Mechatronic design and optimization of new MEMS load sensors

Within this PhD thesis, as a general overview, a classification of different types of load sensors with their relative technologies as well as existing packaging solutions is reported. Moreover, considering piezoresistivity effect as the technological approach, several innovative design features which provide effective solutions to realize application-based stress sensors are discussed and their value-added contributions with respect to the state of the art outlined as well. As a micro-scale solution, the development of a general purpose MEMS multi-axial stress sensor, able to measure four different components of a stress field is presented. The sensor has been designed and optimized in order to ensure best possible performance by using today available surface engineering solutions and technologies. Minimum possible size has been identified and the electronic layout proposed. Besides, sensor’s behaviour has been validated by FEM analysis in order to assess its characteristics and to provide numerical calibration. Moreover, as an application oriented approach a proper mechanical package with an innovative functionality is proposed to bring out a miniaturized high precision load cell which can withstand up to high amount of loads. Instead, as a macro-scale solution, the design and development of a low-cost in-plane stress sensor based on thick-film piezoresistivity technology is described. By combining already discussed innovative features, this sensor is able to measure the axial and in-plane components of stress. Moreover, this sensor is hermetic and robust for long-term measurements which makes it a proper solution to be merged inside concrete structures with the purpose of doing structural health monitoring. The design of in-plane stress sensor as well as its performance have been optimized and validated by FEM analysis. On top of that, a series of prototypes were produced and tested in laboratory by means of compression tests, imposing different boundary conditions and materials to assess the working concept of the sensor. Furthermore, some sensors have been merged inside concrete samples to verify their performance in terms of load measurement and their long-term quality interaction within concrete materials. Finally, an array of these sensors has been installed in tunnel segments and used to assess the behaviour of these segments under static and cyclic loading within laboratory conditions. The reported results confirm the targets of the design: the sensors were capable of identifying internal loads of the structure as well as of local imperfections.

In questa tesi di dottorato viene proposta una panoramica generale sulla classificazione dei diversi tipi di sensori di carico con le relative tecnologie e soluzioni di packging esistenti. Inoltre, considerando come approccio tecnologico l'effetto piezoresistivo, vengono discusse diverse idee innovative che forniscono soluzioni efficaci per realizzare sensori di stress basati sulle applicazioni. Come soluzione miniaturizzata, viene presentato lo sviluppo di un sensore di forza multi-assiale MEMS generico, in grado di misurare quattro diversi componenti di un campo di stress. Il sensore è stato progettato e ottimizzato per garantire le migliori prestazioni possibili utilizzando le tecnologie e le soluzioni ingegneristiche attuali. È stata identificata la dimensione minima possibile e proposto il layout elettronico. Inoltre, il comportamento del sensore è stato validato dall'analisi FEM al fine di valutarne le caratteristiche e fornire una calibrazione numerica. Come approccio orientato all'applicazione viene proposto un package meccanico adeguato con funzionalità innovative per arrivare ad una cella di carico miniaturizzata ad alta precisione in grado di sopportare carichi elevati. Come soluzione su macro-scala, viene descritta la progettazione e lo sviluppo di un sensore di forza bi-assiale a basso costo basato sulla tecnologia piezoresistiva a film spesso. Combinando le funzionalità innovative già discusse, questo sensore è in grado di misurare le componenti assiali e laterali dello stress. Inoltre, questo sensore è ermetico e robusto, adatto per misurazioni a lungo termine. Questo lo rende una soluzione integrabile all'interno di strutture in calcestruzzo con lo scopo di monitorarne la salute strutturale. Il design del sensore di sforzo bi-assiale e le sue prestazioni sono stati ottimizzati e validati dall'analisi FEM. Una serie di prototipi sono stati prodotti e testati in laboratorio mediante test di compressione, considerando condizioni al contorno e materiali diversi per valutare corretto funzionamento del sensore. Alcuni sensori sono stati immersi in campioni di calcestruzzo, allo scopo di verificarne le prestazioni in termini di misurazione del carico e la loro qualità di interazione a lungo termine all'interno calcestruzzo. Infine, una serie di questi sensori è stata installata nei conci di un tunnel, per valutare il comportamento dei conci stessi sotto carico statico e ciclico in laboratorio. I risultati riportati confermano gli obiettivi del progetto: i sensori sono stati in grado di identificare i carichi interni della struttura e le imperfezioni locali.