TELKOM NIKA , Vol. 13, No. 4, Dece mb er 201 5, pp. 1121 ~1 126   ISSN: 1693-6 930,  accredited  A  by DIKTI, De cree No: 58/DIK T I/Kep/2013   DOI :  10.12928/TELKOMNIKA.v13i4.1740    1121      Re cei v ed Ma rch 2 3 , 2015;  Re vised June  22, 2015; Accepte d  Jul y  2 0 , 2015   Resear ch on Electromagnetic Excitation Resonant  Sensor Based on Microelectromechanical System      Gang Li 1 , Xiaofeng Zh ao 2 , Dianzh ong  Wen *3 , Yang Yu 4   Ke y   Lab orator y of Electronics  Engi neer in g, Colle ge of  H e il o ngji a n g  Provi n ce, Heil ong jia n g  Univ ersit y   No.74 of  Xufu  Roa d , Nan gan g district, Haer bin,  He ilo ngj ia ng Provi n ce, C h in a, + 86-45 1- 866 09 073   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : liga ng@ hlj u .edu.cn 1 , zha o x i aofen g@h l j u .e du.cn 2 ,  w e n d ia nzh ong @hlj u.ed u.cn 3 , 108 55 625 84@ qq.com 4       A b st r a ct   In this pap er , an electro m a g n e tic exci tation res ona nt sensor w a s desig ne d b a sed  o n   Microelectromechanical system  (MEMS)  technology. In this new sensor,  four nc-Si/c-Si heterojunction p- MOSF ET s are ma nufactur e d  by usi ng th e  techni qu e  of  MEMS on the  N-type < 1 0 0 >  orie ntatio n hi g h   resistanc e si lic on w a fer, a nd  a W h e a tstone  brid ge  is co mp osed  of four  nc -Si/c-Si het eroj unctio n  MOSF ET s   chan nel res i stances, out put voltag e  of the brid ge circu i t chan ges acc o rd ing to the a ppl ied pr essure.  A   vibrati on w ill  b e  ge nerat ed w hen  an  altern ating c u rrent is   a ppli ed to t he i n ductanc e co il o f  electro m a g n e tic  excitatio n  reso nant sens or, the max i mu m p o w er produce d    in the central  part of  the four  edges of sil i c o n   me mbra ne, w hose freq uency  and a m plit ude  are assoc i ate d  w i th the current in the in duct ance co il, an d th e   app lie d press u re P can be  d e tected. Usi n g  mec han ics  an d electro m ag n e tism c oup lin g  field an alys is by  Ansys softw are, the si m u lati on to vi bration situation  of the silic on  membrane of  sens or w a s carried on  w hen  vertica l  ma gn etic  fiel d and alte rn atin g  current w e re l oad ed. Exp e ri me ntal r e sults  show  that, as the   oper ating v o lta ge is const ant, w i th the incre a se of cu rre nt in the in ductan c e coil the c o n v ersio n  of app l i e d   pressur e  incr e a ses, an d the  output v o ltag e of nc-S i/c-Si  hetero j u n ction  MOSF ET s pressure s ens or  i s   prop ortion al to the incre a se of  coil ma gn etic field i. e. the incr ease of press u re,  the experi m ental res u lts are   consiste nt w i th the simulati on  results.     Ke y w ords : Electromagnetic  Excitation  Resonant Sens or; MEMS; Ansys;  nc-Si/c- Si heter ojunct i on  MOSFET     Copy right  ©  2015 Un ive r sita s Ah mad  Dah l an . All rig h t s r ese rved .       1. Introduc tion  Electrom agn etic ex citatio n  reso nant  sensor  ba sed  on  MEMS  te chn o logy ha s  be come   one  of the  ho tspots of Mi croele c trom ech anical  syst em  (MEMS) research fo r it s  small  si ze, lig ht  weight, compact st ructure,  fast  temperature response, impact  dur ability, easiness  of integration  and ma ss produ ction [1-5 ]. The sen s o r  can b e  u s ed  in the manuf acture of sili con micro - pu mp  comp one nts,  having bro a d  appli c ation  prospe ct s i n  MEMS micro - flo w  devi c e s  and me dical  s c i entific  res e arch [6].  At prese n t, cantilever be a m  stru cture i s  ado pt ed in most of elect r oma gneti c  excitation   resona nt sen s or,  but its sensitivity to magneti c   fiel d is  not hi gh  [7-13], a nd t he ma nufa c turin g   pro c e s s is rel a tively compli cated. In thi s  pape r, the  sensor i s  m a n u factured  by  a ne w m e tho d   that the pl an ar  spi r al i n d u ctor  coil i s  pla c ed   in t he  cente r   of a p r e s sure  se nsor which is  comp osed of  four nc-Si/c-Si  heterojun ction p-MOSF ETs. The me thod is sim p l e  and ha s hi gh  sen s itivity to magneti c  field, and the  integrat e d   circuit can  meet the re quire ment of  high  integratio n an d low cost.   On the  ba si s  of the d e si gn  and m anufa c t u re   of ele c tro m agneti c  ex ci tation sen s or  based  on MEMS  technolo g y, the  cou p led  phy sics an alysi s  i s  a dopte d   wh en  studying  the fo rce, current  and  mag neti c  field  of th e sen s o r  by  usi ng  Ansy s  softwa r e.  The  re sults  sho w e d   that  the   electroma gne tic excitatio n  re son ant  sensor  de sig n  is re ason able, a nd  si licon  mem b rane  vibration  can  be produ ce d wh en loa d i ng alternatin g cu rrent in  indu ctan ce  coil with verti c al  magneti c  fiel d. Mean while , the freque n c y of vibr atio n ca n be d e tected  by the sen s o r  which  is  comp osed of  four nc-Si/c-Si  het erojun ction MOSFE T s  cha nnel  resi stan ce s, a nd the  re sult s of  detectio n  are  given in this p aper.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA  Vol. 13, No . 4, Decem b e r  2015 :  112 1 – 1126   1122 2. The Electr o magne tic Excita tion Re sonan t  Sens or Struc t ure   Figure 1 is  cross-sectio n  of the elect r o m agnet i c  excitation re son a n t sen s o r . Its silico n   cup i s  manuf actured by <100 > orie ntation of m ono crystalline  silicon chi p , whi c h is N-type with  high resistance and  doubl e- si ded poli s hing. On the  center  of  surf ace  of silicon cup, we  made  an  indu ctan ce  coil ado pting  the metho d   of an in te rn al do wn-l ead  pro d u c ed  b y  ohm conta c t  electrode  wh ich i s   co nstructed  by h e a vily  boro n -d iffused and  the  Al  evap orated, and  a   W h ea ts to ne  b r id ge  w h ic h is  c o mp os ed  o f  f our nc-Si/c-Si heterojun ction MO SFETs ch an nel   resi stan ce s is used  to d e te ct the  vibratio n of  silicon   m e mbrane. Ma gnetic  mate ri als  are fixed  on  the pede stal,  whi c h is  ma de of insulati ng mate rial s,  and the in du ctan ce  coil  is right ab ove the  magneti c  mat e rial s. Figu re  2 sho w s the l a yout of  the electro m ag neti c  excitation  reso nant sen s or   chip.   An alternatin g magneti c  field will be ge nerate d  wh en  an alternatin g curre n t is applied to   the indu ctan ce coil. The m agneti c  force  prod uced by  the interaction  with the fixed magn etic field   whi c h was p r odu ced by m agneti c  materials cau s e s  the silicon mem b ran e  to vibra t e.          Figur e 1.  The  cro s s- se ct io n of the electromagn etic  excitation re sonant sen s or      Figure 2. The  layout of the  electroma gne tic  excitation re sonant sen s or  chip         3. Ans y s Modeling Proce s s   The comp on ents  stru cture is  compl e x, ther efore, some si mplifications  we re  adopte d   whe n  the finite element model was e s tabli s he d, only inducta nce coil an d sil i con me mbra ne   model was b u ilt, as sho w n in Figure 3. The elem ent type of indu ctan ce coil is “solid 2 36”,   material mo d e l is aluminu m , and cro ss sectio nal area is 100 μ m× 1 0 0 μ m. The  element type of  silicon mem b rane i s  “solid  185”. “S wee p ” was a dop ted to mesh  inducta nce coil an d sili con   membrane re spe c tively.        Figure 3. The  picture of ind u ctan ce  coil a nd  silicon mem b rane      Figure 4. The  picture of me sh ge neration   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Re sea r ch on  Electrom agn etic Excitation Re son ant Sensor Ba sed  on …   (Gan g Li)  1123 Cho o se “an a l y sis type” for “harmoni c”, l oad  alternati ng cu rrent of 10 + 10i mA  on the  middle e nd o f  inducta nce  coil, at the freque ncy of  5 0  Hz, provid e  voltage=0 o n  the othe r e nd.  Fix all sid e s  of silicon  me mbra ne, ap pl y perp endi cul a r m agneti c  f i eld an d  set t he Z = 0  su rfa c e   energy excha nge interfa c e  as coupli ng fiel d, as sho w n  in Figure 4 af ter setting.       4. The Res u lts of Simulation  The  solving   orde r i s  f r om  mag netic fie l d to fo rce fi eld. We  set  the force  pa ss from   indu ctan ce coil to silicon  membrane, a nd the displ a ceme nt pass from silico n  membra ne to   indu ctan ce coil, all objects of converge nce to  1e-7, the analysi s  type of electro m agneti c  field is  “ha r moni c”, and the analysis type of force field is “s tat i c”. The si mul a tion re sults  sho w e d  that the   indu ctan ce  coil ca n g ene rate ma gneti c  field, t he v e ctor dia g ra m of indu cta n ce  coil  current  den sity are a s  sh own in Fi gure 5, the vector di agra m  of inductan c e coil magn etic field intensity  are a s  sh own  in Figure 6.           Figure 5. The  vector diag ra m of current  den sity vector of inducta nce coil       Figure 6. The  vector diag ra m of magneti c  field  intensity of inducta nce coil       After the solution, by observing  the stress  dist ribution  of s ilicon membrane, as  shown in  Figure 7, the  large s t st re ss wa s  foun d in  the ce ntral p a rt of t he fou r  edge s of  sili con m e mb ra ne,  large r  o u tput  voltage ma y be obtai ne d if four   nc-Si/c-Si hete r ojun ction M O SFETs  ch a nnel  resi stances were  pl aced  in these positions. And  in the  process of  simul a tion, the  silicon  membrane  deformation was obse rved, certifying that the  silic on membrane  of  sensor  can  prod uce vibration u nde r  alternat in g  current ex citation, an d con f irming th e sensor  de sign  of   origin ally envision ed is rea s on able, the  def orm a tion situation is sho w n in Figu re  8.          Figure 7. The  simulation di agra m  of the  stress distri bution of silicon membrane      Figure 8. The  picture of the  deformatio n   situation of sil i con me mbra ne   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA  Vol. 13, No . 4, Decem b e r  2015 :  112 1 – 1126   1124 5. The Exper i mental Res u lts   Figure 9  is th e sampl e  of t he el ect r oma gnetic   excitati on re son ant sen s o r .  Th e stru cture   picture of n c -Si/c-Si hete r o j unctio n  MOS F ET ch ann el  resi stan ce  which  are pla c ed in th e cent ral  part of the four edg es of si licon me mbra ne is sho w n i n  Figure 10.           Figure 9. The  sample of th e electroma g netic  excitation re sonant sen s or      Figure 10. Th e stru cture  pi cture of n c -Si / c-Si  heteroj un ctio n MOSFET chann el re sist ance       Figure 10  sh ows the b a si c stru ct ure  of p-MOSFET d e vice with  n c -Si/c-Si  hete r o j unctio n   as  so urce  (S ) an d d r ai n (D), the  thickn ess of  s ilic o n me mbr a ne  is  56  n m , the c h a n n e l  as pe c t   ratio i s  2:1. T e sting I DS -V DS  cha r a c t e ri st i cs  of  t he n c - S i/ c-S i  hete r o j unctio n  p-M O SFET by u s ing  HP414 5B se micon d u c tor  para m eter a n a lyzer,  an d the results a r e  sho w n in Fig u re 11.           Figure 11. I DS -V DS  characte ristics of the  nc-S i/ c-Si het eroju n ctio n p-MOSFET       Figure 12 sh ows the inp u t-output  cha r acte ri st ic s e x perime n t a l curv e s  of  M O S F E T s  pre s sure se n s or u nde r the  working volta ge V DD  = 1.5 V.           20   -7 V  -8 V  -6 V  0 V  -5 . 0 V -4 V  -3 . 0 V -2 V  -1 V  x  y  O  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Re sea r ch on  Electrom agn etic Excitation Re son ant Sensor Ba sed  on …   (Gan g Li)  1125     Figure 12.  Input-outp u t ch ara c teri stics  experim ental  curve s  of MO SFETs pressure sen s o r .      Experimental  re sults  sh ow tha t, as the  operating volt age i s  con s ta nt, with the in cre a se   of cu rrent in  the ind u ctan ce co il  the co nversi on of  a pplied pressu re in crea se s,  and  the o u tput   voltage of n c -Si/c-Si hete r o j unctio n  MOS F ETs p r e s sure se nsor i s  p r oportio nal to t he in cre a se o f   coil ma gnetic field i.e. the increa se of pressure, the e x perime n tal  result s are co nsi s tent with t h e   simulat i o n  re sult s.       6. Conclusio n    The de sign   o f   elect r oma g netic excitati on re sona nt sen s o r ,  the   simulation ana lysis and   experim ental  testing  re sult s a r e  given  in  this pa per.   A  Wh eatsto n e  bridg e  whi c h  is com p o s ed  of  four nc-Si/c-Si heteroju n cti on MOSFETs chann el resi stan ce s  is manufactu re d by using t he  techni que of  MEMS on the N-type  <1 0 0 > o r ientatio n  high re si stan ce sili co n waf e r, and thi s  is a  new st ructu r e of p r e s su re  sen s o r   b a se d o n  M O SFET. The  input-output  ch ara c te risti c s  experim ental curve s  of MOSFETs pre s sure  sen s o r  is given in this pap er, which can be  see n   that the se nsor ha s a  goo d linea rity wh en V DD  is 1.5  V. An Al inductan c e  coil i s  mad e  on th e  central p a rt o f  surfa c e  of  silicon m e mb rane.  T he i n tera ction  of a  magn etic fie l d gen erated  by   curre n t in inductan c e coil with the fixed magnetic  fiel d cau s e s  the  silicon me m b ran e  to vibrate,  and f r eq uen cy and  amplitu de a r e  a s soci ated  with the   applie d alte ri ng  cu rre nt. With the in crea se   of cu rrent in  the ind u ctan ce co il  the co nversi on of  a pplied pressu re in crea se s,  and  the o u tput   voltage of Wheatsto ne bri dge incre a se s with the  incre a se of applied pressu re, to detect the   vibration of  si licon memb ra ne.  The re sul t s  of  expe rim ent and  sim u lation have  p r oved th at ou r  desi gn sch e m e is fea s ible .      Referen ces   [1]    Z hao  Xi aofen g, W en Dia n z hon g, Li Ga ng. F abr icati o n an d char ac terist ics of the nc-Si/c-Si   hetero j uncti on  MOSF ET s pre ssure sens or.  Sensors . 20 12;  12(5): 636 9-6 379.   [2]    Z hao Xiaofe ng,  W en Dianzh o ng, Z huan g Cu icui, et.al.  F abrication an d Cha r acte ristics of the Magn etic   F i eld  Se nsors Based on  N a n o -Pol ysi lic on  T h in-F ilm  T r ansi s tors.  Journa l of Semico nduc tors . 2013 ;   34(3): 03 60 01( 1-6).  [3]    W en Di anzh o n g . Sensitiv it y  A nal ysis  of  Junc tion F i e l d Effe ct-Pressure H a lltron.  R e view  of  Scientifi c   Instrum e nt . 19 95; 66 (1): 25 1 - 255.   [4]    Gradol ph, F r ie dber ger, Mull er , et.al.enviro n m ents on p i ez oresistiv e  pres sure sens or Impact of hig h -g   and h i g h  vibrati on perform anc e.  Sensors a n d  Actuators. A,  Physica l . 200 9; 150(1): 69- 77.   [5]    Yoon  JB, Ch oi YS, K i m B ,  et.al. CMOS Comp atib le  Surface-Micr o m achi ned  Sus pen de d-Spir a l   Inductors for Multi-GHz Silic o n  RFICs.  IEEE  Electron Devic e  Letters . 200 2 ;  23(10): 59 1-5 93.   [6]    Kinn ell PK, Cr add ock R. Ad vances i n   sil i c on res ona nt p r essure tra n sd ucers.  Pro c ed ia  C h emi s try .  200 9; 1(1): 104 -107.    [7]    Jian g Qi-fen g  Li z hen g-fan g . Mod e li ng  an d  Ana l ysis  of S p iral  Ind u ctors  for Si-Bas ed  R F  IC’s.  ACT A   Electron ic Sini ca . 2002; 3 0 (8) :  1119-1 1 2 1 .  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA  Vol. 13, No . 4, Decem b e r  2015 :  112 1 – 1126   1126 [8]    Mengr an  Liu,  Guoju n  Z h a ng,  Z e ming  Jia n   e t.al.  Desi gn  of  Arra y MEMS V e ctor Vi bratio n  Sensor  in  the   Locati on  of Pi peli ne Int e rna l  Inspector.  T E LKOMNIKA Indon esia n Jo ur na of El ectrica l  Eng i ne eri n g .  201 4; 12(9): 66 51- 66 57.   [9]    Z hang Z h i- yon g , Hai  Cha o -h e .  High Q-F a cto r  On-chip S p ira l  Inductors for  Bulk Si lico n  C M OS RF  IC’S.   Microel ectron ic s . 2003; 33( 1): 15-1 8 .  [10]    Xi on g Jij un, Ya ng F a n g , Li ang  T i ng, et.al. In fluenc e of Q-F a ctor on Si gn al  T r ansmission  Performanc e   of Passive Pressure Sens or.  Nan o tech nol og y and Precis io n Engi ne erin g . 201 2; 10(5): 42 9–4 33.   [11]    Achmad W i do do, Lati e f Roz aqi,  Ismo yo  H a r y anto,  et.al. Devel opm ent  of W i reless S m art Sensor f o r   Structure an d Machi ne Mo nit o rin g .  T E LKOMNIKA T e leco mmu n icati on  Co mp uting E l e c tronics an d   Contro l.  201 3; 11(2): 41 7-4 2 4 .   [12]    Peng  Gua nbi n, Li u Ji ng qua n,  W and  Lo ngfei,  et.al. C i rcuit  Desig n   of a n  I m pla n tabl e ME MS Pressur e   Sensor S y stem .  Nanotech n o l o g y and Prec isi on Eng i n eeri n g . 2013; 11( 1): 90–9 5.  [13]    W augh  W H , Gallac her  BJ, B u rdess  JS. A  High-S ens itivit y  Res ona nt S ensor  Re aliz e d  T h rough  the   Exp l o i tation  of Nonl in ear D y n a mic Beh a vior.   Mess Sci Technol . 201 1; 22( 10): 105- 20 2.    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.