) dan kecekapan (mengoptimumkan penjimatan bahan api).
• Penderia Tekanan Mutlak Manifold (MAP): Ini mengukur tekanan mutlak dalam manifold masuk enjin. Data dihantar ke Unit Kawalan Enjin ( ECU ) untuk mengira ketumpatan udara yang memasuki enjin, membolehkan pemeteran tepat bagi suntikan bahan api dan pemasaan pencucuhan.
• Pemantauan Tekanan Brek: Digunakan dalam sistem brek hidraulik, terutamanya yang mempunyai Kawalan Kestabilan Elektronik ( ESC ) dan Sistem Brek Antikunci ( ABS ), untuk memantau dan mengawal tekanan hidraulik yang dikenakan pada talian brek dengan tepat.
• Edaran Semula Gas Ekzos (EGR) dan Penapis Zarah (DPF/GPF): Penderia tekanan berbeza mengukur penurunan tekanan merentasi penapis dan injap untuk memantau sistem kawalan pelepasan, memastikan pematuhan dengan peraturan alam sekitar.

4.2 Peranti Perubatan

Pengecilan dan kebolehpercayaan adalah terpenting dalam aplikasi perubatan, di mana sensor MEMS menyumbang kepada keselamatan dan diagnosis pesakit.

• Pemantauan Tekanan Darah:
  • Invasif: Penderia hujung kateter (selalunya piezoresistif) digunakan dalam rawatan rapi atau pembedahan untuk mengukur tekanan darah terus dalam arteri, memberikan data masa nyata yang sangat tepat.
  • Bukan Invasif: Komponen penting dalam manset tekanan darah elektronik standard dan peranti pemantauan boleh pakai berterusan.
• Pam infusi: Penderia tekanan memantau tekanan saluran bendalir untuk memastikan penghantaran ubat yang tepat, mengesan kemungkinan tersumbat, atau mengesahkan talian dibuka.
• Peranti Pernafasan (cth., Ventilator, mesin CPAP): Penderia tekanan pembezaan yang sangat sensitif digunakan untuk mengukur aliran udara, mengawal tekanan dan isipadu udara yang dihantar ke paru-paru pesakit, dan memantau kitaran penyedutan/hembusan nafas.

4.3 Automasi Perindustrian

Dalam tetapan industri, penderia MEMS menggantikan penderia tradisional yang lebih besar untuk meningkatkan ketepatan, mengurangkan kos penyelenggaraan dan membolehkan pemantauan jauh.

• Kawalan Proses: Digunakan dalam saluran paip, reaktor dan tangki simpanan untuk mengekalkan tahap tekanan malar, yang penting untuk proses pembuatan kimia, minyak dan gas serta farmaseutikal.
• Pemancar Tekanan: Elemen penderiaan MEMS disepadukan ke dalam pemancar lasak yang menyediakan isyarat keluaran digital atau analog piawai untuk pemantauan jauh dan penyepaduan ke dalam Sistem Kawalan Teragih ( DCS ).
• Sistem HVAC (Pemanasan, Pengudaraan dan Penyaman Udara): Penderia tekanan berbeza memantau penurunan tekanan merentasi penapis udara untuk menentukan bila ia memerlukan penggantian (meningkatkan kecekapan tenaga) dan mengukur halaju aliran udara untuk kawalan iklim yang tepat.

4.4 Elektronik Pengguna

Penderia MEMS membolehkan banyak ciri pintar pengguna bergantung pada peranti mudah alih.

• Penderia Tekanan Barometrik dalam Telefon Pintar: Ukur tekanan atmosfera untuk menyediakan:
  • Penjejakan Ketinggian: Untuk apl kecergasan dan luaran.
  • Navigasi Dalaman (Z-Axis): Membenarkan peta menentukan aras lantai pengguna dalam bangunan berbilang tingkat.
  • Ramalan Cuaca: Digunakan untuk meramalkan perubahan cuaca setempat.
• Peranti Boleh Pakai: Digunakan dalam jam tangan pintar dan penjejak kecergasan untuk sangat tepat kenaikan ketinggian menjejak semasa aktiviti seperti mendaki atau memanjat tangga.
• Drone: Penderia barometrik menyediakan sangat tepat pegangan ketinggian fungsi, yang penting untuk penerbangan dan navigasi yang stabil.

Memilih Sensor Tekanan MEMS yang Betul

5.1 Keperluan Permohonan

Langkah pertama ialah definisi menyeluruh tentang persekitaran operasi dan keperluan pengukuran.

Mengenalpasti Keperluan Khusus

• Jenis Tekanan: Tentukan jenis ukuran yang diperlukan: mutlak (berbanding dengan vakum), Tolok (berbanding dengan udara ambien), atau Berbeza (perbezaan antara dua mata).
• Julat Tekanan: Takrifkan minimum and maksimum tekanan operasi yang dijangkakan. Julat skala penuh penderia harus dengan selesa mendakap nilai ini, termasuk potensi pancang sementara (→ lihat Tekanan Terlebih).
• Ketepatan and Resolution: Nyatakan ketepatan yang diperlukan (cth., $\pm 0.5\%\text{FSO}$ ) dan perubahan tekanan terkecil yang mesti dikesan dengan pasti ( resolusi ). Ketepatan yang lebih tinggi selalunya bermakna kos yang lebih tinggi dan saiz pakej yang lebih besar.
• Keserasian Media: Kenal pasti bahan (gas, cecair atau bahan kimia menghakis) yang tekanannya sedang diukur. Bahan basah sensor mesti serasi secara kimia dengan media untuk mengelakkan kakisan dan kegagalan.

Keadaan Persekitaran

• Julat Suhu Operasi: Penderia mesti berprestasi dengan pasti merentasi suhu ambien dan suhu media yang dijangkakan. Ini penting untuk memilih sensor dengan pampasan suhu yang betul.
• Kelembapan dan Bahan cemar: Tentukan sama ada penderia terdedah kepada kelembapan, habuk atau bahan cemar lain. Ini menentukan yang diperlukan Peringkat Perlindungan Ingress (IP). dan sama ada pakej yang dilindungi/dimeterai diperlukan.

5.2 Spesifikasi Sensor

Setelah keperluan aplikasi diketahui, helaian data pengeluar mesti diteliti.

Menilai Parameter Utama

• Sensitiviti and Linearity: Pastikan sensitiviti mencukupi untuk resolusi yang diperlukan. Semak kelinearan untuk menjamin pengukuran yang tepat merentas keseluruhan julat tekanan.
• Jumlah Jalur Ralat (TEB): Ini adalah satu-satunya parameter yang paling penting, kerana ia mentakrifkan ketepatan kes terburuk ke atas keseluruhan julat suhu pampasan dan termasuk kelinearan, histerisis dan ralat haba. Ia memberikan gambaran prestasi yang realistik.
• Tekanan Bukti/Tekanan Pecah: Sahkan bahawa had tekanan lampau sensor selamat melebihi tekanan maksimum yang dijangkakan, termasuk sebarang potensi kejutan hidraulik atau pancang tekanan.

Pertimbangan Penggunaan Kuasa

• Untuk berkuasa bateri, mudah alih atau IoT peranti, penggunaan kuasa yang rendah ( $\mu \text{A}$ peringkat) adalah penting. Penderia kapasitif atau penderia pintar dengan mod pengurangan kuasa lanjutan selalunya diutamakan berbanding jenis piezoresistif kuasa berterusan.
• Pilihan antara output analog dan digital (mis., ${\text{I}}^2\text{C}$ , $\text{SPI}$ ) juga mempengaruhi penggunaan kuasa dan kemudahan penyepaduan sistem.

5.3 Pembungkusan dan Pemasangan

Pakej sensor adalah penting untuk melindungi die MEMS dan antara muka dengan aplikasi.

Pilihan Pembungkusan yang Tersedia

• Peranti Pelekap Permukaan (SMD/LGA/QFN): Pakej kecil dan kos rendah untuk pematerian terus ke a PCB , biasa dalam peranti pengguna dan perubatan (cth., penderia barometrik).
• Pakej Ported/Berduri: Bungkusan plastik atau seramik dengan port tekanan (duri atau benang) untuk menyambung tiub, biasa dalam aplikasi tekanan dan aliran rendah.
• Perumahan Modul/Pemancar: Perumah teguh, selalunya logam, dengan port berulir dan penyambung untuk persekitaran industri yang keras, selalunya mengandungi pengasingan media (cth., rongga berisi minyak).

Pertimbangan Pemasangan untuk Prestasi Optimum

• Meminimumkan Tekanan Mekanikal: Pakej sensor sensitif kepada tekanan luaran. Apabila dipasang pada a PCB (terutama dengan skru), pastikan tork yang berlebihan atau tegasan tidak sekata dielakkan, kerana ini boleh menyebabkan peralihan dalam titik sifar ( offset ).
• Venting: Penderia tekanan tolok memerlukan lubang bolong untuk udara ambien. Bolong ini mesti dilindungi daripada cecair dan bahan cemar, selalunya memerlukan reka bentuk pakej khusus atau membran pelindung (cth., salutan gel).
• Pengurusan Terma: Letakkan penderia dari sumber haba ( CPU , komponen kuasa) untuk meminimumkan kecerunan suhu yang boleh melebihi julat suhu pampasan.

5.4 Pertimbangan Kos

Kos sentiasa menjadi faktor, tetapi harga unit terendah jarang merupakan penyelesaian jangka panjang yang terbaik.

Mengimbangi Prestasi dan Kos

• Ketepatan yang lebih tinggi, pampasan suhu yang lebih luas dan pengasingan media semuanya menambah kos unit. Elakkan terlalu menentukan; hanya pilih tahap prestasi yang benar-benar diperlukan oleh aplikasi.
• Tanpa Pampasan lwn. Pampasan: Die sensor yang mentah dan tidak diberi pampasan adalah lebih murah tetapi memerlukan pengguna untuk membangunkan dan melaksanakan algoritma penentukuran dan pampasan suhu yang kompleks, mahal dalam sistem mereka sendiri, meningkatkan masa pembangunan. Sensor pampasan yang ditentukur kilang ( sensor pintar ) mempunyai kos seunit yang lebih tinggi tetapi mengurangkan kos penyepaduan peringkat sistem dengan ketara.

Kos Pemilikan Jangka Panjang

• Pertimbangkan jumlah kos, termasuk masa penentukuran, tuntutan jaminan yang berpotensi disebabkan oleh hanyut atau kegagalan dalam persekitaran yang teruk, dan kos menggantikan atau menentukur semula unit yang gagal. Sensor yang lebih teguh, berharga lebih tinggi yang menawarkan kestabilan dan kebolehpercayaan jangka panjang yang lebih baik selalunya menghasilkan jumlah kos pemilikan yang lebih rendah.

Inovasi Terkini dan Trend Masa Depan

6.1 Bahan Termaju dan Teknik Fabrikasi

Inovasi tertumpu pada meningkatkan daya tahan sensor, kestabilan dan kepekaan.

Penggunaan Bahan Baharu (cth., Silicon Carbide ( $\text{SiC}$ ), Grafena, $\text{SOI}$ )

• Silicon Carbide ( $\text{SiC}$ ): Sedang diterokai untuk aplikasi persekitaran yang keras (cth., penggerudian lubang bawah, turbin gas, petak enjin) kerana keupayaannya untuk beroperasi dengan pasti pada suhu yang sangat tinggi (melebihi $300^{\circ }\text{C}$ ) di mana penderia silikon konvensional akan gagal.
• Silikon-pada-Penebat ( $\text{SOI}$ ): Semakin diterima pakai untuk aplikasi kritikal keselamatan berprestasi tinggi dan automotif (cth., ADAS, pemantauan talian brek) kerana ia menawarkan pengasingan elektrik yang lebih baik dan kestabilan terma pada julat suhu yang luas (sehingga $150^{\circ }\text{C}$ ).
• Grafena: Penyelidikan sedang dijalankan untuk memanfaatkan kekuatan mekanikal yang unggul dan sifat elektronik graphene untuk mencipta penderia kuasa ultra-rendah yang sangat sensitif dan sangat nipis.

Proses Pemesinan Mikro Lanjutan

• Melalui-Silikon Melalui ( $\text{TSV}$ ): Mendayakan tindanan 3D dadu MEMS dan ASIC, dengan ketara mengurangkan jejak pakej ( Z-tinggi ) dan meningkatkan Gangguan Elektromagnet ( EMI ) imuniti.
• Reka Bentuk Beam-Membrane-Pulau: Struktur diafragma baharu untuk penderia tekanan perbezaan minit ( Z-tinggi ), menawarkan sensitiviti yang sangat tinggi untuk ventilator perubatan dan meter aliran industri.

6.2 Penyepaduan dengan Teknologi IoT dan Wayarles

Penumpuan penderia MEMS dengan ketersambungan adalah pemacu utama untuk pertumbuhan industri dan pengguna.

• Penderia Tekanan Wayarles (LoRaWAN, $\text{NB-IoT}$ ): Sensor tekanan MEMS disepadukan dengan modul komunikasi wayarles (seperti $\text{LoRaWAN}$ untuk jarak jauh/kuasa rendah atau $\text{NB-IoT}$ untuk sambungan selular) untuk membentuk kendiri pemancar tekanan tanpa wayar .
• Aplikasi Pemantauan Jauh: Nod wayarles ini menghapuskan kabel yang mahal, membolehkan penggunaan pantas rangkaian sensor padat dalam tetapan industri ( IIoT ) untuk penyelenggaraan ramalan (memantau drift tekanan halus untuk meramalkan kegagalan peralatan) dan kawalan proses jauh .
• AI Tepi dan Gabungan Sensor: Penderia "pintar" moden menggabungkan pembelajaran mesin ( ML ) teras atau bersepadu ASIC yang boleh memproses dan menganalisis data (cth., pampasan suhu, penapisan, diagnosis diri) terus pada cip (di "tepi"). Ini mengurangkan penghantaran data, mengurangkan penggunaan kuasa, dan membolehkan lebih cepat, membuat keputusan setempat.

6.3 Pengecilan dan Penggunaan Kuasa Rendah

Pengecilan kekal sebagai faktor daya saing teras, terutamanya untuk pasaran pengguna dan perubatan.

• Trend dalam Pengecilan Sensor: Pengurangan berterusan dalam saiz cetakan dan saiz pakej (sehingga $<1{\text{mm}}^2$ dalam sesetengah kes) memudahkan penyepaduan ke dalam peranti boleh pakai, boleh didengar dan peranti perubatan yang boleh diimplan yang lebih kecil.
• Reka Bentuk Kuasa Sangat Rendah: Beralih ke arah teknologi penderiaan kapasitif dan resonan, yang biasanya menggunakan kuasa kurang daripada jenis piezoresistif. Reka bentuk moden mencapai arus siap sedia dalam sub- $2\text{µA}$ julat, kritikal untuk memanjangkan hayat bateri IoT nod akhir.
• Integrasi "Tekanan X": Penyepaduan penderia tekanan dengan fungsi lain (cth., suhu, kelembapan, penderiaan gas) dalam satu Sistem dalam Pakej ( SiP ) untuk menjimatkan ruang dan memudahkan reka bentuk.

Produk Penderia Tekanan MEMS Terbaik

Penderia/Siri	Pengeluar	Permohonan Utama	Teknologi/Ciri Utama
Bosch BMP388	Bosch Sensortec	Pengguna, Dron, Boleh Dipakai	Pengukuran tekanan/ketinggian barometrik ketepatan tinggi ( $\pm 0.08\text{hPa}$ ketepatan relatif); sangat kecil, berkuasa rendah.
Infineon DPS310	Teknologi Infineon	Pengguna, $\text{IoT}$ , Navigasi	Penderiaan kapasitif untuk kestabilan tinggi dan hingar rendah; kestabilan suhu yang sangat baik, direka untuk aplikasi mudah alih dan cuaca.
STMikroelektronik LPS22HB	STMicroelectronics	Pengguna, Industrial, Wearable	Penderia tekanan mutlak ultra-kompak, berkuasa rendah dengan output digital (( ${\text{I}}^2\text{C}$ / $\text{SPI}$ )); sering digunakan untuk peranti mudah alih kalis air.
Kesambungan TE MS5837	Ketersambungan TE	Altimeter, Komputer Selam, Resolusi Tinggi	Penderia Altimeter/Kedalaman Digital; penuh gel, reka bentuk kalis air dioptimumkan untuk media yang keras dan aplikasi dalam air.
Amphenol NovaSensor NPA-100B	Penderia Lanjutan Amphenol	Perubatan, Perindustrian, OEM Tekanan Rendah	Kebolehpercayaan tinggi, berasaskan piezoresistif, faktor bentuk kecil, sering digunakan dalam peranti perubatan seperti CPAP dan meter alir.
Siri Murata SCC1300	Murata Manufacturing Co.	Automotif ( $\text{ADAS}$ , $\text{ABS}$ ), Perindustrian	berprestasi tinggi, $3\text{D}$ teknologi MEMS dengan $\text{ASIL}$ penarafan, yang terkenal dengan kestabilan unggul dalam aplikasi kritikal keselamatan.
Siri Honeywell ABPM	Honeywell	Perindustrian, Perubatan, Mutlak/Barometrik	Penderia barometrik/mutlak digital yang sangat tepat dan stabil; terkenal dengan prestasi jalur ralat total (TEB) yang tinggi.
Siri pertama Sensor HCE	Ketersambungan TE (acquired First Sensor)	Perubatan (CPAP), Tekanan Perbezaan Rendah	Penderiaan piezoresistif, sering digunakan untuk pengukuran tekanan rendah dan aliran yang sangat sensitif dalam perubatan dan HVAC.
Semua siri DLHR Sensor	Semua Sensor	Tekanan Ultra-Rendah, Perubatan	Penderia tekanan rendah resolusi tinggi dengan ${\text{CoBeam}}^2$ Teknologi untuk prestasi unggul dalam tekanan rendah $\text{HVAC}$ dan pasaran perubatan.
Siri BP Sistem Sensor Merit	Sistem Penderia Merit	Media Keras, Tekanan Tinggi	Penderia tekanan terpencil media untuk aplikasi automotif dan industri volum tinggi yang memerlukan keserasian media yang keras.

Kesimpulan

8.1 Ringkasan Perkara Utama

• Teknologi: Penderia tekanan MEMS miniatur, peranti buatan kelompok, terutamanya menggunakan piezoresistive or kapasitif kesan untuk mengukur tekanan melalui pesongan diafragma.
• Kelebihan: Mereka menawarkan unggul pengecilan , kos rendah (disebabkan pemprosesan kelompok), penggunaan kuasa yang rendah , dan high potensi integrasi berbanding dengan sensor tradisional.
• Metrik Utama: Pemilihan dikawal oleh parameter seperti Jumlah Jalur Ralat (TEB) , Had Tekanan Terlebih , dan keserasian media , memastikan prestasi yang boleh dipercayai merentasi tekanan dan julat suhu yang diperlukan.
• Aplikasi: Ia adalah asas kepada teknologi moden, membolehkan fungsi kritikal dalam Automotif (TPMS, MAP), Perubatan (tekanan darah, ventilator), Perindustrian (kawalan proses, HVAC), dan Elektronik Pengguna (ketinggian dalam telefon pintar, dron).

8.2 Tinjauan Masa Depan

Masa depan pengesan tekanan MEMS ditakrifkan oleh penyepaduan lanjutan, ketersambungan dan daya tahan:

• Penderiaan Pintar: Aliran ke arah penyepaduan AI/ML di tepi akan diteruskan, membolehkan penderia memberikan cerapan yang boleh diambil tindakan dan bukannya hanya data mentah, memacu pertumbuhan selanjutnya IIoT .
• Persekitaran yang Keras: Penggunaan bahan termaju seperti SiC dan SOI akan memanjangkan penggunaan sensor ke dalam persekitaran suhu dan tekanan yang lebih ekstrem, terutamanya dalam kenderaan elektrik ( EV ) pengurusan haba dan proses industri tekanan tinggi.
• Ubiquity dan Pengurangan Kos: Penapisan berterusan teknik fabrikasi (TSV, pemesinan mikro lanjutan) akan membawa kepada peranti yang lebih kecil dan lebih menjimatkan kos, mempercepatkan penembusannya ke pasaran baharu seperti pertanian pintar, penuaian tenaga dan robot mikro.