مستشعر الضغط MEMS

1. ما هو مستشعر الضغط MEMS

مستشعر الضغط هو جهاز شائع الاستخدام في الممارسة الصناعية، يتكون عادةً من عناصر حساسة للضغط (عناصر حساسة مرنة، عناصر حساسة للإزاحة) ووحدات معالجة الإشارات، يعتمد مبدأ العمل عادةً على تغيير المواد الحساسة للضغط أو الضغط الناتج عن التشوه، يمكنه الشعور بإشارة الضغط، ويمكنه تحويل إشارة الضغط إلى إشارة كهربائية للخرج متاحة وفقًا لقوانين معينة. للقياس الدقيق والتحكم والمراقبة، بدقة عالية، ومقاومة للتآكل وبنية مدمجة، ومناسبة لمجموعة متنوعة من البيئات القاسية.

مستشعرات الضغط MEMS، الاسم الكامل: مستشعر ضغط النظام الميكانيكي الدقيق، يدمج تكنولوجيا الإلكترونيات الدقيقة المتطورة وتكنولوجيا التصنيع الدقيقة الدقيقة. من خلال الجمع بين الهيكل الميكانيكي الدقيق والدوائر الإلكترونية، يتم استخدام الرقاقة المصنوعة من مواد شبه موصلة تقليدية مثل رقائق السيليكون أحادية البلورية باعتبارها الجزء الرئيسي لقياس الضغط عن طريق الكشف عن التشوه الجسدي أو تراكم الشحنات. ومن ثم يتم تحويلها إلى إشارات كهربائية للمعالجة لتحقيق المراقبة الحساسة والتحويل الدقيق لتغيرات الضغط. تكمن ميزتها الأساسية في تصميمها المصغر، الذي يمنح مستشعرات الضغط MEMS أداءً فائقًا من حيث الدقة والحجم وسرعة الاستجابة واستهلاك الطاقة.

2. خصائص مستشعر الضغط MEMS

يمكن تصميم وتصنيع أجهزة استشعار الضغط MEMS باستخدام تقنيات مشابهة للدوائر المتكاملة، مما يتيح إنتاجًا ضخمًا عالي الدقة ومنخفض التكلفة. وهذا يفتح الباب أمام الاستخدام الشامل منخفض التكلفة لأجهزة استشعار MEMS للإلكترونيات الاستهلاكية ومنتجات التحكم في العمليات الصناعية، مما يجعل التحكم في الضغط بسيطًا وسهل الاستخدام وذكيًا.

تعتمد أجهزة استشعار الضغط الميكانيكية التقليدية على تشوه اللدائن المعدنية تحت القوة، والتي تحول التشوه المرن الميكانيكي إلى خرج كهربائي. لذلك، لا يمكن أن تكون صغيرة مثل الدوائر المتكاملة مثل أجهزة استشعار الضغط MEMS، وتكلفتها أعلى بكثير من أجهزة استشعار الضغط MEMS. بالمقارنة مع أجهزة الاستشعار الميكانيكية التقليدية، تتميز أجهزة استشعار الضغط MEMS بحجم أصغر، حيث لا يتجاوز الحد الأقصى سنتيمترًا واحدًا. بالمقارنة مع تكنولوجيا التصنيع الميكانيكية التقليدية، فقد تم تحسين فعاليتها من حيث التكلفة بشكل كبير.

3. تطبيق جهاز استشعار الضغط MEMS

صناعة السيارات:

يعد مجال السيارات أحد التطبيقات المهمة لأجهزة استشعار MEMS. في مجال السيارات، تُستخدم مستشعرات الضغط MEMS على نطاق واسع في أنظمة السلامة (مثل مراقبة ضغط أنظمة الكبح، والتحكم في ضغط الوسائد الهوائية، والحماية من الاصطدام)، والتحكم في الانبعاثات (التحكم في ضغط غاز انبعاث المحرك ومراقبته)، ومراقبة الإطارات، وإدارة المحرك. وأنظمة التعليق نظرًا لتصغيرها ودقتها العالية وموثوقيتها. عادة ما تحتوي السيارات المتطورة على مئات من أجهزة الاستشعار، بما في ذلك 30-50 جهاز استشعار MEMS، منها حوالي 10 أجهزة استشعار ضغط MEMS. يمكن لهذه المستشعرات توفير بيانات مهمة لمساعدة شركات تصنيع السيارات على تحسين أداء المحرك وتحسين كفاءة استهلاك الوقود وزيادة سلامة القيادة.

مستهلكى الكترونيات:

مع تطور تطبيقات مثل الملاحة ثلاثية الأبعاد، ومراقبة الحركة، ومراقبة الصحة، أصبح تطبيق أجهزة استشعار الضغط MEMS في الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية شائعًا بشكل متزايد. يمكن استخدام مستشعرات الضغط في أجهزة مثل الهواتف الذكية والأجهزة اللوحية والساعات الذكية لوظائف مثل مقاييس الضغط الجوي ومقاييس الارتفاع والملاحة الداخلية. ويمكن لأجهزة استشعار الضغط في الأجهزة الذكية القابلة للارتداء أيضًا مراقبة مؤشرات التمارين والصحة مثل معدل ضربات القلب والنشاط البدني، مما يوفر بيانات أكثر دقة. بالإضافة إلى ذلك، تُستخدم أجهزة استشعار الضغط MEMS على نطاق واسع في مجالات مثل الطائرات بدون طيار ونماذج الطائرات، حيث توفر معلومات الارتفاع وتتعاون مع أنظمة الملاحة لتحقيق التحكم الدقيق في الطيران.

الصناعة الطبية:

في الصناعة الطبية، تستخدم أجهزة استشعار الضغط MEMS على نطاق واسع في مختلف الأجهزة الطبية وأنظمة الكشف. ويمكن استخدامها للكشف عن ضغط الدم، والتحكم في أجهزة التنفس الصناعي وأجهزة التنفس، ومراقبة الضغط الداخلي، وأنظمة توصيل الأدوية. توفر هذه المستشعرات قياسات ضغط دقيقة لمساعدة العاملين في المجال الطبي في التشخيص والعلاج.

الأتمتة الصناعية:

في مجال الأتمتة الصناعية، تُستخدم أجهزة استشعار الضغط MEMS لرصد العمليات الصناعية المختلفة والتحكم فيها، وتستخدم على نطاق واسع في أنظمة أنابيب السوائل والغاز ومراقبة المستوى والتحكم في الضغط وقياس التدفق. تعد الدقة والموثوقية العالية لهذه المستشعرات ضرورية لضمان استقرار وسلامة العمليات الصناعية.

الفضاء الجوي:

يمكن استخدام أجهزة استشعار الضغط MEMS لاختبار الأداء الديناميكي الهوائي للطائرات والصواريخ، ومراقبة الضغط على ارتفاعات عالية، وجمع بيانات الأرصاد الجوية، والتحكم في ضغط الهواء للطائرات والمعدات الفضائية. إن خصائصها المصغرة وخفيفة الوزن تجعلها مثالية لصناعة الطيران لتلبية المتطلبات البيئية الصعبة.

4. حجم السوق لمستشعر الضغط MEMS

بفضل الاعتماد الواسع النطاق في مختلف الصناعات، ينمو حجم السوق لأجهزة استشعار الضغط MEMS بشكل ملحوظ. ويتوقع يول أن ينمو حجم السوق العالمية لأجهزة استشعار الضغط الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS) من 1.684 مليار دولار أمريكي إلى 2.215 مليار دولار أمريكي في الفترة 2019-2026، بمتوسط ​​معدل نمو سنوي مركب يبلغ حوالي 5%؛ وارتفعت الشحنات من 1.485 مليار وحدة إلى 2.183 مليار وحدة، بمتوسط ​​معدل نمو سنوي مركب 4.9%. مع تزايد الطلب على حلول استشعار الضغط الدقيقة والموثوقة، من المتوقع أن يتوسع سوق أجهزة استشعار الضغط MEMS بشكل كبير في السنوات القادمة، مما يوفر العديد من الفرص للمصنعين والموردين في هذا المجال.