Какъв е хистерезисът на MEMS предавателите за налягане?

Като опитен доставчик на MEMS трансмитери за налягане, бях свидетел на доста неща в индустрията. Една концепция, която често се появява в дискусии с клиенти и в различни форуми, е хистерезисът на MEMS трансмитерите за налягане. Днес бих искал да навляза дълбоко в тази тема, за да ви помогна да разберете по-добре какво е хистерезис и защо има значение в света на MEMS трансмитерите за налягане.

Разбиране на трансмитерите за налягане MEMS

Преди да преминем към хистерезис, нека накратко да се докоснем до това какво представляват MEMS трансмитерите за налягане. MEMS, което означава микро-електро-механични системи, са малки устройства, които комбинират механични и електрически компоненти в микроскопичен мащаб. Трансмитерите за налягане MEMS използват тази технология за измерване на налягането и преобразуването му в електрически сигнал.

Те са много популярни в различни индустрии поради малкия си размер, висока точност, ниска цена и висока надеждност. Приложенията варират от автомобилна и космическа до медицинска и индустриална автоматизация. Например в тунелната индустрия,Сензор за налягане MEMS за машина за тунелиране на щитиграе решаваща роля в наблюдението на налягането в процеса на тунелиране на щита, за да се гарантира безопасност и ефективност.

Какво е хистерезис?

Хистерезисът е явление, при което изходът на системата зависи не само от нейния текущ вход, но и от предишните й входове. В контекста на MEMS трансмитерите за налягане, хистерезисът се отнася до разликата в изходния сигнал, когато се прилага същото налягане, но при различни истории на натоварване - едно, когато налягането се увеличава, и друго, когато налягането намалява.

Представете си, че имате MEMS предавател за налягане, който използвате за измерване на налягането в затворен контейнер. Започвате постепенно да увеличавате налягането. Когато налягането се повишава, трансмитерът записва определен изходен сигнал, съответстващ на всяко ниво на налягане. Сега, когато започнете да намалявате налягането обратно до първоначалната му стойност, може да откриете, че изходният сигнал от предавателя не съвпада точно със стойностите, които е показал, когато налягането се увеличава в същите точки на налягане. Тази разлика е това, което наричаме хистерезис.

Причини за хистерезис в MEMS трансмитери за налягане

Има няколко фактора, които могат да причинят хистерезис в MEMS трансмитерите за налягане:

Свойства на материала

Материалите, използвани в конструкцията на сензора за налягане MEMS, играят важна роля. Повечето MEMS сензори за налягане са направени от силиций или други полупроводникови материали. Тези материали могат да проявяват хистерезис поради вътрешните си атомни или молекулярни структури. Например, когато се приложи напрежение върху силиконовата диафрагма (ключов компонент в MEMS сензор за налягане) по време на промени в налягането, атомните връзки в силиция могат да се деформират. Тези деформации може да не се възстановят напълно, когато напрежението бъде премахнато, което води до разлика в реакцията на сензора между циклите на увеличаване и намаляване на налягането.

Механичен дизайн

Механичният дизайн на MEMS предавателя за налягане също може да допринесе за хистерезис. Ако диафрагмата на сензора не е проектирана правилно или ако има някакви механични ограничения или нелинейности в структурата, това може да доведе до различна реакция на диафрагмата при увеличаване и намаляване на налягането. Например, ако има малко количество триене между движещи се части в сензора, това може да повлияе на движението на диафрагмата и по този начин да причини хистерезис.

Фактори на околната среда

Външни фактори на околната среда като температура и влажност могат да окажат влияние върху хистерезиса. Температурните промени могат да доведат до разширяване или свиване на материалите в предавателя за налягане MEMS, което може да промени механичните свойства на сензора. Високите нива на влажност също могат да въведат влага в сензора, което може да промени електрическите и механичните характеристики на устройството. Тези ефекти на околната среда могат да доведат до несъответствия в изхода на сензора между сценариите за увеличаване и намаляване на налягането.

Измерване на хистерезис

За измерване на хистерезиса на MEMS трансмитер за налягане обикновено се следва стандартна тестова процедура. Натискът се прилага към сензора стъпаловидно, първо в посока на нарастване и след това в посока на намаляване. Изходният сигнал на трансмитера се записва при всяка стъпка на налягане.

След това хистерезисът се изчислява като максималната разлика между изходните стойности, получени по време на циклите на увеличаване и намаляване на налягането, обикновено изразени като процент от изхода в пълна скала. Например, ако пълномащабният изход на MEMS трансмитер за налягане е 10 волта и максималната разлика между нарастващото и намаляващото изходно налягане е 0,1 волта, хистерезисът е 1% от пълния изход на скала.

Значение на отчитането на хистерезиса в приложенията

Хистерезисът е важен параметър, който трябва да се има предвид при избора на MEMS трансмитер за налягане за приложение. Ето някои причини защо:

Изисквания за точност

В приложения, където високата точност е от решаващо значение, като например в медицински устройства за измерване на кръвно налягане или в аерокосмически приложения за отчитане на надморска височина, дори малък хистерезис може да доведе до значителни грешки. Предавател за налягане с висок хистерезис може да даде противоречиви показания, което може да компрометира работата и безопасността на цялата система.

Системи за управление

В промишлените системи за управление, където измерванията на налягането се използват за регулиране на процеси, хистерезисът може да причини нестабилност. Ако системата за управление разчита на точни показания на налягането, за да взема решения, хистерезисът в трансмитера за налягане може да доведе до неправилни управляващи действия. Например, в химичен процес, при който налягането трябва да се поддържа в определен диапазон, трансмитер за налягане с висок хистерезис може да доведе до прекомерна или недостатъчна реакция на контролната система, което води до неефективност на процеса или дори опасности за безопасността.

Дългосрочна надеждност

С течение на времето хистерезисът на MEMS трансмитер за налягане може да се промени поради фактори като умора на материала и влошаване на околната среда. Наблюдението на хистерезиса на предавателя може да даде индикация за неговата дългосрочна надеждност. Ако хистерезисът започне да се увеличава значително с течение на времето, това може да е знак, че сензорът наближава края на полезния си живот и трябва да бъде сменен.

Минимизиране на хистерезиса в MEMS трансмитери за налягане

Като доставчик, ние непрекъснато работим върху минимизирането на хистерезиса на нашите MEMS трансмитери за налягане. Ето някои от техниките, които използваме:

Избор и обработка на материал

Ние внимателно подбираме висококачествени материали с ниски хистерезисни характеристики. Освен това извършваме специална обработка на материалите, за да подобрим тяхната механична и електрическа стабилност. Например, можем да загряваме силиконовата диафрагма, за да намалим вътрешните напрежения и да подобрим нейните свойства за възстановяване след деформация.

Разширен дизайн

Нашият инженерен екип използва усъвършенствани техники за проектиране, за да оптимизира механичната структура на сензора за налягане MEMS. Това включва минимизиране на триенето между движещите се части и гарантиране, че диафрагмата има еднакъв отговор на промените в налягането. Ние също така използваме софтуер за анализ на крайните елементи (FEA), за да симулираме поведението на сензора при различно налягане и условия на околната среда и съответно да направим подобрения в дизайна.

Калибриране

Калибрирането е важна стъпка за намаляване на ефектите от хистерезиса. Ние извършваме цялостен процес на калибриране на всеки MEMS предавател за налягане, преди да напусне нашата фабрика. Това калибриране взема предвид хистерезисните характеристики на сензора и прилага подходящи корекционни фактори към изходния сигнал, за да минимизира грешките.

Заключение

Хистерезисът е сложна, но важна концепция, когато става въпрос за MEMS трансмитери за налягане. Разбирането какво представлява, какво го причинява и как да го измерим и сведем до минимум е от решаващо значение както за доставчици като нас, така и за клиенти, които разчитат на тези сензори за своите приложения.

Ако сте на пазара за висококачествени MEMS трансмитери за налягане с нисък хистерезис, вие сте попаднали на правилното място. Нашият екип от експерти е готов да работи с вас, за да разбере вашите специфични изисквания и да ви предостави най-добрите решения. Независимо дали става въпрос за машина за тунелиране на щит или друго приложение, ние разполагаме с продуктите и знанията, за да отговорим на вашите нужди. Не се колебайте да се свържете с нас за повече информация и да започнете дискусия относно вашите нужди от обществени поръчки.

Референции

1. Ковач, GTA (1998). Справочник за микромашинни преобразуватели. Макгроу - Хил.
2. Маду, MJ (2002). Основи на микрофабрикацията: науката за миниатюризацията. CRC Press.
3. Нахаванди, С. (Ред.). (2014 г.). Ръководство за мултисензорно обединяване на данни: Теория и практика. CRC Press.