[論文レビュー] Electromechanical Reliability Testing of Three-Axial Silicon Force Sensors

S. Spinner, J. Bartholomeyczik+7 more|ArXiv.org|Nov 21, 2007

Advanced Surface Polishing Techniques参考文献 8被引用数 6

ひとこと要約

本論文では、薄い膜ヒンジにペイエローズイストル応力変換器を備えた三軸シリコン力センサの電気機械的信頼性試験を提示する。Weibull統計的分析により、センサは前面に1.16Nの静的力に耐えるが、背面に力がかかると信頼性が著しく低下することが示された。これは、計測応用におけるマイクロ力センシングの今後の設計改善に役立つ。

ABSTRACT

This paper reports on the systematic electromechanical characterization of a new three-axial force sensor used in dimensional metrology of micro components. The siliconbased sensor system consists of piezoresistive mechanicalstress transducers integrated in thin membrane hinges supporting a suspended flexible cross structure. The mechanical behavior of the fragile micromechanical structure isanalyzed for both static and dynamic load cases. This work demonstrates that the silicon microstructure withstands static forces of 1.16N applied orthogonally to the front-side of the structure. A statistical Weibull analysis of the measured data shows that these values are significantly reduced if the normal force is applied to the back of the sensor. Improvements of the sensor system design for future development cycles are derived from the measurement results.

研究の動機と目的

• マイクロ部品寸法計測応用を想定した三軸シリコン力センサの電気機械的信頼性を評価すること。
• 静的および動的荷重条件下におけるマイクロメカニカル構造の機械的挙動を分析すること。
• 異なるセンサ表面に垂直に力が加えられた場合の破壊モードおよび信頼性限界を特定すること。
• 異なる荷重方向における信頼性低下を定量化するために、統計的Weibull分析を適用すること。
• 実験的破壊データに基づき、今後のセンサ開発のための設計改善を導出すること。

提案手法

• センサは、薄い膜ヒンジにペイエローズイストル素子を統合したシリコンマイクロマッチィングにより製造された。
• 支持される可動性のあるクロス構造が、力検出素子を保持し、三軸力検出を可能にしている。
• 機械的応答および構造的整合性を評価するために、静的および動的荷重試験が実施された。
• 前面および背面に垂直に力が加えられ、信頼性を比較するために使用された。
• 故障データにWeibull統計的分析を適用し、ストレス下での信頼性のモデル化と寿命予測がなされた。
• 電気機械的応答および構造的限界を評価するために、制御された条件下で測定が実施された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 三軸シリコン力センサが前面に加えられた場合、耐えられる最大静的力はどれくらいか？
• RQ2 同じ力がセンサの背面に加えられた場合、信頼性はどのように変化するか？
• RQ3 繰り返し荷重下でのセンサの故障行動を最もよく説明する統計的分布は何か？
• RQ4 電気機械的試験中に観察される機械的破壊モードは何か？
• RQ5 実験的信頼性データに基づき、今後のセンサ性能向上に向けた設計改善はどのように導出できるか？

主な発見

• センサは、構造の前面に1.16Nの静的垂直力に耐えることができる。
• 同じ1.16Nの力が背面に加えられた場合、故障確率が著しく上昇し、構造的頑丈さが低下していることが示された。
• データのWeibull分析により、背面荷重条件下での信頼性の統計的に有意な低下が確認された。
• マイクロメカニカル構造は、静的および動的荷重条件下で測定可能な電気機械的応答を示した。
• 背面側界面での応力集中および破壊パターンを観察し、設計改善が提案された。
• 結果から、センサの信頼性は、特に膜とクロス構造の界面において、加えられる力の方向に強く依存することが示された。