The load cell is a force sensor and a transducer that is used to convert a physical force into a electrical signal for weighing equipment. Most conventional load cells are widely used a metal foil strain gauge for sensing element when force being applied spring element in order to converts the deformation to electrical signals. The sensitivity of a load cell is limited by its low gauge factor, hysteresis and creep. But silicon-based sensors perform with higher reliability. This paper presents the basic design and development of the silicon type load cell with an SUS630 diaphragm. The load cell consists of two parts the silicon strain gauge and the SUS630 structure with diaphragm. Structure analysis of load cell was researched by theory to optimize the load cell diaphragm design and to determine the position of peizoresistors on a silicon strain gauge. The piezo-resistors are integrated in the four points of silicon strain gauge processed by ion implantation. The thickness of the silicon strain gauge was polished by CMP under 100 ${\mu}M$. The 10 mm diameter SUS630 diaphragm was designed for loads up to 10 kg with 300 ${\mu}M$ of diaphragm thickness. The load cell was successfully tested, the variation of ${\Delta}$R(%) of four points on the silicon strain gauge is good linearity properties and sensitivity.
In this paper, the usability of a compact silicon strain gauge load cell in a weighting disdrometer for measuring the impact load of a falling raindrop is introduced for application in a multi-meteorological sensor. The silicon strain gauge load cell is based on the piezoresistive effect, which has a high linearity output from the momentum of the raindrop and the simplicity of signal processing. The weighting disdrometer shows a high sensitivity of 7.8 mV/g in static load measurement when the diaphragm thickness of the load cell is $250{\mu}m$.
Kim, Yong-Dae;Kim, Young-Deok;Lee, Chul-Sub;Kwon, Se-Jin
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.34
no.4
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pp.391-398
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2010
In this paper, we propose a sensor design by using a polysilicon strain gauge bonded to a metal diaphragm. The fabrication process of the thin polysilicon strain gauges having thicknesses of $50\;{\mu}m$ was established using conventional MEMS technologies; further, the technique of glass frit bonding of the polysilicon strain gauge to the stainless steel diaphragm was established. Performance of the polysilicon strain gauge bonded to the metal cantilever beam was evaluated. The gauge factor, temperature coefficient of resistance (TCR), nonlinearity, and hysteresis of the polysilicon strain gauge were measured. The results demonstrate that the resistance increases linearly with tensile stress, while it decreases with compressive stress. The value of the gauge factor, which represents the sensitivity of strain gauges, is 34.0; this value is about 7.15 times higher than the gauge factor of a metal-foil strain gauge. The resistance of the polysilicon strain gauge decreases linearly with an increase in the temperature, and TCR is $-328\;ppm/^{\circ}C$. Further, nonlinearity and hysteresis are 0.21 % FS and 0.17 % FS, respectively.
Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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2000.04b
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pp.134-138
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2000
The physical, electrical and piezoresitive characteristics of CrN(chromiun nitride) thin-films on silicon substrates have been investigated for use as strain gauges. The thin-film depositions have been carried out by DC reactive magnetron sputtering in an argon-nitrogen atmosphere(Ar-(5~25 %)$N_2$). The deposited CrN thin-films with thickness of $3500{\AA}$nd annealing conditions($300^{\circ}C$, 48 hr) in Ar-10 % $N_2$ deposition atmosphere have been selected as the ideal piezoresistive material for the strain gauges. Under optimum conditions, the CrN thin-films for the strain gauges is obtained a high electrical resistivity, $\rho=1147.65\;{\mu}{\Omega}cm$, a low temperature coefficient of resistance, TCR=-186 ppm/$^{\circ}C$ and a high temporal stability with a good longitudinal gauge factor, GF=11.17.
Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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2000.05b
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pp.135-141
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2000
The physical, electrical and piezoresitive characteristics of CrN(chromiun nitride) thin-films on silicon substrates have been investigated for use as strain gauges. The thin-film depositions have been carried out by OC reactive magnetron sputtering in an argon-nitrogen atmosphere(Ar-(5~25 %)$N_2$). The deposited CrN thin-films with thickness of $3500{\AA}$ and annealing conditions($300^{\circ}C$, 48 hr) in Ar-10 % $N_2$ deposition atmosphere have been selected as the ideal piezoresistive material for the strain gauges. Under optimum conditions, the CrN thin-films for the strain gauges is obtained a high electrical resistivity, $\rho=1147.65\;{\mu}{\Omega}cm$, a low temperature coefficient of resistance, TCR=-186 ppm/$^{\circ}C$ and a high temporal stability with a good longitudinal gauge factor, GF=11.17.
Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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2000.07a
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pp.573-576
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2000
The physical, electrical and piezoresitive characteristics of CrN(chromium nitride) thin-films on silicon substrates have been investigated for use as strain gauges. The thin-film depositions have been carried out by DC reactive magnetron sputtering in an argon-nitrogen atmosphere(Ar-(5∼25 %)Na$_2$). The deposited CrN thin-films with thickness of 3577${\AA}$ and annealing conditions(300$^{\circ}C$, 48 hr) in Ar-10 % N$_2$deposition atmosphere have been selected as the ideal piezoresistive material for the strain gauges. Under optimum conditions, the CrN thin-films for the strain gauges is obtained a high electrical resistivity, $\rho$=1147.65 ${\mu}$$\Omega$cm, a low temperature coefficient of resistance, TCR=-186 ppm/$^{\circ}C$ and a high temporal stability with a good longitudinal gauge factor, GF=11.17.
Experimental frictional and wear characteristics of silicon graphite materials is studied in this paper. Those specimens are lubricated with high temperature and highly pressurized water to simulate the same operating condition for the journal bearing and the thrust bearing on the main coolant pump bearing in the newly developing nuclear reactor named SMART(System-integrated Modular Advanced ReacTor). Operating condition of the bearings is realized by the tribometer and the autoclave. Friction coefficient and wear loss are analyzed to choose the best silicon graphite material. Pin on plate test specimens are used and coned disk springs are used to control the applied force on the specimens. Wear loss ana wear width are measured by a precision balance and a micrometer. The friction force is measured by the strain gauge which can be used under high temperature and high pressure. Three kinds of silicon graphite materials are examined and compared with each other, and each material shows similar but different results on frictional and wear characteristics.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.31
no.8
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pp.683-688
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2014
This paper presents a high-performance flexible tactile sensor based on inorganic silicon flexible electronics. We created 100 nm-thick semiconducting silicon ribbons equally distributed with 1 mm spacing and $8{\times}8$ arrays to sense the pressure distribution with high-sensitivity and repeatability. The organic silicon rubber substrate was used as a spring material to achieve both of mechanical flexibility and robustness. A thin copper layer was deposited and patterned on top of the pressure sensing layer to create a flexible temperature sensing layer. The fabricated tactile sensor was tested through a series of experiments. The results showed that the tactile sensor is capable of measuring pressure and temperature simultaneously and independently with high precision.
Journal of the Microelectronics and Packaging Society
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v.20
no.4
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pp.35-39
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2013
A four point bending apparatus has been developed to measure semiconductor sensor piezoresistance inside a four inch probe station. The apparatus has a footprint of $60{\times}83mm^2$ and can apply $10{\mu}m$ displacements using a vertical micrometer stage. We used finite element analysis to predict and improve the accuracy of the instrument. Finally strain gauge attached on a silicon test piece was used to experimentally verify the setup.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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