MEMS piezoresistive multiaxial stress sensor

In this master thesis is reported the development of a MEMS multiaxial stress sensor able to measure four different components of a stress field. The sensor has been designed and optimized in order to ensure best possible performances. Minimum possible size has been identified and the electronic layout proposed. Finally, sensor’s behaviour has been validated by simulations in order to assess its characteristics and to provide numerical calibration. Two applications have been studied with FEM for the sensor to be implemented: to be inserted in Epoxy molding compound to estimate packaging induced rnal stresses on silicon dies, and to be implemented in a load cell package to distinguish the main force from other external interferences. This work has been based on a careful analysis of the typical problems, limitations and objectives of piezoresistive stress sensors proposing an innovative solution for multiaxial sensors design and development.

In questo lavoro di tesi magistrale è riportato lo sviluppo di un sensore MEMS multiassiale capace di distinguere quattro diversi componenti di uno stato di sforzo. Il sensore è stato progettato ed ottimizzato in modo da garantire le migliori prestazioni possibili. È stata identificata la minima dimensione possibile ed è stata proposta una configurazione elettronica. In fine, il comportamento del sensore è stato validato attraverso simulazioni al fine di confermare le sue caratteristiche ed ottenere una taratura numerica. Due applicazioni sono state studiate attraverso simulazioni FEM come implementazioni del sensore: l’inserimento in composto epossidico per stimare gli sforzi indotti sul die dai processi di packaging, e l’implementazione in una cella di carico per distinguere la forza principale da altri disturbi esterni. Questo lavoro si è basato su un’attenta analisi dei tipici problemi, limitazioni e obiettivi dei sensori di sforzo basati su piezoresistività proponendo una soluzione innovativa per il progetto e lo sviluppo di sensori multiassiali.