Sensores de pressão
O componente pequeno com uma imensa responsabilidade
Quase 2 bilhões de sensores de pressão são produzidos anualmente. Esse número impressionante se deve à versatilidade dos sensores de pressão. Capazes de detectar pressões desde alguns milibares até milhares, eles desempenham funções vitais em uma ampla variedade de indústrias. Além dos setores automotivo e médico, eles podem ser encontrados em aplicações de consumo, industriais, aviônicas e outras aplicações de alto nível.
Como os sensores de pressão acionam o setor automotivo
Produtos de vidro de configuração padrão para sensores de pressão
Sejam processados como vidro exposto ou estruturados, o vidro e os wafers de vidro da SCHOTT oferecem a combinação ideal de alta resistência química, baixa condutividade elétrica e térmica, além de excelente capacidade de resistência a sensores de pressão altamente precisos. O excepcionalmente plano e homogêneo vidro BOROFLOAT® 33 é perfeito para a embalagem de sensores MEMS, graças à sua adequação para a ligação anódica. Se for necessário um formato muito fino (0,3 mm ou menos), pode ser usado o MEMpax®. Os substratos e wafers de vidro estruturados SCHOTT FLEXINITY® aumentam ainda mais a funcionalidade, com estruturas personalizadas que aumentam a eficácia e reduzem os custos.
1. Um mercado imenso para um componente pequeno
Quase 2 bilhões de sensores de pressão são produzidos anualmente, um número que deve crescer cerca de 7% ao ano. O maior mercado de sensores de pressão está no setor automotivo, que usa mais da metade das unidades produzidas hoje – cerca de 10 para cada carro novo. Além de desempenhar um papel fundamental nos Sistemas de Monitoramento da Pressão dos Pneus (TPMS), os sensores de pressão também são usados para verificar a pressão de fluidos críticos, como o óleo do motor e da transmissão. Acrescente aplicações como ativação do airbag e detecção de ocupação do assento para verificar o uso do cinto de segurança, e temos um dos componentes mais importantes para a segurança do carro.
2. Como funciona um sensor de pressão
Os sensores de pressão são uma combinação altamente interativa de componentes eletrônicos complexos e materiais de embalagem robustos. No coração de um sensor de pressão está a matriz de silício MEMS ligada, uma estrutura extremamente sensível que inclui uma membrana pequena e muito fina que se curva com a pressão aplicada. Essa pressão é detectada por piezorresistores no topo da membrana e convertida, através de mudança de resistência, em um sinal elétrico, que é calibrado e avaliado por um circuito integrado para aplicação específica (ASIC).
O segredo para o desempenho geral da matriz de silício MEMS é o pedestal abaixo do silício, que fornece um furo passante de alta precisão para guiar a pressão que transmite fluido ou gás em direção à membrana. O vidro é o material ideal para esses pedestais, uma vez que tem baixa condutividade elétrica e térmica, alta resistência química, estruturabilidade excepcional e um coeficiente de expansão térmica (CTE) correspondente ao silício.
3. Princípio da ligação anódica
No centro da precisão, confiabilidade e longevidade de um sensor de pressão de alto desempenho está a união entre o componente de embalagem de vidro de borossilicato e a unidade funcional de silício. A ligação é formada eletroquimicamente no nível do wafer por um processo de ligação anódica a uma temperatura de cerca de 400 °C e tensão de até 2.000 V, unindo os componentes químicos no vidro e no silício. Essa ligação precisa ser forte e estável, contribuindo para a alta resistência elétrica, térmica e química exigida pela solução de embalagem da matriz.
Vantagens dos substratos e wafers de vidro
O Prof. Dr. Roy Knechtel explica a importância da embalagem eficaz para sensores de pressão baseados em MEMS e por que o vidro é o material ideal.
Os principais mercados de sensores de pressão baseados em MEMS* são aplicações automotivas, médicas, industriais e de consumo. Os requisitos atuais e futuros diferem de aplicação para aplicação nesses segmentos. Nos setores automotivo, médico e industrial, os desenvolvedores de produtos se concentram em melhorar a precisão, estabilidade de longo prazo e robustez – levando também em consideração os ambientes adversos.
Para aplicações de alto volume para os consumidores, o desafio é aumentar a demanda por miniaturização a baixo custo.
(*Sistema microeletromecânico)
A embalagem das matrizes MEMS de silício sensíveis à tensão mecânica é altamente importante, pois ela determina o desempenho geral do sistema. Para o que se chama de embalagem de primeiro nível, há três tarefas principais:
- fornecer desacoplamento por estresse e isolamento eletrônico ao módulo final e ao pacote de nível do sistema,
- permitir uma pressão de referência hermeticamente vedada e
- fornecer proteção adicional, por exemplo, a meios adversos.
Com a crescente necessidade de um melhor desempenho do sistema de sensor de pressão, as soluções de embalagem de vidro estão enfrentando desafios contínuos. Matrizes menores que permitem um maior número de matrizes por wafer. Isso requer tolerâncias mais rígidas no posicionamento do furo e diâmetro dos wafers de pedestal do sensor de pressão estruturado. Melhor realizar em vidro que é o mais fino possível para reduzir a espessura geral do dispositivo, mas mantendo o recurso de isolamento de tensão.
Com o portfólio de vidro estruturado FLEXINTY® de ultra-alta precisão, em combinação com o MEMpax®, um material “irmão” ultrafino, livre de defeitos de superfície e polimento do conhecido BOROFLOAT® 33, uma solução à base de vidro de alto desempenho agora está disponível para atender às demandas futuras do mercado de sensores de pressão.
