The term 'Piezoresistive effect' describes a change in the electrical resistance of the material from deformed to its original shape by the external pressure, e.g., elongation, compression, etc. This phenomenon has various applications of sensors for monitoring pressure, vibration, and acceleration. Although there are many materials which have the piezoresistive effect, rubber (nano)composites with conductive fillers have attracted a great deal of attention because the piezoresistive effect appears at the various range of pressure by controlling the type of filler, particle size, particle shape, aspect ratio of particles, and filler content. Especially one can obtain the composites with elasticity and flexibility by using the rubber as a matrix. This paper aims to review the piezoresistive effect itself, their basic principles, and the various conductive rubber-composites with piezoresistive effect.
This paper presents the design concept, theoretical investigation, and fabrication of a six-degree of freedom (6-DOF) turbulent flow micro sensor utilizing the piezoresistive effect in silicon. Unlike other flow sensors, which typically measure just one component of wall shear stress, the proposed sensor can independently detect six components of force and moment on a test particle in a turbulent flow. By combining conventional and four-terminal piezoresistors in Si (111), and arranging them suitably on the sensing area, the total number of piezoresistors used in this sensing chip is only eighteen, much fewer than the forty eight piezoresistors of the prior art piezoresistive 6-DOF force sensor.
Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea SD
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v.42
no.1
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pp.19-24
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2005
In this paper, the fabrication process of Si pressure sensors utilizing piezoresistive effect was optimized. The efficiency(yield) of the fabrication process for Si piezoresistive pressure sensors was improved by conducting Si anisotrophic etching process after processes of piezoresistors and AI circuit patterns. The position and process parameters for piezoresistors were determined by ANSYS and SUPREM simulators, respectively. The measured thickness of p-type Si piezoresistors from the boron depth-profile measurement was in good agreement with the simulated one from SUPREM simulation. The Si anisotrohic etching process for diaphragm was optimized by adding ammonium persulfate(AP) to tetramethyl ammonium hydroxide (TMAH) solution.
The present work aims to develop piezoresistive sensors of excellent piezoresistive response attributable to change in nanoscale structures of multi-wall carbon nanotube (MWNT) embedded in cement. MWNT was distributed in a cement matrix by means of polymer wrapping method in tandem with the ultrasonication process. DC conductivity of the prepared samples exhibited the electrical percolation behavior and therefore the dispersion method adopted in this study was deemed effective. The integrity of piezoresistive response of the sensors was assessed in terms of stability, the maximum electrical resistance change rate, and sensitivity. A composite sensor with MWNT 0.2 wt.% showed the lowest stability and sensitivity, while the maximum electrical resistance change rate exhibited by this sample was the highest (96 %) among others and even higher than those found in the literature. This observation was presumably attributed by the percolation threshold and the tunneling effect. As a result of the MWNT content (0.2 wt.%) of the sensor being near the percolation threshold (0.25 wt.%), MWNTs were close to each other to trigger tunneling in response of external loading. The sensor with MWNT 0.2 wt.% was able to maintain the repeatable sensing capability while sustaining a vehicular loading on road, demonstrating the feasibility in traffic flow sensing application.
Yongle Lu;Zhen Qu;Jie Yang;Wenxin Wang;Wenbo Wang;Yu Liu
Journal of Information Processing Systems
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v.19
no.2
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pp.173-188
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2023
To improve the shock-resistance of piezoresistive high-g accelerometer, we propose a design of piezoresistive high-g accelerometer. The accelerometer employs special-shaped proof masses system with a cross gap. Four tiny sensing beams are bonded above the cross gap. The expression of the deformation, natural frequency and damping is deduced, and the structural parameters are optimized. The accelerometer structure is simulated and verified by finite element method (FEM) simulation. The results show that the range of the accelerometer can reach 200,000 g, the natural frequency is 453.6 kHz, and the cross-axis sensitivity of X-axis and Y-axis is 0.25% and 0.11%, respectively, which can apply to the measurement of high shock. Contrastively, the cross-axis sensitivity of X-axis and Y-axis is respectively, reduced by 93.2% and 96.9%. The sensitivity of our accelerometer is 0.88 μV/g. It is of great value for the application of piezoresistive high-g accelerometer with high shock-resistance.
일반적으로 단결정 실리콘은 거의 모든 전자소자의 재료로서 널리 사용되고 있으며 제조공정기술 또한 상당한 수준에 도달하고 있다. 최근에는 실리콘 자체의 우수한 압저항효과, 기계적 특성 그리고 반도체 제조공정을 이용한 미세가공기술인 마이크로머시닝을 이용하는 반도체 압력센서에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 기계식 압력센서에 비해서 전기적 변화를 이용하는 반도체 압력센서에서는 소형, 저가격, 고신뢰성, 고감도, 다기능, 고분해, 고성능 및 집적화 등의 우수한 특성을 지니고 있다. 본고에서는 이러한 특성을 가지는 반도체 압력센서중 특히, 압저항형과 용량형 압력센서의 구조와 원리, 그리고 연구.개발동향 및 향후 전망에 관해서 기술하였다.
Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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2006.06a
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pp.350-351
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2006
Thick film mechanical sensors can be categorized into four main areas piezoresistive, piezoelectric, capacitive and mechanic tube. In this areas, the thick film strain gage is the earliest example of a primary sensing element based on the substrates. The latest thick film sensor is used various pastes that have been specifically developed for pressure sensor application. Some elastic materials exhibit a change in bulk resistivity when they are subjected to displacement by an applied pressure. This property is referred to as piezoresistivity and is a major factor influencing the sensitivity of a piezoresistive strain gage. The effect of thick film resistors was first noticed in the early 1970, as described by Holmes in his paper in 1973.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.27
no.9
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pp.1248-1255
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2003
Pressure coefficient in a rotating discharge hole was measured to gain insight into the influence of rotation on the discharge characteristics of rotating discharge holes. Pressures inside the hole were measured by a telemetry system that had been developed by the authors. The telemetry system is characterized by the diversity of applicable sensor type. In the present study, the telemetry system was modified to measure static pressure using piezoresistive pressure sensors. The pressure sensor is affected by centrifugal force and change of orientation relative to the gravity. The orientation of sensor installation for minimum rotating effect and zero gravity effect was found out from the test. Pressure coefficients in a rotating discharge hole were measured in longitudinal direction as well as circumferential direction at various rotating speeds and three different pressure ratios. From the results, the behaviors of pressure coefficient that cannot be observed by a non-rotating setup were presented. It was also shown that the discharge characteristics of rotating discharge hole is much more influenced by the Rotation number irrespective of pressure ratio.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.31
no.4
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pp.417-424
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2007
This paper reports fabrication and characterization of a pressure sensor using a pitch-based carbon fiber. Pitch-based carbon fibers have been shown to exhibit the piezoresistive effect, in which the electric resistance of the carbon fiber changes under mechanical deformation. The main structure of pressure sensors was built by performing backside etching on a SOI wafer and creating a suspended square membrane on the front side. An AC electric field which causes dielectrophoresis was used for the alignment and deposition of a carbon fiber across the microscale gap between two electrodes on the membrane. The fabricated pressure sensors were tested by applying static pressure to the membrane and measuring the resistance change of the carbon fiber. The resistance change of carbon fibers clearly shows linear response to the applied pressure and the calculated sensitivities of pressure sensors are $0.25{\sim}0.35 and 61.8 ${\Omega}/k{\Omega}{\cdot}bar$ for thicker and thinner membrane, respectively. All these observations demonstrated the possibilities of carbon fiber-based pressure sensors.
In this study, a diaphragm-type pressure sensor was developed using multi-layer(four-layer) graphene produced at 1 nm thickness by thermally transferring single-layer graphene produced by chemical vapor deposition (CVD) to a 6" silicon wafer. By measuring the gauge factor, we investigated whether it was possible to produce a pressure sensor of consistent quality. As a result of the measurement, the pressure sensor using multilayer graphene showed linearity and had a gauge factor of about 17.5. The gauge factor of the multilayer graphene-based pressure sensor produced through this study is lower than that of doped silicon, but is more sensitive than a general metal sensor, showing that it can be sufficiently used as a commercialized sensor.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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