Internati o nal  Journal of Ele c trical   and Computer  Engineering  (IJE CE)  V o l.  6, N o . 3 ,   Ju n e   201 6, p p . 1 223   ~ 12 32  I S SN : 208 8-8 7 0 8 D O I :  10.115 91 /ij ece.v6 i 3.9 869          1 223     Jo urn a l  h o me pa ge : h ttp ://iaesjo u r na l.com/ o n lin e/ind e x.ph p / IJECE  A Numerical Model of Joule He ating in Piezoresistive   Pressure Sensors       Abdel a z i z  Beddiaf 1 , F o uad  Kerrour 2 , S a l a Kem o uche 2   1  F acul t y  of   S c i e nce  and  T echno log y , Khen che l a   Univers i t y ,  Alge ria   2  University   of C onstantine 1, Mo DERN a    Labor ator y ,  Constantin e, Alg e ria      Article Info    A B STRAC T Article histo r y:  Received Des 25, 2015  Rev i sed  Feb  28 , 20 16  Accepted  Mar 12, 2016      Thermal dr ift caused b y  Joule heati ng  in p i ezoresistiv e pr essure sensors  affec t s greatl y  th e results in the shift of  the offset voltag e  of the such sensors.  The stud y  of  the thermal b e havior of th ese sens ors is essential to define th param e ters  th at  caus e  the outpu t chara c teristic drift. Th e impact of Joule  heating in a pr essure sensor has been  studied. Th e stud y   involves  the solutio n   of heat transf er equation considering  the conduction in Cartesian coordinates   for the tr ansient  regime using Finite  Differ e nce  Method.  We determine how   the temperature  affects the sensor dur ing the apply i ng a supply  v o ltag e . For  this, the  tem p er ature r i se gener a ted b y  Joule h eating in piezor esistors has   been calculated  for differ e nt geo m etrica l par a meters of the sensor  as well  as   for different op erating time. It is  observed that Joule heatin g leads to   im portant r i se t e m p erature  in  the  pie z oresistor  an d, hen c e ,   causes  drift  in  the   output voltag e  v a riations in  a s e nsor  during its o p erated in  a prolonged time.  This pap e r put  emphasis on th e geomet r i influence par a meter s  on these  chara c t e ris t i c s  t o  optim ize  the  s e ns or perfor m ance.  The op tim izat ion o f   geometric parameters of se nsor allows us to r e duc ing the inte rnal  he at in g   effect. Results  showed also that lo w bias voltage should be applied for  reducing  Joule h eating.  Keyword:  Joul e  Heat i n g   Th erm a l Drift   Piezoresistive  Press u re   Sens ors   Finite Differe n ce Method   Copyright ©  201 6 Institut e  o f   Ad vanced  Engin eer ing and S c i e nce.  All rights re se rve d Co rresp ond i ng  Autho r Abdelaziz Beddiaf,    Facu lty of   Scien ces and  Tech no log y   Khe n c h ela Uni v ersity,  Alge ria,  Depa rt m e nt  of   El ect ro ni cs,  U n i v e r si t y  of  C o nst a nt i n e  1 ,   Al geri a.   Em a il: b e d d i afaziz@yah o o . fr      1.   INTRODUCTION  A silico n  p i ezo r esistiv p r essu re sen s o r   wh ich   u s th e Wh eatst o n e -brid g e  h a v e  foun d   a wid e   appl i cat i o n i n  vari ous  dom ains, su ch as aut o m o t i v e engi neering, aerospa ce and bi om ed ical instrum e nts. They  h a v e  t h e adv a n t ag es  o f   h i gh  sensitiv ity, ex cellen t  lin earity o f  electrical respo n se,  g ood  techn o l og ical  co m p atib ilit y,  sm a l l  size, lo w p o wer, m a ss p r odu ctio n  an d   so m e  o t h e r adv a n t ag es [1 ]-[7]. Nev e rt h e less, th ey   ofte n s u ffer  from   the te m p erat ure  d r i f t ,  t h e st udy   of  t h e t h er m a l  behavi or  o f  t h ese  sen s o r i s  necessa ry  so  as t o   determ ine the  param e ters tha t  cause t h output c h aract er istics d r if t .    The kn ow ledg e of  th e ph en o m en on causing   its thermal d r ift presen ts  a  p a rticu l ar in terest.    I n   h i s wo rk ,   Y i cai Sun  [5 ] sh ow e d  the  existence  of t h e electri c d r i f t  of  bri dge  of fset  f o r   piezoresistive press u re sens ors as well as therm a l drif t. His study  uses  the electric drift for com p ensati ng  of fset  t h e r m a l   dri f t .  I n  a  p r ev i ous  pa per  [ 8 ]   we  have  i n vest i g at ed t h e ef fe ct  of  t e m p erat ure  an d opi ng  l e vel   on the c h aract eristics of suc h  sens ors. T h e  approac h   to t h e com p ensation  for tem p erature drift of offset   vol t a ge  i n  t h i s  sens or  t y pe  was  pr o pose d  by   U.  Al ja nci c  [ 7 ] .  T h e  Jo ul e heat i n g i n   pi ezo res i st i v micro can tilev e r sen s ors  was i n d i cated b y  M. Zah i d [9 ].   His app r o ach fo cuses on  the an al ytical an d  nu merical  tech n i qu es to  ch aracterize th e Jo u l e h eating  in  su ch   m i cro can tilev e rs.  He in trodu ced  a theo retical  m o d e l for  pre d i c t i n g  t h e   t e m p erat ure  p r od uce d   by  t h e  Jo ul heat i n g.  The  sam e  aut h o r ha ve  de v e l ope d a  si m p le an d   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -87 08  IJEC E   V o l .  6,  No . 3,  J u ne 2 0 1 6   :    12 2 3  – 12 32   1 224 accurate conduction–convect ion m odel  to predict the tem p erature distri bution in p-dope d piezoresistive   microcantileve rs beca use  of self-heating  [10]. Recen tly, we m a de a therm o m echanical  m odeling of  a   pi ezo resi st i v press u re se ns o r  [ 1 1] . M o re  re cent l y , i n  a n ot her  st u d y ,   we  m odel e d t h e t h erm a l  behavi o r  o f  t h e   cap acitiv e p r essu re sen s o r s, u s ing  Fin ite Ele m en t An alysis ( FEA ) establish e d  in  COMSOL. Th e th erm a l   effects  due t o   the tem p erature consideri n g the m a terial s’ properties, the  geom etric sha p e and als o  the heat  trans f er m echanism s  are deve lope d [12]. Piezoresistive  pre ssure  sens o r  u s i ng a  Wh eat st one  b r i d ge wi t h  t h e   pi ezo resi st or s i s  t y pi cal l y  used  wi t h  a s u ppl y  vol t a ge  ra ngi ng  f r om  3 t o   1 0   V i n vol ves t h erm a l  dri f t  ca use d  by   Joul e  heat i n g.     The  prese n t   w o r k  see k s t o  st udy  t h e i m pact of  Jo ul heat i n g  i n  a  pi ez ore s i s t i v e pr essu r e  sens or . T h e   st udy  i n v o l v es  t h e sol u t i on  o f  heat  t r a n sfe r   equat i o n c o n s i d eri ng t h e co n duct i o n i n  C a rt esi a n co or di n a t e s fo r   t h e t r ansi e n t  r e gi m e  usi ng F i ni t e  Di ffer e nc e M e t hod  ( FDM ). It aim s  to  expl ore the  geom etric influence  param e ters on  these c h aracteristics to  optim i ze the se ns or perform a nce. T h e elevati o n of te m p erature c a use d   by  t h e J o ul e he at i ng i n   pi ez or esi s t o rs  has  be en cal cul a ted for  va rious  geometrical parameters of the  de vice as   well as fo r sev e ral op erating  ti m e ;  it  allo ws u s  to  op timizatio n  th e sen s o r  d e si g n   fo r redu cing  the Jo u l h eatin g.      2.   M ETHOD OLOGY AND  THEORY  Joule  heating, also known  as oh m i c heating  or electric a l-resistiv e, is th e pro c ess by wh ich the  passa ge of a n   electric curre nt  through a conduct o releas es  heat. T h e bul k  of the t h erm a l energy is produce d   due t o  loss  of  kinetic ene r gy  of c u rrent ca rrying elect rons  by collisions a m ong them selves and  with the lattice  ato m s [1 3 ] . In   th is wo rk we  co nsid er  t h at the J oule  heating effect as  t h onl y  en er gy  co nve rsi o n,  ne gl ect i n g   t h e ot her  heat  t r ans f er  m odes  suc h  as t h e c o nvect i o n a n r a di at i on.  T h v a ri at i on  of  t e m p erat ure  d u e t o  Jo ul heating, c o nsideri ng t h hea t  transf er b y  co ndu ctio in  th e p i ezo resistiv e p r ess u re  sens or s, i s  s h o w n i n     Fi gu re 1.            Fi gu re  1.  Pi ezo resi st i v e   pre s s u re  sen s or structure  with  heat  trans f er pat h       The  heat  c o nd uct i o n  e quat i o pre d i c t i n g  t h e J o ul e he at i n g  o n  t h pi e z oresi s t i v e  p r e ssure  se ns or   con s i d eri ng i t s  t h ree- di m e nsional  f o rm  i n  C a rt esi a n co or di nat e s f o r t r a n si ent  re gi m e   and i n cl u d i n g t h erm a ener gy   gene rat i on i s  gi ven  by  [ 9 ] :     22 2 1 22 2 TT T T q tk xy z                                                                       (1)     Whe r q  i s  h e a t  f l u x ,   k  i s  t h erm a l  conduct i vi t y α   is th ermal d i ffu si v ity and   t  is th e time. Neg l ecting  th change i n  tem p erature  along t h perpe ndic u lar  di rect i o n, e q uat i o n  ( 1 )  can   be m odi fi ed  as :     22 1 22 TT T q tk xy                                                                                             (2)     The rat e   o f   e n e r gy  ge nerat i o n i s   ex presse d by :     2 0 2 V q R da                                                                                                              (3)   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J ECE   I S SN 208 8-8 7 0 8       A Numerical  Model of J o ule He ating in  Piezores istive Pressu re  S e n s o r  ( A bd ela z iz Bedd ia f)  1 225 Whe r V 0  is applied electrical pote n tial,  d  is  th e th ickn ess  of m e m b ran e a  i s  t h e l e ngt h o f  t h e s qua re- s h a pe d   me m b r a n e  an R  i s  t h resi st a n ce  of  t h di f f u s ed  pi ezo resi st or gi ve by  t h e f o l l o wi ng  ex pressi o n  [ 9 ] :     pz r e pzr L R A                                                                                                       (4)   Whe r L pzr  is t h e length of t h e piezoresistor,  A pzr   the cross-sectional a r ea  and  ρ e  is t h e el ectrical resistivity.   Th e app licab le b o u n d a ry co nd itio n s  in cl u d e  th e ad iab a tic h eat con d ition an d  m a in tain i n g  the h e at   continuity at the edges  which  are:    0 0 0 0 T x x T y y                                                                                                   ( 5 )     Tak i ng  also  i n to  acco u n t  that th d i ffu s ed   p i ezo r esist o can  b e   co nsid ered   a  p e rfect  con d u c tor, we will  h a v e :     () 0 () 0 T kh T T x x a T kh T T y ya                                                                          (6)                                                                                                                                                         Whe r h  is th e h eat tran sfer co efficien t that d e p e nd o n  th m a terial   an d  th e su rro un d i n g  air. Th e in itial  co nd itio n in the all stru ct u r e i s   (, , ) 0 0 Tx y t T t                                                                                         ( 7 )       3.   FINITE  DIFFERENCE ME THOD ( FD M Th e m a terial p r op erties  o f  Silico n    used in  t h is work  are indicated  in  Tab l e 1 .       Tab l 1 .  Material p r o p e rty of  Silico n   [9 ],[10]  Para m e ter Values        M a ss density ρ  (k g / m 3 ) 2320   Heat tr ansf er coef ficient,  h  (Wm -2 K -1 ) 2. 219   Electri cal r e sistivity,  ρ e ( .m )   T h erm a l conductivity ,   K  (Wm -1 K -1 )   Specif i heat,  c (J/ K gK)   T h erm a l diffusivit y ,     α  (m 2 /s)   10 -3   150   712   0. 9*10 -4       3. 1.   Finite Di ffere nce Me th od  v a lida t ion   The 2 D   heat  con d u ct i on e q uat i on i n  t r an si ent  regi m e  is di scret i zed  usi n g t h e Fi ni t e  Di ffere nc e   Meth od  ( FDM ) and t h e o b t a i n ed  sy st em  of l i n ear eq uat i ons i s  sol v ed  by  t h e Thom as al gori t h m  usi ng t h Matlab  calcu latio n  software [1 4 ] . To   v a lid ate th e Fin ite  Di ffe rence m odel ,  we c o m p ared the obtained  results  o f  ou r m o d e l with  th ose resu lt s ob tain ed   b y  oth e r au tho r s [15 ]   C .  Pram ani k  has devel ope d a n  anal y t i cal   model  f o r t h e re sol u t i o n o f  t h e  heat  t r ansfe r  equat i o n i n   cylin d r ical co ord i n a tes for ci rcu l ar stru cture in  t h tran si en t reg i m e  u s in g th e m e th o d  of sup e rp ositio n of  vari a b l e s [ 1 5]   Using  th ei r resu lts to  valid ate o u r m o d e l,  we co m p ar ed t h e results  of t h e  cha nge i n  temperat ure as   fun c tion   o f  time with  t h ose  o f  th e an alytical m o d e l (Figu r 2).   According  to the  va riation of tem p erature  as a   fu nct i o n of t i m e i n  t h e curve of Fi gu re 2, we can  not ice that the re sults are  in good agreem ent. The   co m p ariso n  of  th e ob tain ed   resu lts allo ws  u s   to  v a lid ate th FDM    m odel .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -87 08  IJEC E   V o l .  6,  No . 3,  J u ne 2 0 1 6   :    12 2 3  – 12 32   1 226 0 0. 5 1 1. 5 2 2. 5 3 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 Ti m e  [ h o u r s ] Tem p er at u r e  [ ° C ] a= 20 00 µ m ,  d= 20 µ m ,  R = 0. 6 O h m ,  I = 2 m A     A n a l yt i c al  m o d e l  [ 15] In  th i s  w o rk     Fi gu re  2.  Va ri at i on  of  t e m p erat ure as  a  fu nct i o n  o f  t i m e [15]       3. 2.   Geome t ric effect par a meter s in the  gener a ti on  of tem p e r ature   As p r evi o u s l y  not e d , t h i s  st u d y  i s  dev o t e d t o  t h e t h erm a l  behavi or  of t h sens ors .  Fo r t h i s , we ad opt   th m o d e l o f   Fin ite Differen ce Meth od Th e th erm a l d r i f t s  pr o v o k e d  by  Joul e hea t i ng i n  pi ezo r e si st i v press u re se ns ors affect great ly th e per f o r m ance of  su c h  se ns ors.  As  we  kn o w , t h e ge om et ri c infl uence  p a r a m e ter s  on   th e r i se  of  temp er at u r h a v e   an  en or m o u s  i m p act, w e  fo cu sed   o n  th e t h er m a l d r if t study o f  th Jo u l e h eating  i n  th is sensor t y p e In th recen t  work  [1 2 ] , we  h a v e  st u d i ed  th e th erm a l  effects of capacitiv press u re sens or due to the  te m p er atu r e tak i ng  in to  co nsid eration  th e  geom etric shape, the m a te rials’  properties  a nd also t h h eat transfe r  m echani s m s   We  will stu dy th e th erm a l  drift cau s ed b y  Jou l e h e atin g   o f  p i ezo r esistiv e pressu re sen s or  characte r istics, so the ge ometric influe nce  param e te rs on these chara c teristics to optim ize the s e ns or  per f o r m a nce.  The c h oi ce o f   t h ese  geom et ri cal  param e t e rs fo r si m u l a t i o n s  i s  t a ke n f r o m  earl i e r pape rs [ 1 1] [1 6] .     3. 2. 1.   Effect of  a p plied vo ltag e in  generation  of temperature   To  see th e effect o f  app lied vo ltag e   on  th e t e m p er at ur ge nerat i o n i n  t h e  cen ter of t h piezoresistor,  we vari e d  m a ny  param e t e rs as:  t h e t h i c kness of t h e di a p h r a g m ,  t h e l e ngt h of t h e m e m b rane , ge o m et ri cal  piezoresistor  a n d ope r ating time of t h devi ce.    3. 2. 1. 1.   Geome t ric effect par a meter s  of  the  piez oresistor   Fi gu re  sh ow s t h va ri at i ons  i n  t e m p erat ure   as a  f u nct i o n   of  ap pl i e v o l t a ge i n  t h e  ra n g e  o f   3 t o   1 0   V fo r seve ral  l e ngt hs o f  t h e pi ezo resi st or  L pzr , where t h devi ce i s  ope r a t i ng f o one hour. In this case,  we   vari e d   L pzr  wi t h   t h fi xi n g  o f   t h e ot he r ge o m et ri cal   para m e ters; we  h a v e   ob serv ed  that th e tem p eratu r e is  i n creasi n f unc t i on  of  t h e a p pl i e d v o l t a ge   The T ( V 0 )  is i n v e r s ely pro por tio n a l t o   L pzr So,  t h e se ns or s  wi t h  t h e l o Joul e  heat i n   i s  obt ai ned   fo r a g r eat  l e n g t h of t h e pi ez o r esi s t o w h i c i s  a dra w bac k Ho we ver ,  i t  can be see n  i n   Fi gu re 4 t h at  t h Joul e   heating causes  a raise  of the te m p erature   by inc r easing the cross - sec tional area    A pzr . No ting  t h at th t e m p erat ure  an d a ppl i e d  v o l t a ge s h ows  a  par a bol i c   dep e n d e n ce.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J ECE   I S SN 208 8-8 7 0 8       A Numerical  Model of J o ule He ating in  Piezores istive Pressu re  S e n s o r  ( A bd ela z iz Bedd ia f)  1 227 3 4 5 6 7 8 9 10 35 40 45 50 55 60 65 70 V o l t ag e V 0  [ V ] Te m per at ur e   [ ° C ] a = 10 00  µ m ,  d = 20  µ m ,  A p z r = 6  µ m 2,   t = 6 0   m i n     Lp z r = 6 0 µ m Lp z r = 1 20  µ m Lp z r = 1 80  µ m Lp z r = 2 40  µ m     Fi gu re  3.  Va ri at i on  of  t e m p erat ure as  f u nct i o of  ap pl i e v o l t a ge f o seve r a l  l e ngt h s   of t h e pi ezo resi st o r   L pzr       3 4 5 6 7 8 9 10 30 40 50 60 70 80 90 10 0 11 0 V o l t ag e V 0  [ V ] Te m p er a t ur e    [ ° C ] a= 10 00  µ m ,  d = 20  µ m ,  L p z r = 1 00  µ m ,   t = 60  m i n     Apz r = 1  µ m 2 Apz r = 4  µ m 2 A p z r = 10 µ m 2 A p z r = 20 µ m 2     Fi gu re  4.  Va ri at i on  of  t e m p erat ure as  f u nct i o of  ap pl i e v o l t a ge f o seve r a l  cros s-sect i o nal  areas   A pzr       3. 2. 1. 2.   Effect  of the operating  time  of  the  sens or  Fi gu re  gi ves   t h e ev ol ut i o n  o f  t h e  t e m p erat ure as a  f u nct i o n  o f  a ppl i e d  v o l t a ge  fo r se veral   val u es  o f   ti m e   t .  It is clear that t h e temperat ure is  prop ortion a l to  t h e op erating  tim e  of th e d e v i ce.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -87 08  IJEC E   V o l .  6,  No . 3,  J u ne 2 0 1 6   :    12 2 3  – 12 32   1 228 3 4 5 6 7 8 9 10 30 40 50 60 70 80 90 100 V o l t a g e  V 0  [V ] T e m per at ur e    [ ° C ] a = 1 000  µ m ,   d = 20 µ m ,  Lp z r = 4 0 µ m ,  A p z r = 6  µ m 2     t= 3 0  m i n t= 4 5  m i n t= 6 0  m i n t= 7 5  m i n     Fi gu re  5.  Tem p erat ure  va ri at i o n  vs . a p pl i e vol t a ge  f o r  di ff erent   val u es  o f   t i m e         3. 2. 1. 3.   Membr a ne  thi c kness e ffec t   To   h i gh ligh t  th e effect  o f  th e th ickn ess  o f  th d i aphrag m ,  we  h a ve shown in   Fig u re  6  the  t e m p erat ure  va ri at i on acc o r di ng  t o  t h e a p pl i e vol t a g e  f o di ffe re nt  val u e s  o f  t h e  t h i c kn ess  d . T h T( V 0 ) g o es   on dec r easing  as the m e m b rane thic kne ss is  increase d . Ho weve r, accordi n to pre v i ous  studies [11],[12]  this   lead s to weak en ing  th e pressure  sen s itiv ity of th e sensors.      3 4 5 6 7 8 9 10 30 40 50 60 70 80 90 100 110 V o l t ag e V 0  [ V ] Tem p e r at ur e   [ ° C ] a= 1 0 0 0  µ m ,  L p z r = 4 0 µ m ,  A p z r = 6  µ m 2,  t = 60  m i n     d= 1 5  µ m d= 2 0  µ m d= 3 0  µ m d= 4 0  µ m     Fi gu re  6.  Tem p erat ure  va ri at i o n  vs . a p pl i e vol t a ge  f o r  se v e ral  m e m b rane t h i c k n ess  d       3. 2. 1. 4.   Effect   of  side   le ngth  of the membrane    Based  on  th resu lts sh own in  Figu res  7 an d   8 ,  it can b e  ob serv ed   th at th e te m p eratu r e   rise  gene rat e by  t h e Jo ul e heat i n g i n  pi ezo resi s t i v e press u re s e ns ors i s  a dec r easi n g f unct i o n  of t h e si de l e ngt   of  t h di ap hr ag m   a . So , to   redu ce th is effect, it is requ ired  t o   h a v e  a larg sid e  leng th. This so lu tion  is easy to   estab lish  an d   do es  n o t  affect t h p r essure sen s itiv ity. Neverth e less, it lead s to th e en larg em en t o f  th size o f   t h e sens ors ,  w h i c h i s  a di sad v ant a ge. I n  i t s  expe ri m e nt al  st udy  o f  T. L.  Yo u ng  [1 6] , o b t a i n ed  fr om  a sup p l y   vol t a ge  of  7 V ,  t h at  t h e vari a t i on o f  t h e o ffs et  vol t a ge ve rs us t e m p erat ure  for t h e di ap h r agm  si ze i s  800 µm   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J ECE   I S SN 208 8-8 7 0 8       A Numerical  Model of J o ule He ating in  Piezores istive Pressu re  S e n s o r  ( A bd ela z iz Bedd ia f)  1 229 X8 0 0  µm  and 20 µm  i n  t h i c kness:  i t  i s  0.7 m V / ° C .  In t h i s  case, t h e Jo ul e heat i ng  pr ov o k es a t e m p erat ure    o f   90 °C. T h e r efore, the  val u of the offs et voltage create d   by  this effect is   12 1.9 m V , co nsid er ing  the of fset o f   t h e b r i d ge at   3 0  °C  t h at   was a p p r oxi m a t e ly  79. 9 m V  [ 16] .       3 4 5 6 7 8 9 10 20 40 60 80 10 0 12 0 14 0 16 0 V o l t ag e V 0   [ V ] Te m p e r at ur e  [ ° C ] d= 2 0  µ m ,  Lp z r = 4 0 µ m ,  A p z r = 6  µ m 2 ,  t = 6 0  m i n     a =  80 0 µ m a =  10 00   µ m a =  14 00   µ m a =  18 00   µ m a =  22 00   µ m     Fi gu re  7.  Tem p erat ure  va ri at i o n  vs  a ppl i e d  v o l t a ge  fo r se ve ral  si de l e ngt hs  o f  t h e  di a p h r a g m   a       80 0 10 00 1 200 14 00 16 00 18 00 20 00 22 00 20 40 60 80 10 0 12 0 14 0 16 0 L e n g th  o f   t h e  m e m b ra n e   m ] Tem p e r at ur e   [ ° C ] d = 2 0  µ m , L p z r =4 0  µ m ,  A p z r =6  µ m 2 ,  t=6 0   m i n     V0= 3  V V0= 5  V V0= 7  V V0= 9  V V0= 1 0 V     Fi gu re  8.  Va ri at i on t e m p erat ur e as a  fu nct i o of  si de l e ngt f o r  di f f ere n t   val u es  of  v o l t a ge  V     3. 2. 2.   Effect  of the operating  time of  th e  tem p er ature rise in  the sens or   In   o r d e r to  ackn owledg e t h ev o l u tio n of the te m p er ature   created  by joule heating for a  peri od of 3  hours,  we a n alyze the te m p erature  ri se by   v a ry i ng  seve ral   geom et ri cal  param e t e rs. As  we ca n see  fr o m   t h bel o w Fi g u res ,  t h at  aft e r oper a t i ng t h e de vi ce for a pe ri o d  r a ngi ng f r o m  0  t o  18 0 m i n by   appl y i n g  a vol t a ge of   V, t h e  t e m p erat ure  t a kes a   st eady  st at e va l u e bey o n d   1 0 0  m i n and m a ke i t  i n depe n d e nt  at  t h e t i m e. It   has  been  o b se rve d   in Fig u re  9 t h a t  the ri se in te m p erature goe s  on dec r easi n g as  the leng th o f  t h p i ezoresisto r  is  increase d   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -87 08  IJEC E   V o l .  6,  No . 3,  J u ne 2 0 1 6   :    12 2 3  – 12 32   1 230 0 50 10 0 15 0 200 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 T i m e  [m i n ] Te m p er at ur e   [ ° C] a = 1 0 0 0  µ m d = 2 0  µ m , A p z r = 6  µ m 2 ,  V 0 = 5  V     Lpz r = 6 0  µ m Lpz r = 1 20  µ m Lpz r = 1 80  µ m Lpz r = 2 40  µ m     Fi gu re 9.   Tem p erat ure ri se fo r vari o u s   l e n g t h s of   t h e pi ezo resi st or   L pzr       On t h ot her  h a nd , we  can e a si l y  obser ve i n  Fi g u r es 10 a nd  11,  respectively, that the t e m p erature   rise is  d ecreasi n g fun c tio n of  th e m e m b ran e   sid e  leng th  an d  di ap h r agm  t h i c kne ss.  Acc o r d i ng t o  t h e s e Fi gu res,   the two  param e ters have  an  enorm ous im pact on the  ef fe ct   of   J oul e hea t i ng. So , w h en   t h ese pa ram e ters  a r g r eat, t h is is lead ing  to  lessen th e Jou l h eatin g .   Ho we ve r,  these pa ram e te rs are t h em selves limited by othe tech no log i cal facto r of m a n u factu r e su ch as: th e d i m e n s ion s   o f  th d e v i ce, th precision and   reliab ility.    We m a y o b s erv e  th at th ese  fig u res are an al og ou s to  t h e circu it co nstitu tin g  th e lo ad ing   of a cap acitor  connected t o  a voltage s o urce  th ro ugh  a resisto r . In  fact, th i s  circu it  m a y  b e  ex p l o ited  in  th e fu tu re  works fo obt ai ni ng  t h e  t e m p erat ur e ri s e  due to J oule  heating.      0 50 10 0 15 0 200 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 T i m e  [m i n ] T e m p er at ur e   [ ° C ] d= 20 µ m ,   L p z r = 4 0 µ m ,  Apz r = 6  µ m 2 ,  V 0 = 5  V     a= 10 00 µ m a= 14 00 µ m a= 18 00 µ m a= 22 00 µ m     Fi gu re  1 0 . Te m p erat ure ri se   fo di ffe re nt  m e m b rane  si de l e ngt hs      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J ECE   I S SN 208 8-8 7 0 8       A Numerical  Model of J o ule He ating in  Piezores istive Pressu re  S e n s o r  ( A bd ela z iz Bedd ia f)  1 231 0 50 100 15 0 20 0 25 30 35 40 45 50 T i m e  [m i n ] Tem per a t u r e  [ ° C ] a= 10 00 µ m ,  Lpz r = 40 µ m ,  A p z r = 6  µ m 2,  V 0 = 5  V     d= 10  µ m d= 20  µ m d= 30  µ m d= 40  µ m     Figu re  1 1 . Te m p erature rise   fo r se veral m e m b rane thick n e sses  d       4.   CO NCL USI O N   Prov i d e th e mo d e ling   o f  Jou l e h eatin g  i n  p i ezo resistiv p r essu re sen s ors  is essen tial to  p r ed ict th eir  th erm a l d r ift.  To  t h is en d, t h p r esen stud y inv e stig ated  the effect  o f  app lied   vo ltag e  and  th g e o m etric   param e t e rs  o f   t e m p erat ur e. In  t h i s   pa pe r we h a ve de ve l o ped   a n u m e ri cal   m odel  t o   re duce   t h e  J o ul heat i n g  i n   suc h  se ns ors  t y pes  usi n Fi n i t e  Di ffe rence   M e t h o d  ( FDM ). Th e m o d e l estab lish e g i ves an opp ortunity to  st udy  t h e t e m p erat ure ri se c a use d  by  Jo ul e heat i ng  of s e ns ors c h aract eri s t i c s.  W e  at t e m p t e d t o  st u d y  t h e   geom etric influence  pa ram e ters on these c h aracteristic s t o  optim ize  the sens or  perform ance. The results    co nfirm e d  th at lo w b i as  v o ltag e  shou ld  be ap p lied  t o  re duc e t h e Joul hea t i ng. R e s u l t s   sho w e d  al so t h a t  t h ch ang e  i n  temp erat u r e is in creasin g fu n c ti on   o f  th e app lied   v o ltag e In ad d ition ,  t h e Jou l e h eati n g is in v e rsely  pr o p o r t i onal  t o  l e ngt h o f  t h e   pi ezo resi st or  a nd i t ' s an i n c r easi ng  f unct i o n o f  t h e cr oss - sect i onal  area .  So,  a  sens ors  wi t h  t h e l o w  J oul he at i ng, i s  o b t a i n ed  fo r a  g r eat  l e ngt of  t h pi ezoresi st or  w h i c h i s  a  d r aw ba ck.   The  J oule hea ting goes on decreasi n as the  m e m b ra n e  th ickn ess is i n creased . Bu th is  affects    greater th p r essu re sen s itivity o f  th e d e v i ce. Th e tem p er atu r e rise created  b y  Jo u l h e atin g  in  a sen s o r  is  decreasi ng  fu n c t i on o f  t h e si d e  l e ngt h o f  t h e   m e m b rane. Th ere f ore, to m i nimize this  effect, it  is necessary to  h a v e  a larg e sid e  leng th Th i s  op tio n is easy to  i m p l e m en t an d   do es  n o t  affect the sensitiv ity to  p r essu re.  Ho we ver ,  i t  gi ves l a r g e si ze defect s,  w h i c h  i s  a draw bac k . O n  t h e ot her  han d , t o  hi ghl i ght  t h e e ffect   of t h e   ope rat i n g t i m e o f  t h e   devi ce,    vari o u s  ge o m et ri cal  param e t e rs  have  bee n   use d The  re sul t s  s h o w e d  t h at  t h e   Joul heat i ng i s  red u ce d su bs t a nt i a l l y  for a sho r t  o p era ting  tim e . Besides, the te m p erature takes a steady state   v a lu e b e y o nd   1 0 0  m i n  an d  will b e  in d e p e n d e n t  of th e time. Fin a lly, th is stu d y  allo ws u s  to  op ti m i ze th sens or  pe rf orm a nce i n  f u nct i o n t o  t h e a p pl i cat i on  fo whi c i t  i s  dedi cat ed .       ACKNOWLE DGE M ENTS  Th e au t h ors than k   Dr. Merouan i  Lazh er and Mr. Zah r ou ri  Ah m e d  for th eir in v a lu ab le help  for th is  pr o j ect whi c h  was  f u l l y  d one  at  t h El ect ro ni cs’  De part m e nt , M o DER N a  La bo r a t o ry U n i v er s i t y  of   C onst a nt i n e 1, Al ge ri a. We  al so  t h an a ll th e staff m e m b ers of MoDER N Labo ratory.       REFERE NC ES   [1]   D. Pitta ya ,   et a l ., “Al Microh eater and Ni Temp eratur e Sensor Se t based-on  Photolithogr aph y  with Closed-Loo p   Control,”  Intern ational Journal of  Electrical  and  Computer Eng i neering ( I JEC E ) , vol. 5 ,  pp . 849- 858, 2015 [2]   Y.  Huiy ang,    et al. , “ T he int e ll ig ent com p ensatio n calibr a tion a l g o r ithm for 3D p o ly h e dron of the temperature drif of the silicon  piezores istiv e press u re sensor,”   201 5 IEEE International Conferen ce on Electron D e vices and Solid - State Circuits ( E DSSC) ,   pp. 744 -  747, 2015.  [3]   H. Jianqiu, “ D e s ign and Applicat ion of a High Sensitiv it y Pi ezoresist ive Pre ssure  Sensor for Low Pressure  Conditions,”  Sen s ors , vol. 15 , pp . 22692-22704, 2 015.  [4]   N. H. Duong,  et al. , “ A dvance d  Liquid-F r e e P i ezores i s tiv e, S O I-Bas ed P r es s u re S e ns ors  for M eas urem ents  in  Harsh Environments,”  Sensors , v o l.15, pp. 20305 -20315, 2015 Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -87 08  IJEC E   V o l .  6,  No . 3,  J u ne 2 0 1 6   :    12 2 3  – 12 32   1 232 [5]   S.  Yic a i , et al. ,  “ E le ctri c dr ift of  t h e bridg e  offse t   fo r pre ssure  se ns ors a nd it s ut il iza t i o n,   S e nsors and Actuators A vol. 58  pp. 249 –256, 1997 [6]   X. Dacheng ,  et al. , “A temperature  compensation  algorithm of pi e z o re sistive  pre ssure  se nsor a nd softwa re  im plem entat i on, ”  Mecha t ronics and  Automation IEEE ICM A  20 13 Conferenc e  I n ternational S c i e ntif ic  Advisory  Board,  pp . 1738   - 1742, 2013.  [7]   U. Aljanc ic et a l . , “ T em per a tur e  effec t s m odelin g in silicon p i ez oresistive pr essure sensor,”  IEEE Melecon , Eg yp t ,   pp. 7-9 ,  2002 [8]   B.  Abde l a zi z,   et al. , “ T he Eff e c t  of Tem p eratur e and Doping Lev e l on the Chara c t eris ti cs  of P i ezo res i s tive P r es s u re  Sensor,”  Journal of S e nsor Techn o logy ,  vo l. 4, pp . 59-65 , 2014 [9]   M. Z. Ansari  an d C. Chongdu, “An Analy t ical M odel of  Joule Heating in Piezor e si stive Micro can tilevers,”  Sensors vol. 10 , pp . 9668 -9686, 2010 [10]   M. Z. Ansari an d C. Chongdu, “A c onduction– convection model for self-heatin g  in piezor e sistiv e microcan tilever  biosensors,”  S e n s ors and Actuato rs A , vol. 175 , p p .19– 27 , 2012 [11]   B. Abdel azi z,   et al. , “Thermo mechan ical Modeling of  Piezoresistive Pressure S e nsor,”  In ternational Review o n   Modelling  and S i mulations ( I .RE . MO.S.) ,    vol. 7 ,   pp. 517-522 , 20 14.  [12]   B.  Abde l a zi z,   et al. , "”herm al dr ift char act eris ti c s  of capacit i ve p r es s u re s e ns ors , ”  Journal of Engineering Science  &  Technology,  (in press).  [13]   A. Arkan,  et al. , “Numerical Investigation of H eat Tr ansfer En hancement in a  Ci rcular Tube  with Rectangular  Opened Rings ,   Bulletin   of Electrical Engi neerin g and Informatics,  vol. 4, pp. 18- 25, 2015 [14]   S. Himanshu,  et al ., “Development and Simulation of Stand Alo n Photovoltaic Model Usi ng Matl ab/Sim ulink,   International Jo urnal of  Power  Elec tronics and   Drive  System ( I JPEDS) , vol. 6,  p p . 703-711 , 201 5.  [15]   C. P r am anik , et  al. , “ D evelopm e n t of SPICE Com p atible Th erm a l M ode l of Silic on MEMS Pie z o re sistive  Pre ssure  Sensor for CMOS- MEMS Integr ation ,  IEEE Se nsors,  Kore a ,  pp . 22-25, 2006.  [16]   L. Y.  T a e ,   et al. , “Compensation  method of offset a nd  its temperature drif t in  silico n piezoresistiv pressure sensor   using double wheatston e bridge configuration,”  The 8th International Conference on Solid-S tate Sensors and  Actuators, and  Eurosensors IX. S t ockho l m, Sw eden,  pp . 25-  29, 19 95.        Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.