High Performance SWCNT Pressure Sensor

في هذا النموذج ، تمت دراسة تصميم ومحاكاة أنبوب نانوي كربوني على مستشعر ضغط دائري قائم على الحجاب الحاجز. تم استخدام الأنابيب النانوية أحادية الجدار للتحقق من حساسية أفضل. تمت دراسة تأثير تغيير الضغط على الإزاحة وكثافة التيار وإجهاد فون ميزس باستخدام CNTs واحد ومجموعة من الأنابيب النانوية الكربونية. وقد لوحظ أن زيادة الضغط أدى إلى زيادة الإزاحة وكثافة التيار وإجهاد فون ميزس. كانت الحساسية المحققة لـ 1.428 * 10 ^ -11µA \ Pa SWCNTs. علاوة على ذلك ، تم دراسة تأثير تغيير القطر على مقاومة الأنابيب النانوية الكربونية وفجوة الطاقة. اختار تصميمنا حدود القطر من 1 نانومتر إلى 4 نانومتر. وجد أن رفع القطر أدى إلى تقليل فجوة نطاق الطاقة من 0.426 فولت إلى 0.10 فولت ، كما أدى إلى تقليل المقاومة من 2143 كيلو أوم إلى 543 كيلو أوم عند الصفر.            In the current model, designed and simulated Carbon nanotubes (CNTs) on a circular diaphragm-based piezoresistive pressure sensor was studied. Single-walled Carbon nanotubes (SWCNTs) were used to check better sensitivity. The impact of altering the pressure on the displacement, current density, and von Mises stress was studied using a single CNTs and an array of CNTs. It was observed that increasing the pressure resulted in an increase in displacement, current density, and von Mises stress. The attained sensitivity of SWCNTs was 1.428*10^-11µA\Pa. Moreover, the effect of changing diameter on the resistance of CNT and the energy bandgap was studied. The design of the current study picked the diameter limits from 1nm to 4nm. It was found that raising the diameter led to reducing the energy bandgap from 0.426 eV to 0.10 eV and decreased the resistance from 2143kΩto 543kΩ at zero strain

실리콘 기판 위에 효율적으로 집적한 기압 센서와 FET형 가스 센서

학위논문 (박사) -- 서울대학교 대학원 : 공과대학 전기·정보공학부, 2020. 8. 이종호.Sensor technology is becoming increasingly important to improve the quality of human life. Especially, various kinds of sensor technology have become essential due to increasing demand for smart mobile devices, automobiles and household appliances. Furthermore, as many types of sensors are installed on smart devices, it is more important to integrate different sensors in the IoT era. If multiple types of sensors are efficiently integrated with CMOS circuit on a single substrate, the footprint and power consumption could be reduced. Gas sensors are not only for detecting harmful gases, but also for improving indoor air quality and detecting diseases. The conventional resistor-type gas sensors have a simple structure and a simple manufacturing process, but they are large in size and have high power consumption. On the other hand, FET-type gas sensors can be fabricated very small in size and compatibly integrated with CMOS circuits, and they are easy to integrate with other types of sensors. In addition, built-in localized micro-heater can minimize power consumption of the FET-type gas sensors. In this dissertation, barometric pressure sensors and Si FET-type gas sensors are efficiently integrated on the same Si substrate using conventional MOSFET fabrication process. The barometric pressure sensors have built-in temperature sensors to accurately measure the atmospheric pressure according to the ambient temperature. In addition, the FET-type gas sensor has a localized micro-heater capable of heating up to 124 ºC with a power of 4 mW. NO2 gas sensing is successfully achieved with this gas sensor. Air-gap with a depth of 2.5 μm are formed in the Si substrate and used as the cavity for the barometric pressure sensor and as an insulating layer for the FET-type gas sensor. In addition, poly-Si with Boron ion implantation is used as the piezo-resistors of the barometric pressure sensor, the electrode of the temperature sensor, and the FG and micro-heater of the FET-type gas sensor at the same time. In this way, the barometric pressure sensors and the FET-type gas sensors are efficiently integrated using CMOS compatible fabrication process. The barometric pressure sensor has a built-in temperature sensor that can measure ambient temperature and atmospheric pressure at the same time. The measured atmospheric pressure varies with ambient temperature, but with a designed neural network, accurate atmospheric pressure can be obtained with an accuracy of 97.5 %.사물 인터넷 (IoT) 시대를 맞이하여 삶의 질을 개선하기 위한 센서 기술들이 점차 중요해지고 있다. 특히, 각종 스마트 기기들을 비롯한 자동차 및 가전 제품에 대한 센서 기술들이 필수적이 되고 있다. 아울러, 다양한 종류의 센서들의 통합 및 집적 기술이 주목받고 있다. 여러 유형의 센서들을 단일 기판에서 CMOS 회로와 효율적으로 통합하면 전력 소모를 줄일 수 있으며, 제조 단가 또한 낮출 수 있다. 다양한 센서기술 중 가스 센서는 유해 가스 감지뿐만 아니라 실내 공기 질 개선 및 질병 감지에 사용될 것으로 예상된다. 종래의 저항 형 가스 센서는 구조가 간단하며 제조 공정이 단순하지만 크기가 크고 전력 소비가 높은 편이다. 한편, FET 형 가스 센서는 매우 작은 크기로 제작이 가능하며 CMOS 회로와 호환 가능하다. 또한 내장된 마이크로 히터 (Micro-Heater)를 사용하게 되면 FET 형 가스 센서의 전력 소비를 최소화 시킬 수 있다. 본 논문에서는 기압 센서와 Si FET 형 가스 센서를 MOSFET 제조 공정기술을 사용하여 단일 실리콘 (Silicon) 기판에 효율적으로 집적하였다. 제작된 기압 센서는 온도 센서를 내장하고 있어서 주변 온도에 따른 대기압을 정확하게 측정 가능하다. 또한 FET 형 가스 센서는 4 mW의 전력으로 최대 124 ˚C까지 가열 할 수 있는 국부화 된 마이크로 히터를 내장하고 있다. 이 가스 센서로 이산화 질소가스 (NO2)의 농도를 측정하였다. 2.5 μm 깊이의 에어 갭 (Air-gap)을 Si 기판에 형성하고 이 에어 갭은 기압 센서의 공동 (Cavity) 및 FET 형 가스 센서의 절연 층으로 사용하였다. 또한, 붕소(Boron) 이온을 주입한 다결정 실리콘 (Poly-Si)은 기압 센서 및 온도 센서의 전극, FET 형 가스 센서의 플로팅 게이트 (Floating-gate), 그리고 마이크로 히터의 전극으로 동시에 사용하였다. 이러한 방식으로 기압 센서, FET 형 가스센서는 CMOS 호환 제조 공정을 사용하여 효율적으로 단일기판에 집적하였다. 기압 센서는 주변 온도와 대기압을 동시에 측정 할 수 있는 온도 센서를 내장하고 있으며, 주변 온도에 따른 대기압을 신경망을 통하여 97.5 %의 정확도로 측정할 수 있다.Chapter 1. Introduction 1 1.1. Sensor technology 1 1.1.1. Various types of sensors 1 1.1.2. Conventional MEMS sensors 2 1.2. Barometric pressure sensors 5 1.2.1. MEMS barometric pressure sensors 5 1.2.2. Diaphragm of barometric pressure sensors 6 1.2.3. Cavity in barometric pressure sensors 7 1.2.4. Types of barometric pressure sensors 9 1.3. Gas sensors 12 1.3.1. Resistor-type gas sensors 12 1.3.2. FET-type gas sensors 13 1.3.3. Heater and air-gap in gas sensors 17 1.4. Integration of various types of sensors 21 1.5. Purpose of research 22 1.6. Dissertation outline 23 Chapter 2. Device structure and fabrication 24 2.1. Integration of different sensors 24 2.2. Structure of barometric pressure sensors 26 2.2.1. Air pocket of barometric pressure sensors 26 2.2.2. New design of piezo-resistor 28 2.3. Structure of FET-type gas sensors 32 2.3.1. Structure and layout of FET-type gas sensors 32 2.4. Device fabrication 35 2.4.1. Key fabrication process 35 2.4.2. Formation of sensing material on FET-type gas sensors 47 Chapter 3. Device characteristics 49 3.1. Characteristics of barometric pressure sensors 49 3.1.1. Device simulation 49 3.1.2. Measurement setup 56 3.1.3. Measurement results 59 3.2. Characteristics of temperature sensors and micro-heater 63 3.2.1. Temperature sensor and its characteristics 63 3.2.2. Micro-heater of the gas sensors 70 3.3. Characteristics of gas sensors 77 3.3.1. I-V characteristics and nonvolatile functionality of FET-type gas sensors 77 3.3.2. Gas sensing mechanism 79 3.3.3. Gas measurement results 83 3.4. MLP neural network 86 Chapter 4. Conclusion 89 Bibliography 91 Abstract in Korean 100Docto

3D Printed Graphene Piezoresistive Microelectromechanical System Sensors to Explain the Ultrasensitive Wake Tracking of Wavy Seal Whiskers

Many marine animals perform fascinating survival hydrodynamics and perceive their surroundings through optimally evolved sensory systems. For instance, phocid seal whiskers have undulations that allow them to resist noisy self-induced vortex-induced vibrations (VIV) while locking their vibration frequencies to wakes generated by swimming fishes. In this work, fully 3D-printed microelectromechanical systems (MEMS) sensors with high gauge factor graphene nanoplatelets piezoresistors are developed to explain the exquisite sensitivity of whisker-inspired structures to upstream wakes. The sensors are also used to measure natural frequencies of excised harbor (Phoca vitulina) and grey (Halichoerus grypus) seal whiskers and determine the effect of whisker orientation on the VIV, which can explain the possible natural orientation of whiskers during active hunting. Experimental investigations conducted in a recirculating water flume show that whisker-inspired sensors successfully sense an upstream wake located up to 10× the whisker diameter by locking to the frequency of the wake generator, thus mimicking the sensing mechanism of the seal whisker. The combination of VIV reduction and frequency-locking with the upstream wake generator demonstrates the whisker-inspired sensor's high signal-to-noise ratio, indicating its efficiency in long-distance wake sensing as well as its potential as an alternative to visual and acoustic sensors in underwater robots

Design, Simulation And Analysis Of Piezoresistive Microcantilever For Biosensing Applications

Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2016Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2016Son on yılda, çeşitli araştırma çalışmaları, Biyolojik Mikroelektromekanik Sistem (Bio-MEMS) biyosensörlerinin Deoksiribonükleik Asit (DNA), proteinler, Bakteri ve Antijenler gibi biyomolekülleri belirleme yeteneğini ortaya koydu. Ancak, numunelerde tespit edilmesi gereken analitlerin düşük konsantrasyonundan dolayı, sensörün çıktısına ufak bir sinyal neden olur. Buna cevap olarak, numunedeki birkaç analitin bulgulanmasına yanıt olarak yüksek çıktı sinyali verebilen optimize edilmiş bir biyosensör için bir ihtiyaç ortaya çıkmıştır; Nihai hedef tek bir biyomoleküle yapışmayı ölçülebilir bir miktara dönüştürmektir. Bu amaçla, basit, ucuz, oldukça hassas ve daha önemlisi analitlerin optik etiketlenmesine ihtiyaç duymadığı için (Etiketsiz), MEMS mikrokantilever tabanlı biyosensörler umut verici bir algılama çözümü olarak ortaya çıkmıştır. Farklı mikrokandilever ileten teknikler arasında, piezoresistif tabanlı mikrokantilever biyosensörler, ucuz, yüksek hassasiyetli, minyatür olan, sıvı ortamlarda iyi çalışan ve entegre okuma sistemi olan cazip bir çözüm gibi gözükmektedir. Literatürde piezoresistif mikrokolantların hassasiyetini arttırmaya odaklanan birçok yayın olmasına rağmen, sırf birkaç tasarım ve işlem parametresini optimize etmeyi düşündükleri için sonuçta elde edilen hassaslık arttırmaları pratik uygulamalar için yetersiz kalıyordu. Literatürde yapılan çalışmanın analizinden sonra, Piezoresistif mikrokandilöre dayalı sensörlerin hassasiyetini arttırmak için optimize edilebilen / kullanılabilen parametreler / yaklaşımlar: kantilever boyutları, kantilever Malzemesi, kantilever şekli, Piezoresistör malzemesi, Piezoresistör Doping seviyesi, Piezoresistör Boyutları, Piezoresistörün konumu, Stres konsantrasyon Bölgesinin (SCR) şekli ve konumu. Bu çalışmada, tüm tasarım ve işlem parametrelerinin duyarlılık üzerindeki etkisini analizi yapıldıktan sonra, kademeli optimizasyon yaklaşımı geliştirilmiş. Bu yaklaşımında neredeyse tüm parametreleri , her adımda biri olmak üzere, değiştirerek öbtimsyon yapılmış ve öyleyse hassasiyet maksimum düzeyde olmasını sağlamıştır. Bu çalışma boyunca, sensör performansını simüle etmek için ticari bir Sonlu Elemanlar Analizi (FEA) aracı olan COMSOL Multiphysics 5.0 kullanıldı. Her bir optimizasyon adımında, aynı uygulanan kuvvet için piezoresistor bölgelerindeki gerilimi en üst düzeye çıkaracak ve yoğunlaştıracak şekilde parametrenin optimize edilmesi hedefi daha yüksek duyarlılık elde etmektir. Toplamda, son optimize edilmiş sensörü elde etmek için neredeyse 46 farklı simülasyon yapıldı. Biyolijik uygulamalarında kullanılan etkileşimli kuvvetler onlarca ila yüzlerce pN arasında olduğu için, bu sensörde kullanılacak 25 ila 250 pN aralığı seçilmiştir. Optimizasyon işlemindeki tüm simülasyonlar sırasında 250 pN'lik bir toplam xxvi dağıtılmış kuvvet, analitlerin sensöre bağlanmasını temsil eden Altın katmanın üzerine uygulanır. Başlangıç olarak sırasıyla uzunluk, genişlik ve kalınlık için boyutları (200μm × 120μm × 1.5μm) olan dikdörtgen bir tek kristal Silicon Microcantilever kullanılmıştır. Konsolun üst kısmında, analitlerin tutturulması için 100μm × 100μm × 0.2μm Gold katmanı kullanılırken, piezo rezistanslı algılama için 20μm × 5μm × 0.5μ dikdörtgen polisilik piezoresistor kullanılır. Burada kullanılan piezoresistor, 1 x 1016 cm-3 'lük bir p-tipi dopant yoğunluğuna, 400 nm'lik bir kalınlığa ve 1V'lık uyarılma voltajına sahiptir. Dikdörtgen bir konsoldan başlamak üzere piezoresistor malzemesi ve doping seviyesi iki aşamada optimize edilmiştir. Piezistoristor malzemesi değiştiğinde (tek kristal silikon ve Poly-silikon), tek kristal silikon durumunda ΔR / R duyarlılığının daha yüksek olduğu bulundu. Fakat bu sensör tasarımı için, hassasiyet kristal yönüne bağlı olmayan, sensör imalatı daha kolay, daha ucuz ve ITUnano laboratuarında gerçekleştirilebildiğinden, piezoresistor malzemesi olarak polisilikon seçilmiştir. Sonra, doping düzeyini 1 x 1015 cm-3 ile 1 x 1020 cm-3 aralığında değiştirerek ve ΔR / R hassasiyetini hesaplayarak, aşağıdaki simülasyonlar boyunca kullanılacak doping seviyesi belirlendi. 1 × 1018 cm -3 doping seviyesinin, termal gürültü etkisini azaltacak kadar yüksek olduğu, aynı zamanda duyarlılığın da o kadar fazla etkilemediği görülmektedir. Böylece, bu doping seviyesi tüm sonrakı simülasyonlar boyunca seçildi ve kullanıldı. Daha sonra konsol malzemesi, aynı uygulanan kuvvet için maksimum gerilme ve sapma sağlayan malzeme bulmak için çeşitlendirilir. Beklendiği gibi, farklı konsol malzemeler, farklı maksimum sapma ve gerilme değerleri verdi. Elde edilen bulgulara göre, Silikon Dioksit (SiO2) düşük genç modül değerleri nedeniyle diğer malzemelere kıyasla en yüksek azami sapma ve gerilme değerlerine sahip olduğu bulundu.Tekli kristal silikon (başlangıç konsol malzemesi) durumunda olduğu gibi SiO2'nin neredeyse 2.5 kat daha yüksek sapma ve 1.7 kat daha yüksek hassaslık ile sonuçlandı ve böylece bu biyosensörün konsol malzemesi olarak SiO2 seçildi ve aşağıdaki optimizasyon adımlarda kullanıldı. Daha sonra, çeşitli konsol şekilleri (Dikdörtgen, Pi-şekli, T-şekli, Trapezoid, Kademeli-Trapezoid ve Üçgen) tanıtıldı ve her şekil için boyutlar, işlem ve cihaz sınırlamaları göz önünde bulundurularak değiştirildi. Bütün bu simülasyonların sonuçları, maksimum hassaslığı veren optimize şekli bulmak için karşılaştırıldı. Dikdörtgen şekil mikrokantilever optimizasyon adımı sırasında konsol kalınlığının konsol uzunluğu ve genişliğindeki değişimle karşılaştırıldığında sensör hassasiyeti üzerinde en yüksek etkiye sahip olduğu bulunmuştur. Konsol kalınlığı 3μm ve 1.5μm arasında değiştiğinde, konsol kalınlığı azaldığında duyarlılık arttığı bulundu. 1.5μm kalınlıktaki konsolun kullanılması, 3μm kalınlıktaki konsoldan 4 kat daha fazla yüksek hassasiyet göstermiştir. Böylece, 1.5μm son optimize konsol kalınlığı olarak seçildi. Konsol uzunluğu 150μm ila 350μm arasında değiştirildiğinde, konsol uzunluğu arttıkça hassasiyet artmaktadır. Elde edilen sonuçlara göre, 350μm uzunluğunda konsolun 150μm uzunluğundaki konsoldan yaklaşık 3.5 kat daha yüksek bir xxvii hassaslık verdiğini görüyoruz. Böylece, 350μm son optimize konsol uzunluğu olarak seçildi. Konsol genişliği 120μm ve 250μm arasında değiştirildiğinde, konsol genişliği arttıkça hassasiyet azalmaktadır. Elde edilen sonuçlara göre, 120μm genişlikli konsolun 250μm genişliğinde konsoldan 2.4 kat daha yüksek bir hassaslık verdiğini görüyoruz. Böylece, 120μm son optimize konsol genişliği olarak seçildi. Buna ek olarak, farklı dikdörtgen mikrokantilever boyutları optimize edildikten sonra (uzunluk, genişlik ve kalınlık), duyarlılık 18.3x kat arttı. Ayrıca, dikdörtgen konsol yapısına (T şekli) iki yan delik eklenmesi, duyarlılığı 1,6 oranında arttırmıştır. Farklı trapezoid biçimli konsollardan elde edilen sonuçlardan, sıkıştırılmış konsol kenarı ile serbest kenar arasındaki 1:4 oranındaki yapının en yüksek maksimum von Mises stresini ve en yüksek duyarlılığı verdiğini görülebilir. Bunların 1:1'lik durumundan (optimize edilmiş dikdörtgen konsol) neredeyse 2.5 kat daha fazla hassasiyet vardır. Böylece, bu tasarım optimize edilmiş yamuk şeklinde konsol tasarımı olarak seçildi. Farklı basamaklı trapezoid şekilli konsollardan elde edilen sonuçlara göre, sıkıştırılmış konsol kenarı ile serbest kenara arasındaki oran 1: 4 olan yapıda, en yüksek maksimum von Mises gerilmesi ve en yüksek duyarlılık görülürken, bunun neredeyse 2.5 kat arttığı görülmektedir 1: 1'den daha büyüktür (optimize edilmiş dikdörtgen konsol). Böylece, bu tasarım optimize edilmiş basamaklı trapez şeklinde konsol tasarımı olarak seçildi. Aynı uygulanan kuvvet için, trapez şeklinde mikrokancilever tasarımı, başlangıç sensöründen 46 kat daha fazla daha yüksek hassasiyet vermiştir Hassasiyet), Kademeli-Trapezoid şekli en fazla azami sapma göstermiştir. Ardından, daha fazla duyarlılık geliştirme arayışında olan farklı konum ve yönlerde optimize trapezoid yapıda Stres Yoğunlaştırma Bölgesi (SCR) tanıtıldı. Simülasyonlardan, kelepçelenmiş konsol kenarından 15μm uzakta bulunan optimize edilmiş trapezoid yapıya 30μ × 10μm SCR dikdörtgen bir delik açılmasının, diğer konumlara kıyasla en iyi hassasiyet değerini veren neredeyse 1.6x kat daha fazla hassasiyet artışı sağladığı bulundu. Nihai sensör duyarlılığı, uygulanan kuvvete karşı dirençteki normalize edilmiş değişim açısından -1.5×10-8 Ω/Ω ⁄pN 'ye eşittir. Bu, her bir 1pN (10-10 g) için biyomoleküllerin bu biyosensöre tutunması için, piezoresistor direnci 1.5×10-8 Ω kadar azalacaktır. Başlangıç sensörüne kıyasla, son sensör tasarımı 73.5x kat daha iyi ΔR / R duyarlılığı sağlamış ve daha önce literatürde bildirilen diğer sensör tasarımlarına göre daha duyarlıdır. Bu sensörün üretim sırası hazırlanmış ancak ITUnano laboratuvarında bulunan bazı cihazlarda teknik problemler nedeniyle sensör üretilmemiştir. Gelecekteki bir çalışma olarak, önerilen imalat dizisi sensörü imal etmek ve sonuçları simülasyon sonuçları ile karşılaştırmak için kullanılacaktır. Simülasyon sonuçlarına göre, konsol kalınlığı ve piezoresistor kalınlığı sensör hassasiyetini kolayca etkiler. Bu tasarımda silisyum dioksit konsol ve polisilikon piezoresistor için en düşük kalınlık sınırı olarak 1.5μm ve 0.5μm ayarlandı. Aynı tasarım için bu malzemelerin daha ince katmanlarının kullanılması duyarlılığın daha da artmasına neden olacaktır.In the past decade, several research works demonstrated the ability of Biological Microelectromechanical System (Bio-MEMS) biosensors to detect of biomolecules such as Deoxyribonucleic Acid (DNA), proteins, Bacteria and Antigens. But due to the low concentration of the analytes that need to be detected in the samples,a minuscule signal results in the output of the sensor. In response to this, a need arisen for an optimized biosensor capable of giving high output signal in response the detection of few analytes in the sample; the ultimate goal is being able to convert the attachment of a single biomolecule into a measurable quantity. For this purpose, MEMS microcantilevers based biosensors have emerged as a promising sensing solution because it is simple, cheap, highly sensitive and more importantly does not need analytes optical labeling (Label-free). Among the different microcantilever transducing techniques, piezoresistive based microcantilever biosensors seem to be a more attractive solution being cheap, high sensitive, miniature, works well in liquid environments and having integrated readout system. Even though there are many publications in literature that concentrated on increasing the piezoresistive microcantilevers sensitivity, they only considered in optimizing few design and process parameters thus the resultant sensitivity enhancements are not good enough for practical applications. After the analyzation of the work found in literature, it was found that the parameters/approaches that be can be optimized/used to enhance the sensitivity of Piezoresistive microcantilever-based sensors are: Cantilever dimensions, Cantilever Material, Cantilever Shape, Piezoresistor's material, Piezoresistor's doping level, Piezoresistor's Dimensions, Piezoresistor's position, Stress concentration Region's (SCR) shape and position. In this study, after a systematic analyzation of the effect of each design and process parameters on the sensitivity, a step-wise optimization approach was developed in which almost all these parameters were variated one at each step while fixing the others to get the maximum possible sensitivity at the end. Throughout this work, COMSOL Multiphysics 5.0, a commercial Finite Element Analysis (FEA) tool, was used to simulate the sensor performance. At each optimization step, the goal was to optimize the parameter in such a way that it maximizes and concentrates the stress in piezoresistors region for the same applied force thus get the higher sensitivity. In total, almost 46 different simulations were done to get the final optimized sensor. Starting with a rectangular cantilever, the piezoresistor material and doping level were optimized in two steps. When the piezoresistor material was varied (single crystal silicon and Poly-silicon), it was found that the ΔR⁄R sensitivity is higher in the case of single crystal silicon. xxiv But for this sensor design, polysilicon has been chosen as the piezoresistor material because it’s sensitivity does not depend on the crystal orientation, the sensor fabrication is easier, cheaper and can be realized in ITUnano laboratory. Next, by changing the doping level in the range between 1×1015 cm−3 to 1×1020 cm−3 and calculating the ∆R/R sensitivity, the doping level that will be used throughout the following simulations was determined. It was found that, 1×1018 cm−3 doping level is high enough to reduce the thermal noise effect, at the same time it does not be affected the sensitivity that much. Thus this doping level was chosen and used throughout the following simulations. Afterward, the cantilever material is varied to find the material that gives maximum stress and deflection for the same applied force. It was found that SiO2 resulted into almost 2.5x higher deflection and 1.7x higher sensitivity when compared to single crystal silicon (the starting cantilever material) case thus SiO2 has been selected as the cantilever material for this biosensor and it is used in the following optimization steps. Next, various cantilever shapes (Rectangular, Pi-shape, T-shape, Trapezoid, SteppedTrapezoid, and Triangular) were introduced, and for each shape, the dimensions were varied bearing in mind the process and device limits. The results from all these simulations were compared to find the optimized shape which gives the maximum sensitivity. During the rectangular shape microcantilever optimization step, it was found that the cantilever thickness has the highest effect on the sensor sensitivity when compared to the change in cantilever length and width. In addition to that, after the different rectangular microcantilever dimensions were optimized (length, width and thickness), the sensitivity increased 18.3x folds. Also, adding two side holes to the rectangular cantilever structure (T-shape) increased the sensitivity by 1.6 factor. Overall, for the same applied force, the trapezoid-shaped microcantilever design gave higher sensitivity (more than 46x times greater than the starting sensor sensitivity) whereas the stepped-trapezoid shaped gave the highest maximum deflection. Afterward, Stress Concentration Region (SCR) was introduced in the optimized trapezoid structure in different locations and orientations seeking for further sensitivity enhancement. From the simulations, it was found that adding a 30µ×10µm SCR rectangular hole to the optimized trapezoid structure 15µm away from the clamped cantilever edge, resulted in almost 1.6x times sensitivity enhancement which gave the best sensitivity value compared to the other positions. Regarding the normalized change in resistance to the applied force the final sensor’s sensitivity equals to -1.5×10-8 Ω/Ω ⁄pN; this means that for each 1pN (10-10 g) biomolecules attach to this biosensor; the piezoresistor resistivity will decrease by 1.5×10-8 Ω. When compared to the starting sensor, the final sensor design gave 73.5x times better ΔR⁄R sensitivity and it is more sensitive than the other sensor designs previously reported in the literature. The fabrication sequence for this sensor was prepared, but due to technical problems in some of the devices found in ITUnano laboratory, the sensor has not been fabricated.Yüksek LisansM.Sc

Electromechanical Piezoresistive Sensing in Suspended Graphene Membranes

Monolayer graphene exhibits exceptional electronic and mechanical properties, making it a very promising material for nanoelectromechanical (NEMS) devices. Here, we conclusively demonstrate the piezoresistive effect in graphene in a nano-electromechanical membrane configuration that provides direct electrical readout of pressure to strain transduction. This makes it highly relevant for an important class of nano-electromechanical system (NEMS) transducers. This demonstration is consistent with our simulations and previously reported gauge factors and simulation values. The membrane in our experiment acts as a strain gauge independent of crystallographic orientation and allows for aggressive size scalability. When compared with conventional pressure sensors, the sensors have orders of magnitude higher sensitivity per unit area.Comment: 20 pages, 3 figure

Effect of Different Wheatstone Bridge Configurations on Sensitivity and Linearity of MEMS Piezoresistive Intracranial Pressure Sensors

Monitoring of intracranial pressure for traumatic brain injured patients is very critical.  Many intracranial pressure monitoring systems use the MEMS piezoresistive pressure sensor to measure the signal.  The piezoresistive pressure sensor is very sensitive to temperature change.  Hence, the Wheatstone bridge circuit is normally employed in this type of sensor to lessen the effect of temperature variation.  This paper presents the effect of using different configurations of Wheat-stone bridge on the sensitivity and linearity performances of the piezoresistive intracranial pressure sensor.  Six designs comprise of 3-turns meander shaped piezoresistors ranging from full-bridge to quarter-bridge were simulated using COMSOL Multiphysics.  Based on the simulation results, the number and position of active piezoresistors were found to greatly influence the sensitivity of the sensor.  The latter also influenced the sensors’ linearity error.  The active perpendicular piezoresistor produced the higher change in resistance which gave rise to higher sensitivity, while at the same caused the higher nonlinearity performance.  Overall, the piezoresistive intracranial sensor comprises of full-bridge Wheat-stone circuit produces the highest sensitivity and medium linearity

Out-of-plane Characterization of Silicon-on-insulator Multiuser MEMS Processes-based Tri-axis Accelerometer

In this paper, we discuss the analysis of out-of-plane characterization of a capacitive tri-axis accelerometer fabricated using SOI MUMPS (Silicon-on Insulator Multi user MEMS Processes) process flow and the results are compared with simulated results. The device is designed with wide operational 3 dB bandwidth suitable for measuring vibrations in industrial applications. The wide operating range is obtained by optimizing serpentine flexures at the four corners of the proof mass. The accelerometer structure was simulated using COMSOL Multiphysics and the displacement sensitivity was observed as 1.2978 nm/g along z-axis. The simulated resonant frequency of the device was found to be 13 kHz along z axis. The dynamic characterization of the fabricated tri-axis accelerometer produces the out-of-plane vibration mode frequency as 13 kHz which is same as the simulated result obtained in z-axis

An Efficient Design of the Piezoresistive Pressure Sensor Applied for Micro Aerial Vehicle

In this research, the developing process of a piezoresistive pressure sensor working in the atmosphere environment applied in micro aerial vehicle using the MEMS fabrication method is introduced. The sensor consists of four Au/Cr piezoresistors in a Wheatstone bridge configuration on a wet oxidized silicon diaphragm. To fabricate the sensor, three lithographic steps were conducted: the first one is to define the resistors and Au/Cr lines/pads, the second and the third ones are to determine the width and the thickness of the square SiO2/Si diaphragm, respectively. The sensor diaphragm shape and thickness were defined by the anisotropic etching of Si in tetramethylammonium hydroxide (TMAH) solution, and the resistors array are formed by sputtering and wet etching method. The sensor size is ~6000 µm by 6000 µm. The sensor output voltage was measured for various applied pressure levels from 0 to 1.2 bar with 5V voltage supply. The fabricated sensor also exhibits a sensitivity of 50.01 mV/bar

An Efficient Design of the Piezoresistive Pressure Sensor Applied for Micro Aerial Vehicle

In this research, the developing process of a piezoresistive pressure sensor working in the atmosphere environment applied in micro aerial vehicle using the MEMS fabrication method is introduced. The sensor consists of four Au/Cr piezoresistors in a Wheatstone bridge configuration on a wet oxidized silicon diaphragm. To fabricate the sensor, three lithographic steps were conducted: the first one is to define the resistors and Au/Cr lines/pads, the second and the third ones are to determine the width and the thickness of the square SiO2/Si diaphragm, respectively. The sensor diaphragm shape and thickness were defined by the anisotropic etching of Si in tetramethylammonium hydroxide (TMAH) solution, and the resistors array are formed by sputtering and wet etching method. The sensor size is ~6000 µm by 6000 µm. The sensor output voltage was measured for various applied pressure levels from 0 to 1.2 bar with 5V voltage supply. The fabricated sensor also exhibits a sensitivity of 50.01 mV/bar