Piezoresistive pressure sensor with high sensitivity for medical application using peninsula-island structure

Abstract

A novel micro-electromechanical systems piezoresistive pressure sensor with a diagonally positioned peninsula-island structure has high sensitivity for ultra-low-pressure measurement. The pressure sensor was designed with a working range of 0–500 Pa and had a high sensitivity of 0.06 mV·V⁻¹·Pa⁻¹. The trade-off between high sensitivity and linearity was alleviated. Moreover, the influence of the installation angle on the sensing chip output was analyzed, and an application experiment of the sensor was conducted using the built pipettor test platform. Findings indicated that the proposed pressure sensor had sufficient resolution ability and accuracy to detect the pressure variation in the pipettor chamber. Therefore, the proposed pressure sensor has strong potential for medical equipment application.

Key words： MEMS; low pressure sensor; peninsula-island; ultra-high sensitivity; medical application

Acknowledgements

This work was supported in part by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 51375378, 91323303, and 51421004), the National Key Research & Development (R&D) plan (Grant No. 2016YFB1200103-04), the 973 Program (Grant No. 2015CB057402), and the 111 Program (Grant No. B12016).

References

1 Druzhinin A, Lavitska E, Maryamova I. Medical pressure sensors on the basis of silicon microcrystals and SOI layers. Sensors and Actuators B: Chemical, 1999, 58(1–3): 415–419

2 Kattavenos N, Lawrenson B, Frank T G,  Force-sensitive tactile sensor for minimal access surgery. Journal Minimally Invasive Therapy & Allied Technologies, 2004, 13(1): 42–46

3 Pramanik C, Saha H. Low pressure piezoresistive sensors for medical electronics applications. Materials and Manufacturing Processes, 2006, 21(3): 233–238

4 Barlian A A, Park W T, Mallon J R,  Review: Semiconductor piezoresistance for microsystems. Proceedings of the IEEE, 2009, 97(3): 513–552

5 Welham C J, Greenwood J, Bertioli M M. A high accuracy resonant pressure sensor by fusion bonding and trench etching. Sensors and Actuators A: Physical, 1999, 76(1–3): 298–304

6 Cheng R, Li C, Zhao Y,  A high performance micro-pressure sensor based on a double-ended quartz tuning fork and silicon diaphragm in atmospheric packaging. Measurement Science and Technology, 2015, 26(6): 065101

7 Li Z, Zhao L, Jiang Z,  An improved method for the mechanical behavior analysis of electrostatically actuated microplates under uniform hydrostatic pressure. Journal of Microelectromechanical Systems, 2015, 24(2): 474–485

8 Chattopadhyay M, Chowdhury D. A new scheme for reducing breathing trouble through MEMS based capacitive pressure sensor. Microsystem Technologies, 2016, 22(11): 2731–2736

9 Qing D, Xing D, Jun Y,  Fiber loop ring-down optical fiber grating gas pressure sensor. Optics and Lasers in Engineering, 2010, 48(12): 1262–1265

10 Yasukawa A, Shimazoe M, Matsuoka Y. Simulation of circular silicon pressure sensors with a center boss for very low pressure measurement. IEEE Transactions on Electron Devices, 1989, 36(7): 1295–1302

11 Shimazoe M, Matsuoka Y, Yasukawa A,  A special silicon diaphragm pressure sensor with high output and high accuracy. Sensors and Actuators, 1981–1982, 2: 275–282

12 Matsuoka Y, Yamamoto Y, Shimazoe M,  Differential pressure/pressure transmitters applied with semiconductor sensors. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 1986, IE-33(2): 152–157

13 Bao M, Yu L, Wang Y. Micromachined beam-diaphragm structure improves performances of pressure transducer. Sensors and Actuators A: Physical, 1990, 21(1–3): 137–141 

14 Sandmaier H, Kuhl K. A square-diaphragm piezoresistive pressure sensor with a rectangular central boss for low-pressure ranges. IEEE Transactions on Electron Devices, 1993, 40(10): 1754–1759

15 Marco S, Samitier J, Ruiz O,  High-performance piezoresistive pressure sensors for biomedical applications using very thin structured membranes. Measurement Science and Technology, 1996, 7(9): 1195–1203

16 Wu A, Chen J, Wang X. A very sensitive pressure sensor on a SOI-on-cavity substrate. In: Proceedings of IEEE International SOI Conference. IEEE, 2007, 151–152

17 Kinnell P K, King J, Lester M,  A hollow stiffening structure for low-pressure sensors. Sensors and Actuators A: Physical, 2010, 160(1–2): 35–41 

18 Huang X, Zhang D. A high sensitivity and high linearity pressure sensor based on a peninsula-structured diaphragm for low- pressure ranges. Sensors and Actuators A: Physical, 2014, 216: 176–189

19 Yu Z, Zhao Y, Sun L,  Incorporation of beams into bossed diaphragm for a high sensitivity and overload micro pressure sensor. Review of Scientific Instruments, 2013, 84(1): 015004

20 Tian B, Zhao Y L, Jiang Z, . The design and analysis of beam-membrane structure sensors for micro-pressure measurement. Review of Scientific Instruments, 2012, 83(4): 045003

21 Yu Z, Zhao Y, Li L,  Realization of a micro pressure sensor with high sensitivity and overload by introducing beams and Islands. Microsystem Technologies, 2015, 21(4): 739–747

22 Xu T, Zhao L, Jiang Z,  Modeling and analysis of a novel combined peninsula-island structure diaphragm for ultra-low pressure sensing with high sensitivity. Journal of Physics D: Applied Physics, 2016, 49(7): 075110

23 Xu T, Zhao L, Jiang Z,  A high sensitive pressure sensor with the novel bossed diaphragm combined with peninsula-island structure. Sensors and Actuators A: Physical, 2016, 244: 66–76

24 Yuan X. Handbook of the Sensor Technology. Beijing: National Defense Industry Press, 1989 (in Chinese)

25 Bao M H. Micro Mechanical Transducers: Pressure sensors, Accelerometers and Gyroscopes. Amsterdam: Elsevier, 2000, 241–280

26 Chen L, Mehregany M. A silicon carbide capacitive pressure sensor for in-cylinder pressure measurement. Sensors and Actuators A: Physical, 2008, 145–146: 2–8

27 Guo S, Eriksen H, Childress K,  High temperature smart-cut SOI pressure sensor. Sensors and Actuators A: Physical, 2009, 154(2): 255–260