Flow sensing with a piezoresistive silicon nanowire-based MEMS force sensor

Abstract

Microelectromechanical systems (MEMS) flow sensors are essential for measuring fluid dynamics in various applications, including industrial process control and biomedical devices. The primary types of MEMS flow sensors are thermal, piezoelectric, and piezoresistive. Most piezoresistive sensors are designed using either cantilever-based or diaphragm-based structures, which, while effective, pose certain limitations regarding fabrication complexity and sensitivity. Piezoresistive MEMS sensors leverage the resistance change of a material under mechanical strain, converting mechanical or thermal stimuli into measurable resistance changes by exploiting the piezoresistive effect. These sensors are gaining popularity due to their advantages, such as electrostatic force immunity, simple read-out circuitry, low noise, scalability, ease of integration, and miniaturization potential. Miniaturization enhances resonance frequencies, reduces power requirements and overall footprint, and boosts speed and sensitivity with a higher signal-to-noise ratio, particularly through piezoresistive silicon nanowires. In this work, a microfabricated MEMS force sensor with Piezoresistive Si NWs (<110> orientation and p-type doping of 1017/cm3) is used as a miniaturized and highly sensitive electromechanical transducer in the developed sensor. MEMS sensor is directly exposed to a gas nozzle, where its shuttle deflects as a function of the applied flow. Characterization work is conducted under gas flow using a custom Arduino setup, which incorporates a pressure sensor and solenoid valve to monitor and control the gas flow. The flow is applied to the MEMS sensor through a pipette tip connected to a micropositioner, secured with a 3D-printed component. Six sensors were evaluated for detecting high flow rates within the range of 23 to 57.7 m/s, achieving a power consumption of less than one nW, significantly lower than that of thermal flow sensors and representing the lowest reported for piezoresistive flow sensors. The sensors also demonstrated a sensitivity as high as 8.291×10-4 m-1s, among the highest for piezoresistive sensors of similar small sensing areas. The suggested approach, densely packs the MEMS sensors into an array format by taking advantage of downsizing using piezoresistive NWs. In this configuration, every sensor serves as a measurement pixel. This arrangement makes it possible to analyze velocity gradients in microscale flows. Its high versatility enables the testing of micro/nano diffusers and nozzles, micro/pico satellite propulsion systems, and the monitoring of microfluidic flows. The sensor's high sensitivity, low power consumption, and wide detection range make it an effective tool for advanced flow measurement applications in various fields.

Mikroelektromekanik sistemler (MEMS) bazlı akış sensörleri, endüstriyel süreç kontrolü ve biyomedikal cihazlar da dahil olmak üzere çeşitli uygulamalarda akışkan dinamiklerini ölçmek için kullanılmaktadır. MEMS akış sensörlerinin başlıca türleri termal, piezoelektrik ve piezorezistif sensörlerdir. Çoğu piezorezistif sensör, üretim karmaşıklığı ve hassasiyetle ilgili belirli sınırlamalar getiren kantilever tabanlı veya diyafram tabanlı yapılar kullanılarak tasarlanmıştır. Piezorezistif MEMS sensörleri, piezorezistif etkiden yararlanarak mekanik gerilim altındaki bir malzemenin direnç değişimini kullanarak mekanik veya termal uyarıcıları ölçülebilir direnç değişikliklerine dönüştürür. Bu sensörler, elektrostatik kuvvet duyarsızlığı, basit okuma devreleri, düşük gürültü, ölçeklenebilirlik, entegrasyon kolaylığı ve küçültme potansiyeli gibi avantajları nedeniyle giderek popülerlik kazanmaktadır. Küçültme, rezonans frekanslarını artırır, güç gereksinimlerini ve genel boyutu azaltır ve özellikle piezorezistif silikon nanotel kullanımıyla daha yüksek bir sinyal-gürültü oranı ile hız ve hassasiyeti kazanır. Bu çalışmada, geliştirilen sensörde minyatürleştirilmiş ve yüksek hassasiyetli bir elektromekanik dönüştürücü olarak, Piezoresistif Si NW'ler (<110> yönelimi ve 1017/cm3 p-tipi katkılama) içeren mikroüretimli bir MEMS kuvvet sensörü kullanılmıştır. MEMS sensörü, gaz akışı uygulandığında mekiğin sapmasına neden olan bir gaz nozülüne doğrudan maruz bırakılmıştır. Karakterizasyon çalışması, bir basınç sensörü ve solenoid valf içeren özel bir Arduino sistemi kullanılarak gaz akışı altında gerçekleştirilmiştir. Akış, 3D yazıcıyla üretilmiş bir bileşenle sabitlenmiş bir mikro konumlandırıcıya bağlanan bir pipet ucu aracılığıyla MEMS sensörüne uygulanmıştır. Altı sensör, 23 ile 57.7 m/s arasında yüksek akış hızlarını algılamak amacıyla değerlendirilmiş ve bir nW'den az güç tüketimi gözlemlenmiştir. Bu güç tüketimi, termal akış sensörlerine göre önemli ölçüde daha düşük olup, piezorezistif akış sensörleri için bildirilen en düşük seviyedir. Sensörler ayrıca benzer küçük algılama alanlarına sahip piezorezistif sensörler arasında en yüksek değerlerden biri olan 8.291×10-4 m-1s hassasiyetini göstermiştir. Önerilen yaklaşım, piezorezistif NW'ler kullanılarak boyut küçültmenin avantajlarından yararlanarak MEMS sensörlerini bir dizi formatında yoğun bir şekilde paketlemektedir. Bu konfigürasyonda, her bir sensör bir ölçüm pikseli olarak hizmet vermektedir. Bu düzenleme, mikroskobik akışlardaki hız gradyanlarını analiz etmeyi mümkün kılar. Yüksek çok yönlülüğü sayesinde mikro/nano difüzörler ve nozüller, mikro/piko uydu tahrik sistemleri ve mikro akışkan akışların izlenmesi test edilebilir. Sensörün yüksek hassasiyeti, düşük güç tüketimi ve geniş algılama aralığı, onu çeşitli alanlardaki gelişmiş akış ölçüm uygulamaları için etkili bir araç haline getirmektedir.