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

Resumen

RESUMEN Los sensores de presión piezorresistivos (MEMS por sus siglas en ingles) 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 ultimas 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. Tecnicas 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 disposicion 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 simultanea. 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 evaluao 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.