Análise teórica de um microssensor de pressão MEMS

Abstract

A tecnologia MEMS é uma tecnologia capaz de detectar e reagir a estímulos externos naturais, sendo que de forma mais geral, é uma tecnologia que pode ser definida por elementos mecânicos e eletromecânicos microestruturados. O microssensor de pressão possui um leque de campos de aplicações, desde a indústria automotiva, segurança e até mesmo a área da medicina. Este trabalho tem como objetivo principal estudar teoricamente as propriedades da piezoresistividade do silício dopado para obter as curvas características do sensor de pressão (tensão X pressão) e compará-las com os resultados obtidos anteriores de forma experimental e através do simulador multifísico COMSOL. Primeiramente foi feita uma análise teórica da variação das resistências em função da pressão, baseando-se na deformação da membrana que, varia as dimensões e a resistividade dos piezoresistores consequentemente o seu valor ôhmico. Sabendo as dimensões iniciais dos piezoresistores, ou seja, sem aplicação de pressão, obteve-se o valor de Voffset = 357,47mV, sendo o valor experimental Voffset = 371,22mV e o simulado 321,16mV, resultando em uma variação de 4% e 11% respectivamente. Foi feita a correção da largura da membrana, devido à corrosão anisotrópica do substrato de silício em KOH, de 5 mm para 4,815 mm, consequentemente foi corrigida também a pressão diferencial de 0 kPa a 170 kPa. Foi verificado que os piezoresistores estavam parcialmente na membrana com 43,08% para R1, R4 e 34,67% para R2, R3. As variações dos resistores tiveram valores menores, porém resultaram em uma variação de tensão de saída mais coerente com os resultados obtidos experimentalmente e simulados. Verificouse que a sensibilidade do microssensor resultou em 1,32 μV/KPa/V tendo uma diferença de 40% e 51% respectivamente em relação aos resultados experimentais e simulados.

MEMS technology is a technology that can detect and react to natural external stimuli, and more generally, it is a technology that can be defined by microstructured mechanical and electromechanical elements. The pressure microsensor has a wide range of application fields, from the automotive industry, security, and even the medical field. This work has as main objective to study theoretically the properties of piezoresistivity of doped silicon to obtain the characteristic curves of the pressure sensor (voltage X pressure) and to compare them with the previous results obtained experimentally and through the multiphysics simulator COMSOL. First, a theoretical analysis of the resistance variation as a function of pressure was performed, based on the deformation of the membrane, which in turn varies the dimensions and resistivity of the piezoresistors, consequently its ohmic value. Knowing the initial dimensions of the piezoresistors, i.e., without applying pressure, the value of Voffset = 357.47mV was obtained, with the experimental value Voffset = 371.22mV and the simulated value 321.16mV, resulting in a variation of 4% and 11% respectively. Correction was made to the membrane width, due to anisotropic corrosion of the silicon substrate in KOH, from 5mm to 4.815mm, consequently the differential pressure was also corrected from 0 kPa to 170 kPa. The piezoresistors were found to be partially inside the membrane with 43.08% for R1, R4 and 34.67% for R2, R3. The resistor variations had smaller values but resulted in an output voltage variation more consistent with the experimentally and simulated results. It was verified that the microsensor sensitivity resulted in 1.32 V/KPa/V having a difference of 40% and 51% respectively in relation to the experimental and simulated results.