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高温MEMS气体传感器可克服温度补偿的问题

2017-08-16

      MEMS是指微机电系统,是指可批量制作的,集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。在微电子器件领域,针对SIC器件的研究较多,已经取得了较大进展,而在MEMS领域针对SiC器件的研究仍有许多问题亟待解决。

      在国内,SiC MEMS的研究非常少,因而进行SiC高温MEMS气体传感器的研究具有开创意义。碳化硅(SiC)具有优良的耐高温,抗腐蚀,抗辐射性能,因而使用SiC来制作压力传感器,能够克服Si器件高温下电学、机械、化学性能下降的缺陷,稳定工作于高温环境,具有光明的应用前景。然而当外界温度较大时,压力传感器受温度影响精度不高,会产生零点漂移等问题,从而增大测量误差。于是尝试加工一个腔体,把压力传感器和温度传感器放置在里面形成一个小的封闭腔体,在外界温度较高或较低的情况下,用加热装置先升温到几十度并维持这一温度,给压力传感器做零点补偿,提高压力传感器的测量精度。这样就克服了在大温度范围难以补偿的问题。

      本文对这个温度控制系统提出了解决方案,采用了PID参数自整定控制,模糊控制属于智能控制方法,它与PID控制结合,具有适应温控系统非线性、干扰多、时变等特点。MEMS压力传感器的另一个一次性应用是输液泵,这种器械用于向病人的循环系统输入液体、药物或营养。输液泵必须结构简单且成本低廉,可以用后即扔。2011年这类压力传感器的使用量远高于6000万个。呼吸监测是医用压力传感器的另一个主要应用,排在一次性器械之后。虽然该领域的压力传感器出货量远低于一次性应用领域,但每年与呼吸治疗相关的器械销量也高达数以百万计,而且该领域的传感器价格大幅高于一次性器械。

      持续气压通气系统(CPAP)就是一种呼吸监测设备,主要用于在家里治疗睡眠窒息。目前美国是呼吸监控设备的主要市场,因这项治疗费用可以报销。氧气疗法也属于呼吸监测,用于控制或增加血液的含氧量。不断老化的人口,以及慢性阻塞性肺疾病越来越常见,推动该市场的增长。霍尼韦尔与通用电气是氧疗机传感器的主要供应商,氧疗机通常包含一个低压硅传感器和一个高压硅传感器,使用钢壳封装并注油。

  呼吸器是压力传感器的另一个独立市场,用于肺损伤、哮喘和成人及急性呼吸窘迫综合症等疾病的治疗。但该领域的设备销量比其它呼吸相关应用低得多。压力传感器也用于测量生命征象。在这个领域,使用传感器的设备包括台式或中央监护仪,以及多参数监护设备。低端设备至少包括一种非侵入式压力传感器;中端设备包含一或两种设备;高端设备既有非侵入式压力传感器,也有侵入式压力传感器,以及额外的呼吸压力感测。欧洲与北美存在可行市场,但亚太地区增长最快。

  在植入设备领域,压力传感器用于心脏监视器、青光眼监视器和颅内压力监视器。虽然这些监视器的市场目前处于发育阶段,但其未来潜力巨大。例如,利用心脏传感器可以在家里监护病人,不必经常去医院检查,这样可以为国家节省大笔费用。

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