MEMS 압력 센서: 기술, 애플리케이션 및 선택에 대한 종합 가이드

MEMS 압력 센서 소개

1.1이란 무엇입니까? MEMS 압력 센서 ?

정의 및 기본 원리

MEMS 압력 센서 유체(액체 또는 기체)의 압력을 측정하도록 설계된 미세 가공 장치입니다. MEMS 약자 미세전자기계 시스템 , 집적회로(나는C) 제조에 사용되는 것과 유사한 미세 가공 기술을 사용하여 제작된 소형화된 장치 기술을 말합니다.

기본 원리에는 다음이 포함됩니다. 다이어프램 (종종 실리콘으로 만들어진 얇고 미세 가공된 막) 방향을 바꾸다 압력차가 있을 때. 이러한 편향은 가장 일반적으로 다음과 같은 다양한 감지 원리를 사용하여 전기 신호로 변환됩니다.

• 압저항: 전기의 변화 저항 다이어프램에 확산되거나 이식된 스트레인 게이지.
• 용량성: 변경 사항 용량 편향된 다이어프램과 고정된 기준 전극 사이.

기존 압력 센서에 비해 장점

MEMS 압력 센서는 기존의 부피가 큰 압력 센서(예: 포일 스트레인 게이지 또는 매크로 규모 다이어프램을 사용하는 센서)에 비해 상당한 이점을 제공합니다.

• 소형화 및 크기: 크기가 1밀리미터 미만으로 매우 작기 때문에 컴팩트한 장치와 좁은 공간에 통합할 수 있습니다.
• 대량 생산 및 저렴한 비용: 반도체 일괄 처리 기술(포토리소그래피, 에칭 등)을 사용하여 제작됩니다. 대용량, 저비용 제조.
• 높은 감도와 정확도: 작고 고도로 제어된 구조를 통해 탁월한 분해능과 정밀한 측정이 가능합니다.
• 낮은 전력 소비: 작은 크기와 감소된 질량은 일반적으로 전력 요구 사항을 낮추어 배터리 구동식 및 휴대용 장치에 이상적입니다.
• 높은 통합 가능성: 신호 조절, 온도 보상 및 디지털 출력을 위해 온칩 회로(에이S나는C)와 쉽게 통합되어 완전한 시피(시스템 인 패키지)를 생성할 수 있습니다.

1.2 MEMS 압력 센서의 역사적 발전

주요 이정표 및 혁신

MEMS 압력 센서의 역사는 반도체 제조 및 미세 가공 기술의 발전과 밀접하게 연관되어 있습니다.

기간	주요 이정표 및 혁신	설명
1954	실리콘의 압저항 효과 발견	실리콘과 게르마늄의 전기 저항이 기계적 응력(압저항 효과) 하에서 크게 변한다는 C.S. Smith의 발견은 1세대 실리콘 기반 압력 센서의 기초가 되었습니다.
1960년대	최초의 실리콘 압력 센서	발견된 압저항 효과를 활용하여 초기 실리콘 압력 센서가 시연되었습니다. 이것들은 부피가 커서 주로 사용했습니다. 대량 미세 가공 .
1980년대	상용화 및 미세가공	초기 형태의 등장 표면 미세 가공 최초의 상용 대용량 실리콘 압력 센서(예: 의료용 일회용 혈압 변환기 및 엔진 제어용 매니폴드 절대 압력(MA피) 센서). 용어 MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems)도 이 10년 동안 공식적으로 도입되었습니다.
1990년대	대량 생산 및 통합	다음과 같은 제작 기술의 발전 디RIE(심층 반응성 이온 에칭) (예: 1994년에 특허를 받은 Bosch 프로세스)를 통해 종횡비가 높고 복잡한 3D 구조를 만들 수 있었습니다. 이로 인해 자동차(에어백 시스템 및 초기 엔진 관리 센서 등) 및 가전제품용 저비용의 견고한 센서가 대량 생산되었습니다.
2000년대~현재	소형화와 소비자 붐	신호 처리 및 온도 보상을 위해 ASIC이 통합된 고도로 소형화된 센서(예: 기압 센서)로 초점이 이동하여 스마트폰, 웨어러블 및 스마트폰에 널리 채택될 수 있습니다. 사물인터넷(IoT) . 용량성 및 공진 감지는 더 나은 안정성과 더 낮은 전력을 위해 압저항 기술과 함께 두각을 나타냈습니다.

다양한 산업에 미치는 영향

기존의 대규모 센서에서 대량 생산 가능한 소형 MEMS 압력 센서로의 전환은 여러 부문에 걸쳐 혁신적인 영향을 미쳤습니다.

• 자동차: MEMS 센서는 현대 전자 엔진 제어(엔진 제어 장치, ECU ) 및 안전 시스템. 그들은 의무적인 채택을 가능하게 했습니다. 타이어 공기압 모니터링 시스템(TPMS) 가격이 저렴하고 크기가 작아 차량 안전성과 연비를 크게 향상시킵니다.
• 의료: 소형화가 가능해졌습니다. 일회용 혈압 센서 침습적 모니터링(카테터)을 위해 위생을 대폭 개선하고 병원의 교차 오염을 줄입니다. 또한 휴대용 인공호흡기, 주입 펌프, 지속적인 건강 모니터링 장치에도 필수적입니다.
• 가전제품: MEMS 기압 센서는 다음과 같은 기능을 제공합니다. 실내 네비게이션 (건물의 층수 결정) 및 정확한 고도 측정 드론과 피트니스 트래커에서 가능합니다. 이는 모바일 및 웨어러블 기기 시장 성장의 주요 원동력이었습니다.
• 산업용/IoT: 낮은 전력 소비와 소형 폼 팩터가 핵심 요소입니다. 산업용 사물인터넷(IIoT) , 공장 자동화, 프로세스 제어 및 환경 모니터링 시스템에 무선 압력 센서 노드를 배포할 수 있습니다. 이는 효율성과 예측적 유지 관리를 촉진합니다.

MCP-J10, J11, J12 절대 압력 센서

기술 및 작동 원리

2.1 기본 물리학

MEMS 압력 센서는 다양한 물리적 원리를 사용하여 다이어프램의 기계적 편향을 측정 가능한 전기 신호로 변환합니다.

압저항 효과

• 원리: 는 압저항 효과 실리콘과 같은 반도체 재료의 전기 저항률은 기계적 응력( $\sigma$ )이 적용됩니다.
• 메커니즘: 압저항 센서에서는 저항기(주로 도핑된 실리콘이나 다결정 실리콘으로 만들어짐)가 실리콘 다이어프램 표면에 확산되거나 주입됩니다. 압력으로 인해 다이어프램이 편향되면 이러한 저항기가 변형됩니다( $ϵ$ ), 저항의 변화로 이어집니다  ( $\Delta R$ ).
• 출력: 일반적으로 4개의 저항이 하나의 배열로 배열됩니다. 휘트스톤 브리지 감도를 최대화하고 온도 보상을 제공하여 적용된 압력에 비례하는 전압 출력을 제공하는 구성입니다.

정전식 감지

• 원리: 정전 용량 센서는 전기적 변화를 기반으로 압력을 측정합니다. 용량 ( $C$ ).
• 메커니즘: 는 sensor consists of two parallel electrodes: the pressure-sensing diaphragm and a fixed back electrode. When pressure is applied, the diaphragm deflects, changing the distance ( $디$ ) 두 전극 사이. 커패시턴스는 거리에 반비례하므로 ( $C\propto 1/디$ ), 적용된 압력은 $C$ .
• 장점: 일반적으로 제공 더 높은 안정성 , 낮은 전력 소비 , 그리고 낮은 온도 감도 압저항 유형에 비해 더 복잡한 판독 회로가 필요합니다.

공명 감지

• 원리: 공진 센서는 온도 변화에 따라 압력을 측정합니다. 자연 공진 주파수 ( ${에프}_0$ ) 미세 기계 구조(예: 빔 또는 다이어프램).
• 메커니즘: 마이크로 기계식 공진기가 진동하도록 구동됩니다. 압력이 가해지면 구조의 응력/변형률이 변하고, 그에 따라 강성과 질량 분포도 변경됩니다. 이러한 기계적 특성의 변화는 공진 주파수의 변화를 유발합니다. ${에프}_0$ .
• 장점: 매우 높음 해상도 그리고 장기적인 안정성 , 주파수는 본질적으로 디지털이며 견고한 측정 매개변수이기 때문입니다.

2.2 제작과정

MEMS 압력 센서는 고도로 전문화된 기술을 사용하여 제조됩니다. 미세 가공 반도체 산업에서 채택한 기술.

미세 가공 기술(벌크 대 표면)

• 대량 미세 가공:
  • 과정: 압력 감지 다이어프램 및 기준 챔버와 같은 3D 구조를 생성하기 위해 실리콘 웨이퍼의 대부분을 선택적으로 에칭하는 작업이 포함됩니다.
  • 방법: 이방성 습식 에칭제(예: $\text{코}$ 또는 $\text{TMAH}$ ) 또는 DRIE(Deep Reactive Ion Etching)와 같은 건식 에칭 기술이 있습니다.
  • 결과: 다이어프램 두께는 종종 기판에 에칭된 깊이에 따라 결정됩니다.
• 표면 미세 가공:
  • 과정: 웨이퍼 표면에 박막(폴리실리콘, 질화규소 등)을 증착하고 패터닝하여 기계적 구조를 만드는 작업입니다. 희생층이 증착된 후 선택적으로 제거(에칭)되어 기계적 구조(예: 용량성 센서의 이동 가능한 플레이트)가 자유로워집니다.
  • 결과: 구조는 일반적으로 더 얇고 작으며 더 큰 통합 밀도로 제작되며 가속도계뿐만 아니라 일부 용량성 압력 센서에도 사용됩니다.

사용재료(실리콘, 실리콘온절연체)

• 실리콘( $\text{Si}$ ): 는 primary material. It possesses excellent mechanical properties (high strength, low mechanical hysteresis, similar to steel), is a good semiconductor (allowing for piezoresistive doping), and its fabrication processes are highly mature and cost-effective.
• 실리콘온절연체( $\text{소이}$ ): 절연층(Buried Oxide, $\text{상자}$ ) 벌크 실리콘 기판에.
  • 이점: 열악한 환경(고온, 방사선)에 대해 탁월한 성능을 제공하고 고성능 센서에 중요한 다이어프램 두께 및 전기 절연을 정밀하게 제어할 수 있습니다.

2.3 MEMS 압력 센서의 종류

압력 센서는 기준점을 기준으로 측정하는 압력 유형에 따라 분류됩니다.

• 절대 압력 센서:
  • 참조: 기준으로 압력을 측정합니다. 완벽한 진공 (0 $\text{파}$ 절대) 센서의 기준 공동 내부에 밀봉되어 있습니다.
  • 사용 사례: 고도 측정, 기상 관측소 및 전화기의 기압.
• 게이지 압력 센서:
  • 참조: 상대 압력을 측정합니다. 주변 대기압 센서 외부.
  • 사용 사례: 타이어 압력, 유압 시스템, 산업용 탱크 레벨. (표준대기압에서는 출력이 0이 됩니다.)
• 차압 센서:
  • 참조: 측정하다 차이 두 개의 서로 다른 포트 또는 지점 사이의 압력.
  • 사용 사례: 유량 측정(제한 사항에 따른 압력 강하 측정), 공조 필터 모니터링.
• 밀봉된 압력 센서:
  • 참조: 의 하위 집합 게이지 기준 공동이 특정 압력(일반적으로 해수면의 표준 대기압)으로 밀봉되어 지역 대기압의 변화에 민감하지 않은 센서입니다.
  • 사용 사례: 날씨나 고도 변화에 관계없이 출력이 일정한 기준 압력이어야 하는 경우.

주요 성능 매개변수

3.1 감도와 정확성

민감도와 그 중요성 정의

• 감도 센서의 출력 신호 변화를 측정한 값입니다( $\Delta \text{출력}$ ) 단위 압력 변화당 ( $\Delta \text{P}$ ). 이는 일반적으로 mV/V/psi(평방 인치당 파운드 힘당 볼트 여기당 밀리볼트) 또는 mV/Pa와 같은 단위로 표시됩니다.
  • 공식: $\text{감도}=\frac{\Delta \text{출력}}{\Delta \text{P}}$
• 중요성: 감도가 높을수록 더 큰 전기 신호 특정 압력 변화에 대해 특히 저압 응용 분야의 경우 신호를 더 쉽게 측정, 조정 및 분석할 수 있습니다.

정확도에 영향을 미치는 요인

정확도 센서의 측정된 출력이 실제 압력 값과 얼마나 밀접하게 일치하는지 정의합니다. 이는 종종 여러 오류 소스가 복합적으로 발생하는 경우가 있습니다.

• 비선형성(NL): 는 deviation of the actual output curve from an ideal straight-line response.
• 히스테리시스: 는 difference in output when the same pressure point is approached by increasing pressure versus decreasing pressure.
• 오프셋/영점 오류: 는 output signal when zero pressure is applied.
• 온도 효과: 주변 온도 변화로 인한 출력 변화(3.3에서 설명).

교정 기술

높은 정확도를 보장하기 위해 센서는 교정을 거칩니다.

• 트리밍: 초기 오프셋 및 감도 변화를 최소화하기 위해 온칩 저항기(압전 저항의 경우)를 조정하거나 디지털 조회 테이블(스마트 센서의 경우)을 구현합니다.
• 온도 보상: 온도 범위에 걸쳐 센서의 반응을 측정하고 온도로 인한 오류를 수정하기 위해 수정 알고리즘(종종 통합 ASIC에서 디지털 방식으로)을 적용합니다.

3.2 압력 범위 및 과압

적절한 압력 범위 선택

• 는 압력 범위 센서가 작동하고 성능 사양을 충족하도록 설계된 특정 압력 대역(예: $0$ ~ $100psi)입니다.
• 선택: 는 ideal sensor range should 최대 예상 작동 압력과 일치 최고의 분해능과 최고의 정확도를 보장하기 위해 안전 마진을 더한 것입니다(정확도는 종종 전체 스케일 출력의 백분율로 지정되므로, FSO ).

과압 한계 이해

• 최대 작동 압력: 는 highest pressure the sensor can be continuously subjected to without causing a permanent shift in performance specifications.
• 과압 한계(또는 파열 압력): 는 maximum pressure the sensor can withstand without 물리적 손상 또는 치명적인 실패(예: 다이어프램 파열).
  • 시스템 오류를 방지하려면 압력 스파이크나 갑작스러운 서지가 흔히 발생하는 응용 분야에서는 과압 등급이 높은 센서를 선택하는 것이 중요합니다.

3.3 온도 영향

온도 감도 및 보상

• 온도 감도: 모든 실리콘 기반 MEMS 센서는 본질적으로 온도 변화에 민감합니다. 이로 인해 두 가지 주요 효과가 발생합니다.
  • 온도 오프셋 계수(TCO): 는 zero-pressure output changes with temperature.
  • 스팬 온도 계수(TCS): 는 sensitivity of the sensor changes with temperature.
• 보상: 최신 스마트 MEMS 센서는 통합을 사용합니다. ASIC(응용프로그램별 집적회로) 칩 온도를 측정하고 원시 압력 데이터에 수정 알고리즘(보상)을 디지털 방식으로 적용하여 작동 온도 범위 전체에서 이러한 오류를 크게 제거합니다.

작동 온도 범위

• 이는 주변 온도 범위입니다(예: $-40^{ㅇ}\text{C}$ 에 $125^{ㅇ}\text{C}$ ) 이 범위 내에서는 센서가 보상 정확도를 포함하여 게시된 모든 성능 사양을 충족하도록 보장됩니다.

3.4 장기적인 안정성과 신뢰성

드리프트 및 히스테리시스 고려 사항

• 드리프트(영점 드리프트): 는 change in the sensor's zero-pressure output over a long period of time (e.g., months or years), even when stored under constant conditions. This affects the long-term accuracy and may necessitate recalibration.
• 히스테리시스(압력 히스테리시스): 는 output difference at a specific pressure point when reaching it via increasing pressure versus decreasing pressure. High hysteresis indicates poor elastic behavior of the diaphragm material or package stress.

장기 신뢰성에 영향을 미치는 요소

• 포장 스트레스: 센서 포장 재료(예: 에폭시, 플라스틱) 또는 장착 공정으로 인해 발생하는 기계적 응력은 열 순환이나 습기로 인해 시간이 지남에 따라 변하여 드리프트가 발생할 수 있습니다.
• 미디어 호환성: 는 sensor material must be compatible with the fluid it is measuring (the "media"). Exposure to corrosive or moisture-laden media without adequate protection (e.g., a gel coating or metallic barrier) will rapidly degrade the sensor's performance.
• 재료 피로: 압력 변화로 인한 반복적인 응력 주기는 재료 피로를 유발하여 결국 센서의 기계적 특성과 안정성에 영향을 미칠 수 있습니다.

MEMS 압력 센서의 응용

4.1 자동차 산업

MEMS 압력 센서는 성능과 안전 시스템을 모두 지원하는 현대 차량의 중요한 구성 요소입니다.

• 타이어 공기압 모니터링 시스템(TPMS): 각 타이어의 밸브 스템에 내장된 압력 센서는 타이어 압력을 무선으로 모니터링합니다. 이는 안전(폭발 방지)과 효율성(연비 최적화)을 위해 필수적입니다.
• 매니폴드 절대 압력(MAP) 센서: 는se measure the absolute pressure in the engine's intake manifold. The data is sent to the Engine Control Unit ( ECU ) 엔진으로 유입되는 공기의 밀도를 계산하여 연료 분사 및 점화 시기를 정확하게 측정할 수 있습니다.
• 브레이크 압력 모니터링: 유압식 제동 시스템, 특히 전자식 안정성 제어 기능이 있는 시스템에 사용됩니다( ESC ) 및 잠김 방지 제동 시스템( ABS ), 브레이크 라인에 가해지는 유압을 정확하게 모니터링하고 제어합니다.
• 배기가스 재순환 장치(EGR) 및 미립자 필터(DPF/GPF): 차압 센서는 필터와 밸브 전체의 압력 강하를 측정하여 배기가스 제어 시스템을 모니터링하여 환경 규정을 준수하는지 확인합니다.

4.2 의료기기

MEMS 센서가 환자 안전과 진단에 기여하는 의료 응용 분야에서는 소형화와 신뢰성이 가장 중요합니다.

• 혈압 모니터링:
  • 침습적: 카테터 팁 센서(종종 압저항식)는 중환자실이나 수술에서 동맥 내에서 직접 혈압을 측정하는 데 사용되며 매우 정확한 실시간 데이터를 제공합니다.
  • 비침습적: 표준 전자 혈압 커프 및 지속적인 착용형 모니터링 장치의 필수 구성 요소입니다.
• 주입 펌프: 압력 센서는 유체 라인 압력을 모니터링하여 정확한 약물 전달을 보장하고 잠재적인 막힘을 감지하거나 라인이 열려 있는지 확인합니다.
• 호흡기 장치(예: 인공호흡기, CPAP 기계): 매우 민감한 차압 센서는 공기 흐름을 측정하고, 환자의 폐에 전달되는 공기의 압력과 양을 제어하고, 흡입/호기 주기를 모니터링하는 데 사용됩니다.

4.3 산업 자동화

산업 환경에서 MEMS 센서는 기존의 대형 센서를 대체하여 정밀도를 높이고 유지 관리 비용을 절감하며 원격 모니터링을 가능하게 합니다.

• 프로세스 제어: 화학, 석유 및 가스, 의약품 제조 공정에 중요한 일정한 압력 수준을 유지하기 위해 파이프라인, 원자로 및 저장 탱크에 사용됩니다.
• 압력 트랜스미터: MEMS 감지 요소는 원격 모니터링 및 분산 제어 시스템으로의 통합을 위해 표준화된 디지털 또는 아날로그 출력 신호를 제공하는 견고한 송신기에 통합되어 있습니다( DCS ).
• HVAC 시스템(난방, 환기 및 에어컨): 차압 센서는 공기 필터 전체의 압력 강하를 모니터링하여 교체 시기를 결정하고(에너지 효율성 향상) 정확한 실내 온도 조절을 위해 공기 흐름 속도를 측정합니다.

4.4 가전제품

MEMS 센서는 사용자가 휴대용 장치에서 사용하는 다양한 스마트 기능을 활성화합니다.

• 스마트폰의 기압 센서: 대기압을 측정하여 다음을 제공합니다.
  • 고도 추적: 피트니스 및 야외 앱용.
  • 실내 내비게이션(Z축): 지도를 통해 다층 건물에서 사용자의 층 높이를 확인할 수 있습니다.
  • 일기예보: 국지적인 날씨 변화를 예측하는 데 사용됩니다.
• 웨어러블 장치: 매우 정확한 측정을 위해 스마트워치 및 피트니스 트래커에 사용됨 고도 이득 하이킹이나 계단 오르기와 같은 활동 중에 추적합니다.
• 드론: 기압 센서는 매우 정확한 정보를 제공합니다. 고도 유지 이는 안정적인 비행 및 탐색에 매우 중요한 기능입니다.

올바른 MEMS 압력 센서 선택

5.1 지원 요건

첫 번째 단계는 운영 환경과 측정 요구 사항을 철저하게 정의하는 것입니다.

특정 요구사항 파악

• 압력 유형: 필요한 측정 유형을 결정합니다. 절대 (진공에 비해), 게이지 (주변 공기에 비해), 또는 차동 (두 지점의 차이).
• 압력 범위: 정의 최소 그리고 최대 예상 작동 압력. 센서의 전체 범위는 잠재적인 일시적 스파이크를 포함하여 이러한 값을 편안하게 포함해야 합니다(→ 과압 참조).
• 정확도 and Resolution: 필요한 정확도를 지정합니다(예: $\pm 0.5\%\text{FSO}$ ) 및 안정적으로 감지해야 하는 가장 작은 압력 변화( 해상도 ). 정확도가 높을수록 비용이 높아지고 패키지 크기가 커지는 경우가 많습니다.
• 미디어 호환성: 압력을 측정하는 물질(가스, 액체 또는 부식성 화학물질)을 식별합니다. 센서의 젖은 재료는 부식과 고장을 방지하기 위해 매체와 화학적으로 호환되어야 합니다.

환경 조건

• 작동 온도 범위: 는 sensor must perform reliably across the expected ambient and media temperature extremes. This is crucial for selecting a sensor with proper temperature compensation.
• 습도 및 오염물질: 센서가 습기, 먼지 또는 기타 오염 물질에 노출되었는지 확인하십시오. 이는 필수 사항을 나타냅니다. IP(Ingress Protection) 등급 그리고 whether a protected/sealed package is necessary.

5.2 센서 사양

애플리케이션 요구 사항이 파악되면 제조업체의 데이터 시트를 면밀히 조사해야 합니다.

주요 매개변수 평가

• 감도 and Linearity: 필요한 분해능에 대해 감도가 충분한지 확인하십시오. 전체 압력 범위에서 정확한 측정을 보장하려면 선형성을 확인하십시오.
• 총 오류 대역(TEB): 이는 가장 중요한 단일 매개변수입니다. 최악의 정확도 전체 보상 온도 범위에 걸쳐 선형성, 히스테리시스 및 열 오류가 포함됩니다. 현실적인 성능 그림을 제공합니다.
• 보증 압력/파열 압력: 잠재적인 유압 충격이나 압력 스파이크를 포함하여 센서의 과압 한계가 최대 예상 압력보다 안전하게 높은지 확인하십시오.

전력 소비 고려 사항

• 배터리 구동식, 휴대용 또는 IoT 장치, 낮은 전력 소비 ( $\mu \text{A}$ 수준) 필수적입니다. 고급 전원 차단 모드를 갖춘 용량성 센서 또는 스마트 센서는 연속 전력 압저항 유형보다 선호되는 경우가 많습니다.
• 는 choice between analog and digital output (e.g., ${\text{I}}^2\text{C}$ , $\text{SPI}$ )은 또한 전력 소비와 시스템 통합 용이성에 영향을 미칩니다.

5.3 포장 및 장착

센서 패키지는 MEMS 다이를 보호하고 애플리케이션과 인터페이스하는 데 중요합니다.

사용 가능한 포장 옵션

• 표면 실장 장치(SMD/LGA/QFN): 직접 납땜을 위한 소형, 저비용 패키지 PCB , 소비자 및 의료 기기(예: 기압 센서)에서 일반적입니다.
• 이식형/가시형 패키지: 저압 및 유량 응용 분야에서 일반적으로 사용되는 튜브 연결용 압력 포트(바브 또는 스레드)가 있는 플라스틱 또는 세라믹 패키지입니다.
• 모듈/송신기 하우징: 열악한 산업 환경을 위한 스레드 포트와 커넥터가 있는 견고한 금속 하우징으로, 종종 매체 절연(예: 오일로 채워진 캐비티)을 포함합니다.

최적의 성능을 위한 장착 고려 사항

• 기계적 스트레스 최소화: 는 sensor package is sensitive to external stress. When mounting on a PCB (특히 나사의 경우) 과도한 토크나 불균일한 응력이 발생하지 않도록 주의하십시오. 이로 인해 영점( 오프셋 ).
• 환기: 게이지 압력 센서에는 주변 공기로 통하는 통풍구가 필요합니다. 이 통풍구는 액체와 오염 물질로부터 보호되어야 하며, 종종 특수 포장 디자인이나 보호막(예: 젤 코팅)이 필요합니다.
• 는rmal Management: 센서를 열원( CPU , 전력 구성 요소)을 사용하여 보상된 온도 범위를 초과할 수 있는 온도 변화를 최소화합니다.

5.4 비용 고려사항

비용은 항상 중요한 요소이지만 가장 낮은 단가가 장기적으로 가장 좋은 솔루션인 경우는 거의 없습니다.

성능과 비용의 균형

• 더 높은 정확도, 더 넓은 온도 보상, 매체 격리 등이 모두 단가에 추가됩니다. 과도하게 지정하지 마십시오. 애플리케이션에 실제로 필요한 성능 수준만 선택하세요.
• 비보상 대 보상: 보상되지 않은 원시 센서 다이는 더 저렴하지만 사용자가 자체 시스템에서 복잡하고 비용이 많이 드는 교정 및 온도 보상 알고리즘을 개발하고 구현해야 하므로 개발 시간이 늘어납니다. 공장에서 보정되고 보상된 센서( 스마트 센서 )는 단위 비용이 더 높지만 시스템 수준 통합 비용은 상당히 낮습니다.

장기 소유 비용

• 교정 시간, 열악한 환경에서의 드리프트 또는 고장으로 인한 잠재적 보증 청구, 고장난 장치 교체 또는 재교정 비용을 포함한 총 비용을 고려하십시오. 더 나은 장기적 안정성과 신뢰성을 제공하는 더욱 견고하고 가격이 높은 센서는 총 소유 비용을 낮추는 경우가 많습니다.

최신 혁신과 미래 동향

6.1 첨단 재료 및 제조 기술

혁신은 센서 탄력성, 안정성 및 감도 개선에 중점을 두고 있습니다.

신소재 사용(예: 실리콘 카바이드( $\text{SiC}$ ), 그래핀, $\text{소이}$ )

• 실리콘 카바이드( $\text{SiC}$ ): 극도로 높은 온도에서 안정적으로 작동할 수 있는 능력으로 인해 열악한 환경 응용 분야(예: 시추 드릴링, 가스 터빈, 엔진실)에 대한 연구가 진행 중입니다. $300^{ㅇ}\text{C}$ ) 기존의 실리콘 센서가 작동하지 않는 경우.
• 실리콘온절연체( $\text{소이}$ ): 넓은 온도 범위(최대 $150^{ㅇ}\text{C}$ ).
• 그래핀: 그래핀의 우수한 기계적 강도와 전자적 특성을 활용하여 매우 얇고 매우 민감한 초저전력 센서를 만드는 연구가 진행 중입니다.

고급 미세 가공 공정

• 실리콘 관통 비아( $\text{TSV}$ ): MEMS 다이와 ASIC의 3D 적층을 가능하게 하여 패키지 설치 공간을 크게 줄입니다( Z 높이 ) 및 전자기 간섭 증폭( EMI ) 면역.
• 빔-막-섬 설계: 미세차압 센서용 새로운 다이어프램 구조( Z 높이 ), 의료용 인공 호흡기 및 산업용 유량계에 매우 높은 감도를 제공합니다.

6.2 IoT 및 무선 기술과의 통합

MEMS 센서와 연결성의 융합은 산업 및 소비자 성장의 주요 동인입니다.

• 무선 압력 센서(LoRaWAN, $\text{NB-IoT}$ ): MEMS 압력 센서는 무선 통신 모듈(예: $\text{LoRaWAN}$ 장거리/저전력용 또는 $\text{NB-IoT}$ 셀룰러 연결용) 독립형 구성 무선 압력 트랜스미터 .
• 원격 모니터링 애플리케이션: 는se wireless nodes eliminate costly cabling, enabling the rapid deployment of dense sensor networks in industrial settings ( IIoT ) 예측 유지 관리 (미세한 압력 드리프트를 모니터링하여 장비 고장을 예측) 원격 공정 제어 .
• 엣지 AI 및 센서 융합: 최신 "스마트" 센서에는 기계 학습이 통합되어 있습니다( ML ) 코어 또는 통합 ASIC 칩("가장자리")에서 직접 데이터(예: 온도 보상, 필터링, 자가 진단)를 처리하고 분석할 수 있습니다. 이를 통해 데이터 전송이 줄어들고, 전력 소비가 낮아지며, 더 빠르고 현지화된 의사 결정이 가능해집니다.

6.3 소형화 및 저전력 소비

소형화는 특히 소비자 및 의료 시장에서 핵심적인 경쟁 요소로 남아 있습니다.

• 센서 소형화 추세: 다이 크기 및 패키지 크기의 지속적인 감소(최대 $<1{\text{mm}}^2$ 경우에 따라) 소형 웨어러블, 히어러블 및 이식형 의료 기기에 통합을 용이하게 합니다.
• 초저전력 설계: 일반적으로 압저항 유형보다 전력을 덜 소비하는 용량성 및 공진 감지 기술로 전환합니다. 최신 설계는 하위에서 대기 전류를 달성하고 있습니다. $2\text{µA}$ 범위는 배터리 수명을 연장하는 데 중요합니다. IoT 끝 노드.
• "압력 X" 통합: 단일 시스템 인 패키지(예: 온도, 습도, 가스 감지)에 압력 센서를 다른 기능(예: 온도, 습도, 가스 감지)과 통합합니다( SiP ) 공간을 절약하고 설계를 단순화합니다.

최고의 MEMS 압력 센서 제품

센서/시리즈	제조업체	기본 애플리케이션	핵심기술/특징
보쉬 BMP388	보쉬 센서텍	소비자, 드론, 웨어러블	고정밀 기압/고도 측정( $\pm 0.08\text{hPa}$ 상대 정확도); 아주 작고, 저전력.
인피니언 DPS310	인피니언 테크놀로지스	소비자, $\text{IoT}$ , 네비게이션	높은 안정성과 낮은 소음을 위한 정전식 감지; 뛰어난 온도 안정성으로 모바일 및 날씨 애플리케이션용으로 설계되었습니다.
ST마이크로일렉트로닉스 LPS22HB	ST마이크로일렉트로닉스	소비자, Industrial, Wearable	디지털 출력을 갖춘 초소형, 저전력 절대 압력 센서(( ${\text{I}}^2\text{C}$ / $\text{SPI}$ ))); 방수 모바일 장치에 자주 사용됩니다.
TE 커넥티비티 MS5837	TE 커넥티비티	고도계, 다이브 컴퓨터, 고해상도	디지털 고도계/깊이 센서; 열악한 매체 및 수중 응용 분야에 최적화된 젤 충전 방수 디자인입니다.
암페놀 노바센서 NPA-100B	Am페놀 고급 센서	의료, 산업, 저압 OEM	신뢰성이 높은 압저항 기반의 소형 폼 팩터로 CPAP 및 유량계와 같은 의료 기기에 자주 사용됩니다.
무라타 SCC1300 시리즈	무라타 제작소	자동차( $\text{ADAS}$ , $\text{ABS}$ ), 산업	고성능, $3\text{D}$ MEMS 기술을 탑재한 $\text{아실}$ 안전이 중요한 응용 분야에서 뛰어난 안정성으로 알려진 등급입니다.
하니웰 ABPM 시리즈	하니웰	산업, 의료, 절대/기압	매우 정확하고 안정적인 디지털 기압/절대 센서; 높은 총 오류 대역(TEB) 성능으로 알려져 있습니다.
첫 번째 센서 HCE 시리즈	TE 커넥티비티 (acquired First Sensor)	의료용(CPAP), 저차압	압저항 감지는 의료 및 HVAC 분야에서 매우 민감한 저압 및 유량 측정에 자주 사용됩니다.
모든 센서 DLHR 시리즈	모든 센서	초저압, 의료	고해상도 저압 센서 ${\text{코빔}}^2$ 저압에서 탁월한 성능을 발휘하는 기술 $\text{HVAC}$ 그리고 medical markets.
장점 센서 시스템 BP 시리즈	장점 센서 시스템	가혹한 매체, 고압	엄격한 미디어 호환성이 필요한 대용량 자동차 및 산업용 애플리케이션을 위한 미디어 절연 압력 센서 다이입니다.

결론

8.1 요점 요약

• 기술: MEMS 압력 센서는 주로 다음을 사용하는 소형 배치 제조 장치입니다. 압저항 또는 용량성 다이어프램 편향을 통해 압력을 측정하는 효과.
• 장점: 는y offer superior 소형화 , 저렴한 비용 (일괄 처리로 인해) 낮은 전력 소비 , 그리고 high 통합 가능성 기존 센서와 비교.
• 주요 지표: 선택은 다음과 같은 매개변수에 따라 결정됩니다. 총 오류 대역(TEB) , 과압 한계 , 그리고 미디어 호환성 , 필요한 압력 및 온도 범위에서 안정적인 성능을 보장합니다.
• 신청: 는y are foundational to modern technology, enabling critical functions in 자동차 (TPMS, 지도), 의료 (혈압, 인공호흡기), 산업용 (공정 제어, HVAC) 및 가전제품 (스마트폰, 드론의 고도).

8.2 향후 전망

MEMS 압력 감지의 미래는 고급 통합, 연결성 및 탄력성에 의해 정의됩니다.

• 스마트 감지: 는 trend toward integrating 엣지의 AI/ML 계속해서 센서가 원시 데이터가 아닌 실행 가능한 통찰력을 제공할 수 있도록 하여 더 많은 성장을 촉진할 것입니다. IIoT .
• 가혹한 환경: 는 adoption of advanced materials like SiC and SOI will extend sensor use into more extreme temperature and pressure environments, particularly in electric vehicles ( EV ) 열 관리 및 고압 산업 공정.
• 편재성 및 비용 절감: 제조 기술(TSV, 고급 마이크로머시닝)의 지속적인 개선은 더욱 작고 비용 효율적인 장치로 이어져 스마트 농업, 에너지 수확 및 마이크로 로봇 공학과 같은 새로운 시장으로의 침투를 가속화할 것입니다.