Ultraminiature hoge temperatuur en agressieve omgeving bestendige druksensoren voor toepassing in snelle responsie aerodynamische probes.

In deze thesis werd het ontwerp van een druksensor onderzocht voor hoog frequente en hoge temperatuur drukmetingen in compressoren en turbines met een aerodynamisch sonde. Het nauwkeurig opmeten van de gasstroom (dynamische en statische druk, turbulentie-effecten, dynamische temperatuurvariaties) tussen de stator- en rotorschoepen is nog steeds een belangrijke ingenieursuitdaging. Bijzondere aandacht werd besteed aan de dimensionale vereisten waaraan sensoren voor deze toepassing moeten voldoen, de selectie van temperatuur bestendige meetprincipes en materialen en hun limieten in micofabricage. De gewenste sensoren moeten een operationele temperatuur hebben groter dan 150 °C. Om obstructie van de gasstroom te vermijden, heeft de sensor bij voorkeur sub-millimeter afmetingen. De bandbreedte van de druksonde moet groter zijn dan 100 kHz om secundaire stroomeffecten (schokgolven en vortices) voldoende te kunnen onderscheiden. Vermits huidige sensoren beperkingen vertonen, hetzij in hun geometrie en afmetingen, hetzij in de maximale temperatuur waarop ze betrouwbaar kunnen werken, is er nood aan nieuwe aangepaste sensoren voor deze toepassing. Twee technologisch realistische oplossingen werden geïdentificeerd en geanalyseerd: een differentiële piëzoresistieve silicium-op-isolator (SOI) druksensor en een Fabry-Pérot (FP) druksensor gemaakt op het uiteinde van een optische vezel.

De ontwikkeling van deze sub-millimeter druksensoren vereist een goede kennis van de invloed van membraanafmetingen en temperatuur op de uiteindelijke drukgevoeligheid en lineariteit van de sensor. Ondanks de hoge volumes van piëzoresistieve druksensoren die jaarlijks verkocht worden, was een goed inzicht in de niet-lineaire eigenschappen van deze sensoren nog niet aanwezig in de wetenschappelijke literatuur. Daarom werd in deze thesis een rigoureuze analytische en experimentele studie hierover verricht. De sensorkarakteristiek van drie verschillende varianten van piëzoresistieve sensorchips werd opgemeten in functie van druk en temperatuur. Sensoren met cirkelvormige en vierkante membranen werden vergeleken, alsook twee verschillende membraandiktes. Tenslotte werd het verschil tussen absolute en relatieve sensoren van naderbij bekeken. Drie oorzaken van niet- lineariteit werden geïdentificeerd: mechanische niet-lineariteit omwille van uitbuigingsafhankelijke membraanstijfheid en membraanspanning, de niet- lineariteit van het piëzo-effect zelf en tenslotte lineariteitsfouten geïntroduceerd door de weerstandsbrug. Een belangrijke observatie hierbij was dat de niet- lineariteit van de uitgang van de weerstandsbrug lager was dan de niet-lineariteit van elke piëzoweerstand individueel. Dit kon verklaard worden doordat het longitudinale piëzo-element een tegengestelde niet-lineariteit vertoonde ten opzicht van het transversale element. Ook werden op basis twee tactieken voorgesteld om de lineariteit van het analoge druksignaal op chipniveau te verhogen zonder bijkomende uitvoerige calibratie: (1) door het plaatsen van aanvullende piëzo-elementen op het membraan die een rechtstreekse indicatie gaven van de niet-lineaire membraanspanning; (2) door het uitgangssignaal van de piëzoresistieve druksensor te combineren met een capacitieve meting van de verplaatsing van het membraan. Het idee met membraanspanningsgevoelige piëzo-elementen werd gerealiseerd in effectieve sensorchips. Experimenteel werd aangetoond dat via deze methode een tienvoudige verbetering van de gevoeligheid/niet-lineariteit (S/NL) verhouding in vergelijking met sensoren zonder compensatie kon gerealiseerd worden.

Voor de realisatie van sub-millimeter piëzoresistieve druksensoren voor applicatie in aerodynamische sondes werd in dit werk een nieuw microfabricageproces op basis van een dubbele silicium-op-isolator topologie geïntroduceerd. De operationele temperatuur van conventionele druksensoren op basis van diffusie piëzoweerstanden is gelimiteerd tot 125 °C omwille van lekstromen over de juncties tussen de piëzo-elementen. In het nieuwe proces werden de piëzoweerstanden elektrisch geïsoleerd met behulp van een oxidelaag, zodat een stabiele werkzaamheid tot 550 °C mogelijk werd. De tweede oxidelaag had de functie van etsstop, waardoor de dikte van de drukgevoelige membranen nauwkeurig gecontroleerd kon worden door de initiële dikte van de middelste siliciumlaag. De uiteindelijke druksensor had een lengte van 1000 μm, een breedte van 400 μm en een dikte 100 μm. De dimensies, de positie en de vorm van de SOI piëzoweerstanden werden geoptimaliseerd voor maximale gevoeligheid. Ook werd aangetoond met behulp van de eindige-elementenmethode dat de drukgevoeligheid van de geïsoleerde transversale piëzoweerstanden bovenop het membraan aanzienlijk verhoogd kan worden door de introductie van additionele dwarsliggende ribben. Deze ribben zorgen voor extra mechanische spanning in de piëzoresistor tijdens het doorbuigen van het membraan. Met het oog op het vervaardigen van deze SOI sensoren, werden de belangrijkste microfabricagestappen onderzocht en geoptimaliseerd zoals het definiëren van de SOI piëzoweerstanden via een droge ets procédé en het vervangen van de lage temperatuur aluminium metallisatie door een temperatuur bestendig alternatief op basis van platinum en een Ti–Si–N barrièrelaag.

Een aerodynamische sonde met kleinere afmetingen heeft een hogere ruimtelijke resolutie en vertoont minder obstructieve artefacts. Hoewel piëzoresistieve druksensoren de voorkeur verdienen op basis van hun excellente gevoeligheid, lineariteit en signaal-ruisverhouding, is de haalbaarheid van sensoren met membranen kleiner dan 100 μm moeilijk doordat de piëzoweerstanden proportioneel geschaald moeten worden om hun gevoeligheid te behouden. De nauwkeurige dubbelzijdige uitlijning van structuren met sub-micrometer afmetingen is technologisch momenteel niet realiseerbaar. Met als doel druksensoren te realiseren met een membraan kleiner dan 100 μm, werd in dit werk ook de mogelijkheid van drukmeting op basis van glasvezel-detectie onderzocht. In het bijzonder werd gekeken naar Fabry-Pérot sensoren omwille van hun kleine afmetingen (zo klein als de diameter van de optische vezel) en de hoge temperatuur bestendigheid van silica. Eerdere co-axiale Fabry-Pérot configuraties hadden echter een niet-ideale positionering van het membraan met betrekking tot gasstroom. Daarom werd een nieuwe sensor met een drukgevoelige diafragma loodrecht op de optische as van de vezel ontwikkeld (dwars-axiale configuratie). Deze dwars-axiale Fabry-Pérot sensor werd vervaardigd via een combinatie van dunne filmdepositie en gefocusseerde ionenbundel (FIB) microfabricage. Een modulatiegevoeligheid van het gereflecteerde vermogen van de dwars-axiale Fabry-Pérot sensor van 30%/bar werd gedemonstreerd.