Nederlands
Menu

Capacitieve versus piëzoresistieve MEMS-sensoren: principe, verbruik en toepassingen

MEMS-versnellingssensoren en -druksensoren zetten de mate waarin een massa of membraan door een kracht beweegt of doorbuigt om in een elektrisch signaal. Een capacitieve sensor meet de verplaatsing via de verandering van de capaciteit tussen een beweegbare en een vaste elektrode. Het verbruik is laag en temperatuur heeft weinig invloed, maar omdat de verandering uiterst klein is, is een gevoelige, specifieke schakeling nodig. Een piëzoresistieve sensor gebruikt het effect dat de soortelijke weerstand van silicium verandert onder mechanische spanning, en leest dat uit met een brugschakeling. De schakeling is eenvoudig en het uitgangssignaal goed hanteerbaar, maar omdat er continu stroom loopt is het verbruik hoger, en compensatie van de temperatuurafhankelijkheid is onmisbaar.

KenmerkCapacitiefPiëzoresistief
MeetprincipeVerandering van de capaciteit tussen beweegbare en vaste elektrodeVerandering van de soortelijke weerstand door mechanische spanning (piëzoresistief effect)
Opbouw versnellingssensorEen door veren gedragen massa met kamvormige beweegbare elektroden; het verschil in capaciteit met de vaste elektroden aan beide zijden wordt gemeten (differentieel)Weerstanden worden aangebracht in de balken die de massa dragen; de mechanische spanning bij doorbuiging van de balken wordt gemeten
Opbouw druksensorDe capaciteit tussen een membraan dat door druk doorbuigt en een tegenoverliggende elektrode wordt gemetenVier weerstanden aan de rand van een dun membraan vormen een wheatstonebrug
Uitgelezen signaalZeer kleine capaciteitsverandering (bij versnellingssensoren soms minder dan een fF). Een specifieke ASIC die capaciteit omzet in spanning is nodigDe weerstandsverandering wordt als brugspanning afgenomen. Eenvoudige schakeling
VermogensverbruikLaag. Er loopt geen gelijkstroomHoger. Er loopt continu gelijkstroom door de brug
Invloed van temperatuurGeringWeerstandswaarde en gevoeligheid veranderen sterk met de temperatuur; temperatuurcompensatie is vereist
Gevoeligheid en resolutieMet differentiële elektroden en een gevoelige schakeling zijn kleine versnellingen en minieme drukken eenvoudig met hoge resolutie te metenGoede lineariteit van het uitgangssignaal. Gevoeligheid relatief laag, maar ook geschikt voor het meten van hoge drukken en schokken
Meting in rust (constante kracht)Mogelijk (ook de zwaartekracht is meetbaar)Mogelijk (ook de zwaartekracht is meetbaar)
Bestendigheid tegen storingenGevoelig voor parasitaire capaciteit van de bedrading en elektrische ruis; de schakeling wordt dicht bij de sensor geplaatstLage impedantie, weinig last van parasitaire capaciteit
FabricageGemaakt met onder meer surface micromachining; eenvoudig samen met de schakelingschip in een kleine package onder te brengenMembraan en balken voornamelijk gemaakt met bulk micromachining; weerstanden gevormd door ionenimplantatie of diffusie
Belangrijkste toepassingenVersnellingssensoren en gyroscopen in onder meer smartphones, MEMS-microfoons, zuinige luchtdruksensorenDruk in automotoren en banden, bloeddrukmeters, industriële drukmeters, versnellingssensoren voor schokken

De getalswaarden zijn typische ordegroottes en variëren per procesgeneratie en product.

Wanneer welke variant?

Capacitief
Wanneer het verbruik laag moet zijn in apparaten op batterijen, wanneer stabiliteit nodig is in een omgeving met grote temperatuurwisselingen, of wanneer kleine veranderingen met hoge resolutie moeten worden gemeten.
Piëzoresistief
Wanneer de schakeling eenvoudig moet zijn, wanneer lineariteit en eenvoudige verwerking van het uitgangssignaal belangrijk zijn, of bij het meten van hoge drukken of schokken.
Aandachtspunten bij de keuze
De prestaties van een echt product hangen niet alleen af van de sensorstructuur, maar ook sterk van de bijbehorende schakeling, de temperatuurcompensatie en de package. Vergelijk verbruik, meetbereik, nauwkeurigheid en temperatuurbereik in de datasheets en kies op basis daarvan.

Veelgestelde vragen

Zijn piëzoresistief en piëzo-elektrisch hetzelfde?

Nee. Het piëzoresistieve effect is de verandering van de soortelijke weerstand onder mechanische spanning; er wordt een stroom doorgestuurd en de weerstandsverandering gemeten. Het piëzo-elektrische effect is het ontstaan van lading in een materiaal onder mechanische spanning. Bij een piëzo-elektrische sensor lekt de lading weg als een constante kracht aanhoudt, waardoor een constante versnelling zoals de zwaartekracht moeilijk te meten is, terwijl een piëzoresistieve sensor die wel kan meten.

Waarom zijn versnellingssensoren in smartphones capacitief?

Omdat het verbruik laag is, temperatuur weinig invloed heeft en ze eenvoudig samen met de schakelingschip in een kleine package passen. De capaciteitsverandering is uiterst klein, maar wordt uitgelezen met differentiële elektroden en een gevoelige schakeling.

Waarom is temperatuurcompensatie nodig bij piëzoresistieve sensoren?

Omdat zowel de weerstandswaarde van silicium als de grootte van de weerstandsverandering per mechanische spanning (de gevoeligheid) met de temperatuur verandert. Door de vier weerstanden als brug te schakelen wordt een deel van de invloed opgeheven; de rest wordt gecorrigeerd met een compensatieschakeling of kalibratie.

Test uw begrip

Wat is het detectieprincipe van een capacitieve MEMS-versnellingssensor?

  1. AVerandering van de weerstand door temperatuurverandering
  2. BVerandering van de capaciteit tussen elektroden door de verplaatsing van het bewegende deel (de massa)
  3. CVerandering van het interferentiepatroon van licht
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: B. Verandering van de capaciteit tussen elektroden door de verplaatsing van het bewegende deel (de massa)

Wanneer een versnelling optreedt, beweegt de aan veren opgehangen massa door traagheid en verandert de afstand tot de kamvormige vaste elektroden. De verandering van de capaciteit wordt met een schakeling gedetecteerd om de versnelling te bepalen. De verplaatsing is hooguit enkele nm en de capacitieve verandering hooguit enkele fF (10⁻¹⁵ F), maar deze wordt met een differentiële elektrodeopbouw en een gevoelige schakeling uitgelezen. Vanwege de eenvoudige opbouw, het lage vermogen en de geringe temperatuurgevoeligheid wordt dit type veel in smartphones toegepast.

Welke uitspraak over het piëzoresistieve effect, toegepast in onder meer halfgeleider-druksensoren, is juist?

  1. AHet effect waarbij de elektrische weerstand van een materiaal verandert onder mechanische spanning
  2. BHet effect waarbij belichting een spanning opwekt
  3. CHet effect waarbij een magnetisch veld de stroomrichting afbuigt
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: A. Het effect waarbij de elektrische weerstand van een materiaal verandert onder mechanische spanning

Bij silicium verandert onder mechanische spanning de bandstructuur van het kristal, waardoor de soortelijke weerstand tientallen malen sterker verandert dan bij metalen rekstrookjes (piëzoresistief effect). Als op de rand van een dun membraan dat onder druk vervormt vier weerstanden worden aangebracht en de weerstandsverandering met een Wheatstone-brug wordt gedetecteerd, wordt druk omgezet in een elektrisch signaal. Het wordt gebruikt voor motor- en bandenspanning van auto's, bloeddrukmeters en barometers; temperatuurcompensatie is de sleutel in het ontwerp.

Wat is de gangbare methode waarmee een MEMS-microfoon geluid in een elektrisch signaal omzet?

  1. ADe temperatuurverandering van een weerstand die door geluid opwarmt detecteren
  2. BDe hoeveelheid licht van een door geluid lichtgevend element detecteren
  3. CDe verandering van de capaciteit tussen een door geluidsdruk trillend membraan en een vaste elektrode detecteren
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: C. De verandering van de capaciteit tussen een door geluidsdruk trillend membraan en een vaste elektrode detecteren

Een gangbare MEMS-microfoon vormt een condensator met een dun membraan (diafragma) van ongeveer 1 µm dik dat door geluidsdruk trilt en een geperforeerde vaste elektrode (backplate); de capaciteitsverandering door de trilling van het membraan wordt door een ASIC in dezelfde behuizing in een elektrisch signaal omgezet. Ze zijn kleiner dan conventionele elektreetcondensatormicrofoons, bestand tegen de warmte van solderen en hebben gelijkmatige eigenschappen; in smartphones worden meerdere exemplaren gebruikt, onder meer voor ruisonderdrukking.

  1. Wat is bij een wheatstonebrug van vier weerstanden R1, R2, R3 en R4 (R1 en R2 in serie, R3 en R4 in serie, en die twee groepen parallel) de voorwaarde waarbij geen stroom tussen de middens van de twee groepen vloeit (evenwicht)?
  2. Wat is de juiste reden dat een MEMS-versnellingssensor ook in rust een versnelling van ongeveer 1 G detecteert?

Oefenvragen over MEMS en sensoren

Belangrijke termen uitgelegd

Capacitieve detectie
Methode om verplaatsing, druk enzovoort te detecteren uit de verandering van de capaciteit tussen een beweegbare en een vaste elektrode. Veel gebruikt in MEMS-sensoren.
Piëzoresistief effect
Effect waarbij de elektrische soortelijke weerstand van een materiaal verandert onder mechanische spanning. Is bij silicium bijzonder groot en wordt gebruikt voor onder meer halfgeleiderdruksensoren.
Versnellingssensor
Sensor die versnelling detecteert uit de beweging van een kleine, aan veren opgehangen massa. Wordt gebruikt voor oriëntatiedetectie in smartphones, airbags enzovoort.
MEMS
Micro-elektromechanische systemen. Componenten waarin met microfabricagetechnieken voor halfgeleiders kleine mechanische structuren en elektronische schakelingen zijn gecombineerd.

Verwante vergelijkingen