Development of SOI MEMS-based silicon strain gauges for fuel cell electric vehicle

김진웅 Garduate School, Korea University 2019 국내박사

Hydrogen gas is attracting much attention as a next-generation fuel to replace fossil fuels that have a problem of resource depletion and environmental pollution. The reason is that when hydrogen gas is used in fuel cells, it is an environmentally friendly material that is more efficient than gasoline vehicles and can reduce carbon emissions. A hydrogen fuel cell vehicle with these advantages has a built-in fuel tank that stores hydrogen, and a stable pressure sensor is essential for this fuel tank. In other words, a high-sensitivity silicon strain gauge is indispensable to constitute a pressure sensor system capable of continuously monitoring the loading state of hydrogen gas in the fuel cell automobile sector, which mainly uses hydrogen gas. The recently commercialized hydrogen pressure sensor diaphragm is made of stainless steel 316L to prevent hydrogen embrittlement. This material has a larger coefficient of thermal expansion than any other material. Therefore, it is very difficult to completely attach the strain gage chip to this diaphragm without any post-misalignments such as break, rotation and movement. It is very important that the gauge is attached to the metal diaphragm because the output performance of the pressure sensor, such as durability and reliability, depends on the quality of the silicon strain gauge. Many post-misalignments occur due to the stress caused by the coefficient of thermal expansion (CTE) mis-match between the substrate and the diaphragm of the conventional gauge. Open-type silicon strain gages have been commercialized to address this problem, but it is much more difficult to automate the alignment and bonding processes because the gages are open and fragile, requiring more manufacturing cost and time. In this thesis, I present a new half-bridge silicon strain gauge fabricated on a silicon-on-insulator (SOI) substrate by MEMS bulk micromachining technology that can compromise the problems presented above. These gauges have holes etched through the wafer by deep reactive ion etching (DRIE) and a closed shape with four sides, unlike the current competitive devices with open structures. This unique design minimizes the shifting or gating position and enhances the bonding strength during glass-frit bonding, leading to improved sensor performance and yield, and thus a reduction in sensor cost. In addition, the ratio of the area of the through hole to the total area of the chip is optimized based on the results of the post-misalignments test using gauges having various through hole ratios, and an asymmetric gauge for improving the sensitivity is presented. In order to demonstrate the feasibility of using a hydrogen fuel cell pressure sensor, the prototype half-bridge gages were tested under pressure ranging from 0 bar to 900 bar and showed a linear output with a typical gage factor of about 112 and an average hysteresis of 0.0192 %FSO. In addition, the full bridge output for 0-900 bar shows a typical sensitivity of about 0.0086 mV/V/bar, a maximum thermal zero shift of -3.1 %FSO, and a thermal sensitivity shift of -15.12 %FSO.

SUS630 다이아프램을 이용한 실리콘 스트레인 게이지식 로드셀

문영순 경북대학교 대학원 2011 국내석사

Load cell is a force sensor and a transducer that is used to convert a physical force into electrical signal for weighing equipment. Most conventional load cells are widely used metal foil strain gauge for sensor element when force being applied spring element in order to converts the deformation to electrical signals. The sensitivity of these load cell is limited by low gauge factor, hysteresis and creep. but silicon-based sensors perform high reliability. This paper presents the basic design and development of the silicon strain gauge type load cell with SUS630 diaphragm. Structure analysis of load cell was researched by theory to optimize the load cell diaphragm design and to determine the position of peizo-resistor on silicon strain gauge. The load cell consists of two parts, silicon strain gauge and SUS630 structure with diaphragm. Piezo-resistors are integrated in the four points of silicon strain gauge processed by ion implantation. The thickness of the silicon sensing chip was polished by CMP under 100 ㎛. SUS630 was designed for loads up to 10 kg with 200 ㎛, 300 ㎛ and 400 ㎛ diaphragm of 10mm diameter. Load cell was successfully tested, The variation of ΔR(%) of four points on the diaphragm is linearity properties and good sensitivity. We can also measure linearity, hysteresis and creep of silicon strain gauge type load cell. 로드셀(Load cell)은 외부에서 가해지는 물리적인 하중의 변화를 감지하여 이를 전기적인 신호로 변환하는 장치로 하중 측정이 요구되는 상업용 전자저울에서 부터 자동차, 선박, 항공, 공업계측, 제동제어 등 그 용도가 다양하고 폭넓게 사용되고 있는 센서 중의 하나이다. 현재 가장 많이 상용화 되어있는 스트레인 게이지 방식의 로드셀은 외부에서 가해지는 하중의 변화에 비례적으로 변하는 탄성부와 이를 전기적인 신호로 바꿔주는 감지부인 스트레인 게이지로 구성된다. 기존의 스트레인 게이지를 이용한 로드셀의 경우 구조 및 제작이 간단하고 고온 및 고압 등 극한 환경에서도 사용이 가능하지만 감지부로 주로 사용되는 금속 박 스트레인 게이지(metal foil strain gauge)는 저항으로 비저항이 100 Ω 미만의 금속을 사용하며 게이지율이 낮고 감도와 분해능이 떨어지며 스트레인 게이지와 탄성부와의 접착 문제에서 오는 크리프(creep) 현상, 탄성부의 재료가 갖는 히스테리시스(hysteresis) 등으로 인하여 신뢰성 및 안정성이 떨어져, 소형화, 집적화, 다기능화 및 대량생산에 어려움이 있었다. 최근에는 반도체 공정기술과 마이크로머시닝 기술로 제작된 실리콘 압력센서를 활용한 고감도의 로드셀 개발이 활발하게 진행 중에 있다. 실리콘 압력센서는 게이지율(gauge factor)이 크고 히스테리시스가 적으며 집적회로 제조 공정기술을 적용할 수 있는 단결정 실리콘을 사용하여 대량생산이 가능하다. 실리콘 압력센서는 크게 외부 압력에 의해 변형 정도가 달라짐에 따라 정전용량의 변화를 이용한 정전용량형과 저항체가 응력에 따라 저항값이 바뀌게 됨을 이용한 압저항형으로 구분된다. 용량형 압력센서는 감도 및 온도 특성이 우수하나 출력신호로 정전용량을 이용하기 때문에 신호처리에 어려움이 많다. 반면에 압저항형 압력센서는 용량성 압력센서보다 선형성이 우수하고 출력신호 처리가 매우 용이하다. 압저항형 압력센서는 일반적으로 4개의 압저항을 휘트스톤 브리지(Wheatstone bridge)로 구성해서 압력에 의해 발생한 응력에 비례하는 압저항의 저항값 변화를 검출한다. 그러나 휘트스톤 브리지를 이용하는 압력센서에는 여러 가지 원인, 특히 센서를 구성하는 재료들의 열평창계수 차이에 의해 발생하는 4개 저항의 특성 차이 때문에 오프셋(off-set)이 발생하며 그 오프셋이 온도 변화에 영향을 주고 압저항 및 압저항계수가 온도의존성을 갖는 것이 문제가 되고 있다. 특히 확산이나 이온주입법에 의해 만들어진 압저항체는 높은 온도 의존성을 가져 정밀성 및 신뢰성이 높은 압력센서를 제작하는데 문제가 되고 있다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해 압력센서의 온도를 보상해야 되는데 이에는 센서에 보상 저항을 연결하여 보상을 하는 수동적인 방법과 신호처리 회로에서 보상을 하는 능동적인 방법, 시스템에 마이크로프로세서를 사용하여 보상하는 소프트웨어적인 보상법 등이 있다. 본 연구에서는 제작이 간단하고 우수한 전기적·기계적 특성을 가지는 로드셀을 제작하기 위하여 단결정 실리콘 웨이퍼를 기판으로 사용하여 그 위에 이온주입법으로 브리지형 압저항체를 형성한 후 CMP 공정으로 두께 100㎛의 실리콘 스트레인 게이지를 제작하고 표면에 다량의 크롬과 니켈을 함유하고 있어 내부식성과 인장강도, 탄성계수가 매우 높은 스테인레스 재질의 SUS630 다이아프램 구조물에 접착하여 정격 하중 10kg, 분해능 1/1000급의 실리콘 스트레인 게이지식 로드셀을 제작하기 위해 그 특성을 실험하였다.

Ultrathin and stretchable strain gauge array based on single-crystalline-silicon for silent speech recognition with deep-learning algorithm

김관호 Graduate School, Yonsei University 2022 국내석사

The development of modern medical science and technology has cured many diseases. However, disability for the five senses is still a problem that people around the world suffer from, and the number of people with disabilities registered in Korea is steadily increasing every year. Accordingly, many countries and organizations are conducting many studies to overcome obstacles. Among them, we conducted a study to improve the communication problems of the hearing impaired. In the case of the deaf, most of the communication is carried out through sign language or handwriting, but there are cases where it is not possible depending on the situation. We developed the highly sensitive strain gauge array that reads facial muscle movements and a system that can be recognized by humans by classifying words through a deep learning algorithm. For patients who have lost their hearing due to a sudden accident, it takes a lot of time to learn sign language, but it is easy to communicate with others through this system. Through this skin-attachable stretchable strain gauge array, we not only provide a communication system for the deaf but also be applied as an excellent substitute in situations where the people cannot make sound. 현대 의료과학 기술의 발달은 많은 질병들을 치료해왔다. 하지만 오각에 대한 장애는 여전히 전세계 사람들이 고통받고 있는 문제이며, 한국에서 등록되는 장애인 수는 매년 꾸준히 증가하고 있다. 이에 여러 국가 및 단체들은 장애를 극복하기 위한 많은 연구가 진행되고 있다. 우리는 그 중 청각장애인의 의사소통 문제 개선을 위한 연구를 진행하였다. 농아인의 경우 대부분 수화나 수기를 통한 의사소통을 진행하고 있지만 상황에 따라 불가능한 경우가 존재한다. 우리는 얼굴 근육 움직임을 높은 민감도로 읽어내는 스트레인 게이지 어레이를 제작하고 딥러닝 알고리즘을 통해 단어를 분류하여 사람이 인식할 수 있는 시스템을 개발하였다. 갑작스러운 사고로 인해 청각을 잃게 된 환자의 경우 수화를 익히는데 굉장히 많은 시간이 필요하지만 이 시스템을 통한다면 쉽게 다른 사람과의 의사소통이 가능하다. 우리는 이러한 피부부착형 신축성 스트레인 게이지 어레이를 통해 농아인들을 위한 의사소통 시스템을 제공할 뿐만 아니라, 일반인들이 발성을 할 수 없는 상황에서도 훌륭한 대체제로써 적용될 것이다.

Hydraulic Load Cell with Double-Tube Structure using Semiconductor Sensing Unit for WIM System : WIM 시스템을 위한 반도체식 감지부를 사용하는 이중관 구조의 유압식 로드셀

문영순 경북대학교 대학원 2015 국내박사

The Weight-In-Motion (WIM) system is used to measure the dynamic wheel load of a moving vehicle to estimate the corresponding total static load of the vehicle [1,2]. WIM system has very important benefits in traffic monitoring system to reduce the accident frequency rate, fuel consumption and pavement costs [3,4]. Several kinds of WIM sensors have been developed and are commercially available. A banding plate load cell, the most commonly used low-speed WIM sensor, is performed with high accuracy. However, the installation costs are high, and the accuracy is low in the vehicle traveling at high speed due to the slow response time [5]. Whereas, a piezoelectric sensor is substantially low cost, but does not work properly at low speed of less than 20 km/h and shorter lifetime [6,7]. So far, in spite of high accuracy, hydraulic load cell is used for the limited purposes, such as measuring the static load. Because of the pressure in the sensor is significantly changed by the temperature and slow response time by using the corrugated diaphragm that used to overcome the large change in pressure. Therefore, the need for the development of a new structure for the WIM sensors are required. In this paper, the proposed new hydraulic load cell for WIM system is composed of a hydraulic unit and a sensing unit. The hydraulic unit was made by SUS304 as a double-tube structure in order to reduce the pressure changes by temperature using an elastic deformation of the tube and to improve accuracy and to speed up the response time. The sensing unit, a SUS630 bossed diaphragm with a silicon strain gauge (SSG), detects a fine pressure change in the tube caused by an applied load. In general, various types of conventional pressure sensors are used a metal foil strain gauge as a sensing element. The metal foil strain gauge is a common sensing element for detecting the amount of force applied to the spring element in order to convert the deformation into an electrical signal proportional to the applied force. The sensitivity of a traditional pressure sensor is limited by the low gauge factor of the metal. However, semiconductor based sensors have a higher gauge factor and reliability [8]. The semiconductor sensing unit, a SSG with an SUS630 bossed diaphragm, is implemented with a high degree of accuracy and sensitivity [9]. A new hydraulic tube structure for WIM system of a new generation is presented in this paper. The double-tube structure as a hydraulic unit could be reduced over 46 % in pressure changes according to temperature compared to a single-tube structure. Also, the nonlinearity can be reduced by 67.19 % at the same load condition. In addition, weight plates are reduced the nonlinearity of the hydraulic load cell with up to 95.56 % (13.91 %P). The hydraulic load cell of the WIM system shows an excellent linearity and measurement accuracy as experiment results of the static and dynamic load test. WIM (Weight-In-Motion) 시스템은 운행 중인 차량의 각각의 휠 하중을 동적으로 측정하여 정적하중에 해당하는 차량의 총 중량으로 환산하는 계측기이다. WIM 시스템은 교통사고 유발과, 차량의 연료 소모, 도로포장 비용, 교량보수 비용 등을 줄이기 위한 교통관제 시스템에 있어 아주 중요한 역할을 한다. 지금까지 벤드플레이트방식, 정전용량방식, 압전방식, 광학식 센서 등이 개발되어 WIM 센서로 운영 중에 있다. 주로 저속(LS) WIM 센서로 사용되는 벤트플레이트 방식은 하중측정 시 높은 정확도를 보이나 시공비가 많이 소요되고 센서의 응답특성이 느려 고속으로 이동하는 차량의 하중을 측정하기는 힘들다. 반면에 고속(HS) WIM 센서로 사용되는 압전방식의 센서는 비교적 적은 시공비가 요구되나 짧은 수명과 20km/h 이하의 저속으로 이동하는 차량의 하중을 측정시에 정확도가 크게 떨어진다. 고 하중 계측에서 우수한 정확도를 보이는 유압식 로드셀은 정적하중 측정을 위한 제한된 목적으로만 사용되고 있다. 구조물과 유체의 열팽창계수의 차이로 온도에 따른 센서 내부의 압력변화가 크고 이를 극복하기 위해 사용된 주름진(corrugated) 다이아프램으로 인하여 센서의 응답특성이 느려 지금까지 동적하중에 측정에 사용되지 못하고 있다. 본 논문에서 제안된 WIM 시스템을 위한 유압식 로드셀 구조는 크게 유압계통과 압력센서계통으로 구성된다. 유압계통은 이중관(double-tube) 구조로 SUS304로 제작되어 온도의 변화로 발생하는 내부압력의 큰 변화를 관의 탄성변형을 이용하여 줄일 수 있으며 정확도와 응답특성을 높이기 위해 개발되었다. 압력센서계통은 고감도의 실리콘 스트레인 게이지(silicon strain gauge)와 인장 강도가 높은 SUS630을 다이아프램으로 사용하여 하중에 의해 발생하는 유압부의 미세한 압력의 변화를 감지하도록 개발되었다. 통상적으로 사용되는 압력센서에는 금속박 스트레인 게이지(metal foil strain gauge)를 감지부로 사용하고 있다. 금속박 스트레인 게이지는 센서의 탄성부에 인가된 물리적인 변화량을 인가된 힘에 비례하는 전기적 신호로 변환하기 위한 일반적인 감지부이다. 금속재료가 가지는 낮은 게이지율로 인하여 이를 사용하고 있는 전통적인 방식의 압력센서들은 미세한 압력의 변화를 측정하기에는 한계가 있다. 그러나 실리콘 스트레인게이지와 SUS630 보스 다이아프램(bossed diaphragm)을 사용한 반도체식 압력센서는 실험을 통해서 높은 수준의 감도와 정확도를 보였다. 외팔보 변형 실험으로 측정된 실리콘 스트레인게이지의 종방향과 횡방향의 압저항 게이지율은 각각 80.91, -79.57로 게이지율이 2인 금속박 스트레인 게이지에 비해 40배에 가까운 고감도를 보여 주었다. 그리고 일반적인 원형 다이아프램과 보스 다이아프램을 실리콘 스트레인게이지의 디자인에 따라 제작하여 출력전압과 비선형성, 온도의존성 실험으로 압력센서 별로 특성을 분석하고 WIM센서에 적합한 압력센서를 선택하였다. WIM 센서의 유압계통을 개발하기 위해 제작된 실험적인 이중관 구조는 온도에 따른 압력변화 실험에서 단면이 정사각관인 경우 단일관에서 발생하는 압력의 변화를 이중관 구조로 46 %를 줄일 수 있었다. 그리고 하중에 의해 발생하는 관 내부 압력변화의 비선형성을 67.19 %나 줄일 수 있었다. 또한 실제 동적하중 측정을 위해 제작된 WIM 센서는 넓은 하중 면적으로 인하여 유압계통의 제작 시 발생하는 유압관의 표면단차와 하중에 의한 관의 비정상적인 변형으로 높은 비선형을 보이는데 가중판(weight plates)을 이용하여 이를 95.56 % 줄일 수 있었다. 제작된 유압식 로드셀 방식의 WIM 센서는 정적하중 측정과 동적하중 측정에서 우수한 선형성과 높은 정확도를 보였다.

단결정 실리콘 스트레인 게이지 방식의 압력센서에서 온도보상을 위한 응력에 반응하지 않는 온도센서의 제작

류인철 경북대학교 산업대학원 2014 국내석사

(abstract) In this paper, temperature characteristic for the effective temperature compensation method of silicon strain gauge in presented, A p-type resistor of [010] direction on(001) plane for the temperature sensing resistor is detected only the resistance change by the temperature variation. However, it is not detected the deformation of the diaphragm caused by the pressure. Thus, the temperature sensing resistor is able to provide the correct resistance value corresponding to the temperature in the any position of the diaphragm. It is advantageous to use a p-type silicon diffused resistor of <100>equivalent direction on (001) plane for the temperature sensing resistor cause the resistance is dependant on the temperature regardless of the deformation on the diaphragm.

Biomechanical Optimization of Cardiac Valve Repair Operations

Imbrie-Moore, Annabel Mackenzie ProQuest Dissertations & Theses Stanford Universit 2021 해외박사(DDOD)

Valvular heart disease is a highly prevalent and increasingly clinically addressed problem worldwide, with evolving treatment guidelines supporting earlier intervention as well as valve repair over replacement when possible. Most valvular pathologies are rooted in biomechanical changes, such as the nuanced interplay between tissue degeneration, valve kinematics, and cardiac function. However, advances in repair techniques have progressed in the clinical arena primarily based upon anatomic and physiologic premises. Thus, by using biomechanical engineering tools to investigate valvular disease and analyze treatments, quantitative data can be harnessed to optimize surgical repair techniques and devices. An innovative left heart simulator was designed and produced to study the mechanics of mitral and aortic valve specimens throughout the cardiac cycle. This ex vivo analysis enables rapid and safe testing of surgical operations and offers new insight into the nuances of valvular disease and repair.This dissertation first details significant advancements to heart simulator technology: the development of low-profile chordal strain gauges, coupled image-guided robots to replicate papillary muscle motion, and two mitral annular dilation devices. Building on this heart simulator technology foundation, novel disease models were developed and analyzed: Barlow’s mitral valve disease, aortic regurgitation from cusp prolapse, and bicuspid aortic valve disease. Finally, facilitated by the simulator and modeling advancements, I analyzed contemporary operative techniques and devices: valve-sparing root replacement, posterior ventricular anchoring neochordal repair, and transapical neochordal repair devices. A novel artificial papillary muscle device was also designed and tested to integrate with current minimally invasive mitral valve repair devices under trials. The research outlined herein has resulted in a significant clinical impact on aortic and mitral valve repair, and this work will continue to serve as a foundation for future investigations of clinical therapies for valve disease that can be rapidly translated to intraoperative patient care.

Design and Calibration of Stress Sensors on 4H-SiC

Chen, Jun Auburn University ProQuest Dissertations & Theses 2022 해외박사(DDOD)

Stresses in electronic packages due to thermal and mechanical loadings can cause premature mechanical failures such as fracture of die, severing of connections, die bond failure, solder fatigue, and encapsulant cracking. Therefore, there is a desire to have some type of non-intrusive measurement device compatible with current processing techniques to effectively detect and measure the stresses in electronic packages. Stress sensors integrated on silicon ICs represent a powerful tool for experimental evaluation of die stress distributions, but silicon’s upper temperature range is limited by its relatively low bandgap energy. Stress sensors made with wide bandgap semiconductor such as 4H silicon carbide (4H-SiC) offer the advantage of much higher temperature operation and can be utilized to monitor stresses in high-voltage, high-power SiC devices and have applications in deep well drilling, geothermal plants, and automotive and aerospace systems, to name a few.In this work, the piezoresistive behavior of 4H-SiC material has been studied. The general expressions for the stress dependence of resistors and van der Pauw devices on standard 4H-SiC wafers have been established. Stress sensors were proposed to detect in-plane normal stresses, shear stress and out-of-plane normal stress.The lateral and transverse piezoresistive coefficients of 4H-SiC were calibrated using four-point bending method and the out-of-plane piezoresistive coefficients were measured using the combination of four-point bending method and hydrostatic method.The theory for the stress dependence of NMOS transistors on 4H-SiC was also developed. The stress model for NMOSFETs includes the classic mobility terms plus a new term describing changes in threshold voltage. The longitudinal and transverse piezoresistive coefficients for NMOSFETs were calibrated. It has been found that the developed model agrees well with the measurements.Since the devices are usually fabricated on the tilted 4H-SiC wafer plane, this study also evaluated the impact of the off-axis wafer plane on 4H-SiC and silicon stress sensors. The errors induced by such off-axis wafer were found to be highly dependent on the magnitude of fundamental piezoresistive coefficients and stress distributions on chips.A study on elastic properties of 4H-SiC was conducted and 4H-SiC was confirmed to be a transversely isotropic material. The in-plane elastic modulus and Poisson’s ratio were characterized using the strain gauge method, and the out-of-plane elastic modulus was measured with nanoindentation technique. The experimental results were compared with theoretical predictions made using semiconductor first principal calculations.Finally, the designed piezoresistive stress sensors were used to characterize the stresses on the die surface within an encapsulated package. Finite element simulations were also performed, and correlated well with the experimental results.

Design, Fabrication and Integration of Large-scale Stretchable Strain Sensor Networks

Chen, Xiyuan ProQuest Dissertations & Theses Stanford Universit 2021 해외박사(DDOD)