Design and analysis of novel structural geometries for piezoresistive pressure sensors allowing improved measurement sensitivity

Li, Chuang (2018). Design and analysis of novel structural geometries for piezoresistive pressure sensors allowing improved measurement sensitivity. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. Industriales (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.51157.

Description

Title: Design and analysis of novel structural geometries for piezoresistive pressure sensors allowing improved measurement sensitivity
Author/s:
  • Li, Chuang
Contributor/s:
  • Ocaña Moreno, José Luis
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2018
Subjects:
Faculty: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Department: Otro
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

Los sensores de presión piezorresistivos (MEMS por sus siglas en inglés) son ampliamente utilizados en las industrias automotriz, aeroespacial y petroquímica debido a su pequeño tamaño, circuito de lectura simple, capacidad de fabricación por lotes y bajo precio. Sin embargo, existen dos inconvenientes para los sensores estructurales tradicionales de sustrato de silicio. Una es el compromiso entre sensibilidad y linealidad que es difícil de mejorar simultáneamente para la membrana plana tradicional. Otro es la corriente de fuga a más de 125 °C de temperatura a través de la unión p-n, lo que degrada significativamente el rendimiento. Por lo tanto, las últimas investigaciones se han centrado en el desarrollo de nuevas estructuras y nuevos materiales para desarrollar sensores de presión de alta precisión y alta temperatura. En la presente tesis doctoral, se propone un nuevo sensor de presión piezorresistivo estructural con membrana de ranura anular combinada con viga de rodadura para mediciones de baja presión basadas en el sustrato SOI. Técnicas para el diseño mecánico y el análisis han sido utilizadas para poner de manifiesto de forma teórica el mecanismo de trabajo de las ranuras anulares y el travesaño. Solo mediante la disposición de un perfil de tensión altamente concentrado (HCSP por sus siglas en ingles) y una membrana parcialmente rigidizada (PSM por sus siglas en ingles), se alivió la contradicción entre sensibilidad y linealidad. Debido al doble perfectionamiento tanto para la sensibilidad como la linealidad creado por esta nueva estructura, la sensibilidad y la linealidad lograron una mejora simultánea. Uno de los desarrollos logrados en esta tesis fue que las dimensiones de la membrana sensible fueron optimizadas mediante la combinación de la simulación FEM y el método de ajuste polynomial de curvas. Sobre la base del ajuste multivariable, se dedujeron las relaciones entre las variables de dimensión estructural y el rendimiento mecánico, lo que hizo que los procesos de fabricación fueran más eficientes. De acuerdo con la teoría estadística, el coeficiente de determinación R2 y la suma residual de cuadrados RSS se introdujeron para indicar si las ecuaciones de ajuste y las curvas coincidían bien con la simulación. En base a esos resultados, se determinó una serie de las dimensiones óptimas. Además de estudiar el efecto de las dimensiones de la membrana en el rendimiento mecánico, también se analizó el efecto de la estructura de la membrana en las características de salida. La forma, el tamaño y la ubicación de los piezoresistores jugaron un papel importante en las características de salida. En comparación con otras membranas estructurales, el sensor propuesto logra varias ventajas, como el tamaño micro, alta sensibilidad, baja no linealidad y comportamiento dinámico estable. De acuerdo con el análisis mecánico anterior y la optimización de la estructura, se determinó la estructura del sensor propuesto. El chip sensor se realizó con éxito mediante los procesos de micro fabricación de MEMS. Después del ensamblaje, el sensor propuesto se probó a diferentes temperaturas y se evaluó su rendimiento. Los resultados experimentales mostraron que el sensor obtuvo una sensibilidad de 30.9 mV/V/psi, una presión no lineal de 0.25% FSS y una precisión de 0.34% en el rango operativo de 0-1 psi a temperatura ambiente. En términos de tamaño micro, sensibilidad y linealidad, el sensor propuesto obtuvo un buen rendimiento, por lo que fue adecuado para ser aplicado en la medición de una presión absoluta menor a 1 psi. ----------ABSTRACT---------- MEMS piezoresistive pressure sensors are widely used in automobile, aerospace and petrochemical industries due to their small size, simple reading circuit, batch fabrication capability and low price. However, there are two drawbacks for the traditional structural silicon substrate sensors. One is from the trade-off between sensitivity and linearity which are difficult to be improved simultaneously for the traditional flat membrane. Another is from the leakage current above 125 °C temperature across the p-n junction, which will significant degrade the performance. Thus, researchers have focused on the development of novel structures and new materials for developing high accuracy and high temperature pressure sensors. In this thesis work, a novel structural piezoresistive pressure sensor with fourgrooved membrane combined with rood beam has been proposed for low pressure measurements based on silicon on insulator (SOI) substrate. The mechanical design and analysis were used to theoretically illustrate the working mechanism of the grooves and the rood beam. Just because of the forming of a high concentrated stress profile (HCSP) and partially stiffened membrane (PSM), the contradiction between sensitivity and linearity was alleviated. Owing to the double improvements for the sensitivity and linearity, the accuracy of the sensor achieved a large improvement. One of the developments accomplished in this thesis was that the dimensions of the sensitive membrane were optimized by the combination of FEM simulation and curve fitting method. On the basis of multivariate fitting, the relationship between structural dimension variables and mechanical performance was deduced, which made the fabrication processes more efficient. According to statistics theory, the coefficient of determination R2 and residual sum of squares RSS were introduced to indicate whether the fitting equations and curves matched well with the simulation. After that, a series of the optimal dimensions were determined. In addition to studying the effect of the membrane dimensions to the mechanical performance, the effect of membrane structure on output characteristics was also analyzed. The shape, size and location of piezoresistors played an important role in the output characteristics. Compared with other structural membranes, the proposed sensor achieves several advantages including micro size, high sensitivity, low nonlinearity, and stable dynamic behavior. According to the previous mechanical analysis and structure optimization, the structure of the proposed sensor was determined. The sensor chip was successfully realized by MEMS micromanufacture processes. After the assembling, the proposed sensor was tested at different temperatures and the results were evaluated. Experimental results showed that the sensor obtained a sensitivity of 30.9 mV/V/psi, a pressure nonlinearity of 0.25% FSS and an accuracy of 0.34% in the operating range of 0-1 psi at room temperature. In terms of micro size, sensitivity and linearity, the proposed sensor obtained a good performance, so it was suitable to be applied in measuring absolute low pressure.

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Item ID: 51157
DC Identifier: http://oa.upm.es/51157/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:51157
DOI: 10.20868/UPM.thesis.51157
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 05 Jun 2018 07:20
Last Modified: 04 Dec 2018 23:30
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