Apa itu Sensor Tekanan MEMS?
MEMS adalah singkatan dari Micro Electro Mechanical Systems, yaitu sistem mikroelektromekanis. Teknologi MEMS dipuji sebagai salah satu teknologi tinggi-yang revolusioner di abad ke-21 dan dapat ditelusuri kembali ke tahun 1950an.
Teknologi Sistem Mikroelektromekanis (MEMS) mengacu pada teknologi perancangan, pembuatan, pengukuran dan pengendalian bahan mikron/nanometer.
Sensor tekanan MEMS adalah sensor tekanan yang diproduksi melalui proses manufaktur yang menggabungkan teknologi mikroelektronika dan teknologi pemesinan mikro (termasuk pemesinan mikro massal silikon, pemesinan mikro permukaan silikon, pengikatan, dan teknologi lainnya). Sensor tekanan MEMS menunjukkan kinerja luar biasa dalam berbagai aspek seperti ukuran, akurasi, dan kecepatan respons.
Klasifikasi Sensor Tekanan MEMS
Berdasarkan prinsip kerja yang berbeda, sensor tekanan MEMS berbahan dasar silikon dapat dibagi menjadi tiga kategori: tipe silikon piezoresistif, tipe kapasitif silikon, dan tipe resonansi silikon.
Sensor Tekanan Piezoresistif Silikon
Efek piezoresistif mengacu pada fenomena bahwa ketika bahan semikonduktor diberi tekanan, hal itu menyebabkan perubahan pita energi, pergeseran lembah energi, dan dengan demikian mengubah resistivitas resistansi semikonduktor.
Sensor tekanan piezoresistif merupakan sensor tekanan yang dirancang dengan memanfaatkan efek piezoresistif. Ini fitur ukuran kecil, sensitivitas tinggi dan respon cepat. Namun proses pembuatannya rumit dan mudah terpengaruh oleh suhu dan getaran, sehingga memerlukan kompensasi suhu.
Sensor Tekanan Kapasitif Silikon
Sensor tekanan kapasitif silikon adalah jenis sensor tekanan yang menggunakan bahan silikon sebagai elemen penginderaan dan mengubah perubahan besaran yang diukur menjadi perubahan kapasitansi.
Umumnya menggunakan film logam melingkar atau film-berlapis logam sebagai salah satu elektroda kapasitor. Ketika film berubah bentuk di bawah pengaruh tekanan, kapasitansi yang terbentuk antara film dan elektroda tetap berubah. Melalui rangkaian pengukur, sinyal listrik yang mempunyai hubungan tertentu dengan tegangan dapat dikeluarkan.
Kelebihan sensor jenis ini antara lain sensitivitas yang tinggi, stabilitas yang baik, dan jangkauan linier yang luas. Namun kelemahannya adalah biayanya yang relatif mahal dan mudah terpengaruh oleh suhu dan kelembapan.
Sensor Tekanan Resonansi Silikon
Sensor tekanan resonansi silikon merupakan salah satu jenis sensor tekanan yang berdasarkan prinsip bahwa perubahan tekanan luar pada bahan silikon menyebabkan perubahan frekuensi resonansi resonator, mengubah perubahan tekanan terukur menjadi perubahan frekuensi resonansi.
Sensor tekanan resonansi silikon memiliki presisi tinggi, resolusi tinggi, kemampuan anti-interferensi tinggi, cocok untuk transmisi-jarak jauh, dan dapat dihubungkan langsung ke perangkat digital. Namun, ia memiliki siklus produksi yang panjang, biaya tinggi, dan frekuensi keluaran serta kuantitas yang diukur seringkali berada dalam hubungan nonlinier.
Prinsip Kerja Sensor Tekanan Piezoresistif
Elemen sensitif sensor tekanan piezoresistif MEMS terdiri dari chip sensitif dan substrat pendukung. Parameter karakteristik awal dari elemen sensitif memperkuat beberapa indikator parameter utama sensor dan merupakan inti dari sensor.
Chip sensitif tekanan piezoresistif silikon - adalah chip sensitif di mana elemen sensitif dan elemen konversi diintegrasikan pada substrat silikon kristal tunggal - yang sama. Elemen sensitif untuk merasakan tekanan adalah diafragma planar silikon elastis dengan pinggiran yang tertutup dan tetap. Bahan silikon di bagian belakang diafragma dihilangkan sehingga membentuk rongga berbentuk segi empat terbalik - piramida -. Diafragma elastis silikon dengan ketebalan berbeda menentukan rentang pengukuran tekanan, sensitivitas, dan kemampuan beban berlebih yang berbeda.
Untuk mengoptimalkan kekuatan dinding samping pendukung di sekitar diafragma, isolasi tekanan kemasan yang kaku, dan kinerja isolasi listrik substrat chip, substrat silikon chip harus dilaminasi pada substrat kaca tebal dengan karakteristik ekspansi termal yang sesuai. Setelah laminasi, chip dengan rongga yang berkomunikasi dengan tekanan atmosfer sekitar dapat digunakan untuk pengukuran tekanan pengukur, sedangkan chip dengan rongga yang diisolasi dari tekanan atmosfer sekitar dapat digunakan untuk pengukuran tekanan absolut.
Resistor piezoresistif silikon terdifusi yang mengubah tekanan terukur yang dirasakan menjadi sinyal listrik terletak di lapisan permukaan atas diafragma datar. Desain konvensionalnya adalah menempatkan resistor piezoresistif di dekat tepi atau tengah diafragma datar. Ketika diafragma datar berubah bentuk di bawah aksi tekanan yang diukur, di bawah premis defleksi kecil diafragma (defleksi maksimum di tengah diafragma jauh kurang dari 500 mikrostrain), dengan memanfaatkan perubahan resistivitas piezoresistif, sinyal listrik yang berubah secara linier dengan defleksi diafragma, yaitu dengan perubahan tekanan, dikeluarkan.
Untuk mengoptimalkan kinerja pengukuran chip sensitif, empat resistor sensitif piezoresistif disusun pada bidang untuk membentuk jembatan Wheatstone. Ketika tekanan terukur diterapkan, resistansi dari sepasang lengan yang berlawanan meningkat, sedangkan resistansi dari sepasang lengan yang berlawanan lainnya menurun, menyebabkan keluaran tegangan tidak seimbang dari jembatan Wheatstone berubah secara linier dengan tekanan yang diukur.
Penerapan Sensor Tekanan Piezoresistif
Sensor tekanan piezoresistif MEMS banyak digunakan di berbagai industri dan bidang, seperti dirgantara, navigasi, industri petrokimia, manufaktur dan otomasi mekanik, pemeliharaan air dan pembangkit listrik tenaga air, gas industri, teknik biomedis, meteorologi, geologi, pengukuran gempa bumi dan sebagainya.