Spécifications communes pour les matrices de silicium MEMS

Pour évaluer la qualité et les performances d'une puce en silicium MEMS, les clients doivent se fier aux spécifications, au moins jusqu'à ce qu'ils puissent tester les pièces par eux-mêmes.

La principale chose à comprendre à propos des matrices MEMS est que lorsqu'elles sont exposées à la pression ou à la température, elles produiront une sortie correspondante, qui sera en millivolts, à condition qu'une tension d'entrée, ou tension d'excitation, ait été fournie. La sortie en millivolts de la puce MEMS est essentiellement la valeur de la pression. Par conséquent, la caractéristique générale à rechercher dans toute puce MEMS est une sortie stable et reproductible lorsque la puce est testée dans diverses conditions.

Cet article traite des spécifications courantes utilisées pour caractériser les performances d'une matrice de capteur de pression dans différentes conditions de fonctionnement.

Les premiers groupes de spécifications dont nous allons parler sont couramment utilisés pour caractériser comment la puce MEMS se comportera à température ambiante (25 ° C).

Résistance de pont (ou impédance) : Cela indique la résistance (à partir de la loi d'Ohm, la tension divisée par le courant) mesurée à travers le pont. En raison de notre Pont de Wheatstone conception avec notre Sentium® et MeritLes processus Ultra™, la résistance d'entrée (+E à -E) et la résistance de sortie (+O à -O) sur toutes nos matrices sont les mêmes.

Offset (ou tension de sortie sans pression): Ceci indique la différence, à pression nulle, entre la sortie zéro et la sortie réelle de la matrice MEMS. Sans aucun décalage, à pression nulle, la sortie serait de 0 mV/V. Cependant, avec un décalage de ±10 mV/V, la différence avec 5 volts d'excitation pourrait être de ±50 mV. Reportez-vous à l'image de la fonction de transfert ci-dessous.

Sensibilité (ou span) : Sensibilité et envergure sont, en général, synonymes. Les deux termes sont utilisés pour indiquer la sortie électrique, ou la réponse, de la puce MEMS à une pression appliquée et à une tension d'alimentation. Il est généralement représenté par la pente d'une ligne sur un graphique avec une sortie sur un axe et une pression (pour une tension d'alimentation donnée) sur l'autre axe. Reportez-vous à l'image de la fonction de transfert ci-dessous. La sensibilité est généralement exprimée en microvolts par volt par psi (µV/V/psi).

Non-linéarité (ou linéarité): Cela montre à quel point la sortie est linéaire/non linéaire. La sortie idéale est parfaitement linéaire. Par example, à une alimentation constante de 5 volts, pour chaque livre par pouce carré que la pression devait augmenter, la sortie en millivolts augmenterait linéairement, comme le montre l'image de la fonction de transfert ci-dessus. La non-linéarité de la pression est calculée en mesurant, au point médian de la plage de pression, soit deux différences : l'une se situe entre la sortie réelle et la ligne droite la mieux adaptée (BFSL) ou l'autre se situe entre la sortie réelle et la ligne invisible qui relie les deux extrémités de la sortie réelle. Cette ligne est appelée ligne d'extrémité ou base terminale. Référez-vous à l'image ci-dessous. La sortie réelle affichée dans cette image a été exagérée à des fins d'illustration. Que la non-linéarité de la pression soit basée sur la BFSL ou la ligne de point final, elle est exprimée en pourcentage de la sortie à pleine échelle (FSO).

Hystérésis de pression: Cela montre le delta, ou la différence, de la sortie à pression nulle, puis jusqu'à la pression pleine échelle et retour à la pression zéro. Il serait idéal de ne pas avoir d'hystérésis de pression, ce qui signifie que la sortie serait exactement la même chaque fois que la pression reviendrait à zéro. Cette spécification vous donnera une indication de la répétabilité de la matrice. L'hystérésis de pression est exprimée en pourcentage de la sortie à pleine échelle (FSO).

Les trois spécifications suivantes indiquent comment une pièce se comportera sur une plage de température spécifiée. À Merit Sensor toutes les matrices MEMS sont testées sur une plage de température de -40 à 150 °C. Ces trois spécifications sont des effets de premier ordre.

Coefficient de température d'offset (TCO): Ceci est également connu sous le nom de coefficient de température à pression nulle (TCZ). Cela indique que le décalage change à pression nulle lorsque la température change.

Coefficient de température de résistance (TCR): Cela indique comment la résistance change à pression nulle lorsque la température change. La résistance du pont change de manière significative en fonction de la température.

Coefficient de température de sensibilité (TCS): Ceci est également connu sous le nom de coefficient de température de l'échelle. Il indique l'écart de sortie à pleine échelle lorsque la température change. Lorsque la température augmente, la sensibilité diminue. Ainsi, à température ambiante, vous pouvez obtenir une sortie de 100 mV, mais à 150 °C, la sortie diminuera jusqu'à environ 75 mV.

Le grand news est que toutes les erreurs énumérées ci-dessus sont reproductibles et cohérentes, ce qui signifie qu'elles répondent bien à la compensation. En plus de fabriquer des matrices MEMS, Merit Sensor construit aussi packs capteurs de pression et effectue l'étalonnage sur diverses plages de température.

Cependant, les deux spécifications suivantes traitent de erreurs non compensables : hystérésis thermique et dérive à long terme. Par conséquent, si vous essayez de décider quelle matrice MEMS acheter, vous voudrez trouver un fournisseur qui produit des pièces avec de bonnes spécifications dans ces deux domaines. Nous, à Merit Sensor, sachez que nos clients ne veulent pas que leurs pièces, qui contiennent nos matrices MEMS, échouent dans les applications de leurs clients ; par conséquent, nous sommes fiers de produire des matrices MEMS avec d'excellentes valeurs d'hystérésis thermique et une stabilité à long terme.

Hystérésis thermique: Ceci est généralement effectué à pression nulle et montre la différence entre la sortie lorsque la température est à température ambiante puis augmentée à 150 °C puis ramenée à température ambiante puis diminuée à -40 °C puis ramenée à nouveau à température ambiante etc. Ce test caractérise la répétabilité de la filière sur de nombreux cycles thermiques. Il serait idéal d'obtenir le même rendement à chaque fois que la température revient à une valeur donnée.

Stabilité à long terme (ou dérive à long terme): Cette spécification indique à quel point la sortie de la matrice restera stable, ou, en d'autres termes, à quel point le décalage dérivera peu, au fil du temps et à une température soutenue. Nous avons testé des pièces, par example, à 150 °C pendant 300 heures.

Une chose à surveiller est un data sheet faisant la publicité d'un dé MEMS avec une précision de ±0.25 %. Voici le hic : cette précision fait référence uniquement à la non-linéarité à température ambiante ; il ne prend pas en considération les autres erreurs qui ont été discutées. Espérons que cet article vous a aidé à mieux comprendre les différentes caractéristiques de performance des matrices en silicium MEMS et les spécifications utilisées pour quantifier les performances des matrices.

Enfin, si vous souhaitez en savoir plus sur la technologie et les performances des matrices MEMS, nous vous invitons à regarder le webinaire récemment diffusé, qui est maintenant à la demande.

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