Système Maximal de Senseur de Dépistage de Choc Fabriqué sur le Substrat Flexible

par M. Narendra Lakamraju

Narendra Lakamraju, Sameer M. Venugopal, Stephen M. Phillips et David R Allee, Université De L'Etat D'Arizona
Auteur Correspondant : naren@asu.edu

Sujets Couverts

Résumé
Introduction
Design
     Calculs
     Simulations
Fabrication
     Flux De Processus
     Gravure À L'eau Forte Sacrificatoire de Silicium
Résultats de Test
Conclusions

Résumé

L'exposition Continue du personnel aux ondes chocs de décomposition a été connue pour endommager interne qui peut mener aux dégâts irréparables a sinon trouvé tôt et par conséquent la nécessité pour concevoir les senseurs qui peuvent trouver, enregistrer et afficher l'information de choc. Nous présentons le travail ayant pour résultat le design et la fabrication des senseurs passifs de choc sur le substrat flexible pour la fonctionnalité améliorée accrue de portabilité.

Introduction

le traumatisme Tête fermée de cerveau est difficile de diagnostiquer et traiter les deux dans le domaine où des décisions rapides sont exigées, ainsi que dans un environnement d'hôpital où les premières décisions peuvent influencer le pronostic à long terme pour la reprise et la rééducation. Les décisions de Zone sont essentielles puisque l'action immédiate appropriée pour la demande de règlement peut exercer un grand effet sur le pronostic à long terme. D'ailleurs, la connaissance du type et de la gravité de lésion cérébrale traumatique supportés est en critique importante en développant et en prescrivant les stratégies plus à long terme appropriées de rééducation. Ne pas être ignoré est l'importance psychologique de pouvoir fournir des attentes réalistes au patient et sa famille et travailleurs sociaux1,2.

Largement déployé, solution à coût efficace pour fournir la mesure maximale cumulative précise de dose de souffle sera pertinent en fournissant directement de meilleurs soins aux patients et en activant le développement d'un modèle expérience-basé précis pour les modes et la gravité de la lésion cérébrale traumatique dus aux types, aux importances et aux durées particuliers de dose de souffle. Le raisonnement technologique est d'influencer les innovations récentes dans l'électronique flexible de substrat et des technologies de reproduction d'image en intégrant un procédé comme MEMS de fabrication de senseur pour se sentir de souffle (pression). Les senseurs intégrants de processus, l'électronique et les affichages d'une fabrication unique en lots fourniront le plus peu coûteux exigé pour le déploiement répandu.

La balise de senseur devra être passive en nature pour éliminer le besoin d'un bloc d'alimentation constant d'enregistrer l'information3. L'Intégration d'un élément graphique à la balise permettra à des médecins de sélection d'afficher et diagnostiquer probablement la Lésion Cérébrale Traumatique (TBI) dans le domaine.

Ce système de senseur peut également être utilisé dans l'application d'exploitation pour trouver la quantité de choc remarquée par le personnel. Une version modifiée du système peut également être employée pour mesurer l'intégrité d'une structure exposée aux ondes chocs continues et pour empêcher probablement extraire des accidents. Les Balises qui mesurent l'intensité des ondes chocs collant des bâtiments pendant les destructions dans des zones occupées peuvent fournir les informations utiles vers un meilleur contrôle et des niveaux acceptables de choc. L'Intensité des ondes émanant des sources audios peut être mesurée sans utilisation de matériel cher et d'installation. Cette information peut être employée pour déterminer les niveaux audios sûrs pour des auditeurs et pour éviter les dégâts auditifs dus aux bruits forts.

Design

La balise de senseur se compose d'un senseur connecté à un élément graphique électrophorétique. Le senseur a un condensateur comme la structure avec une membrane compressible suspendue au-dessus d'une électrode fixe. L'écartement entre les membranes et l'épaisseur de la membrane flexible sont employés pour régler la remarque d'effondrement. Quand une onde de pression heurte la membrane mobile, elle guide en travers de l'écartement entre les électrodes et établit le contact avec l'électrode fixe. Lors d'effectuer à contact l'électrode, les forces de Van der Waal's et/ou de Casimir empêchent la membrane de déménager de nouveau à sa position initiale. Le changement de l'impédance entre les deux électrodes est alors employé pour trouver un effondrement et pour lancer l'élément graphique par un réseau de résistance.

Calculs

De la pression d'Effondrement pour un senseur est liée à l'épaisseur de la membrane, espaçant entre, du radius du senseur et de la propriété du métal suivant les indications de (1).

ω (r) = [ω0 {1 - (r/a)2}] ----- (1)

Là Où le ω0 est le fléchissement au centre de la membrane, a est le radius du senseur. Le fléchissement au centre du ω de membrane0 est donné par (2),

ω0 = (p •a)4/(64 • D) ----- (2)

Là Où p est la pression et le D appliqués est la rigidité de flexion de la membrane (3).

D = (E • t)2/12 [1-μ2] ----- (3)

E est le Module De Young, t est l'épaisseur de la membrane et le μ est le coefficient de Poisson4.

Pour réduire la complexité du procédé de fabrication et le nombre de masques exigés pour la fabrication, le radius du senseur et l'écartement entre les membranes est fixe et l'épaisseur de la membrane variée pour réaliser différentes sensibilités. En Outre, la quatrième dépendance de commande de la sensibilité de pression au radius du contrôle gravure à l'eau forte de fin des demandes de senseur ultra définissant le radius de senseur qui mène aux coûts accrus. L'écartement entre les membranes est réglé à 0.5µm, le radius du senseur est réglé à 70µm et l'épaisseur du film En Aluminium est variée de 0.6µm à 1µm pour varier la sensibilité de 100kPa à 450kPa.

Simulations

Les designs sont testés pour la fonctionnalité et le fonctionnement utilisant Coventorware®, un outil de simulation utilisé généralement pour la simulation de MEMS. Fig. 1 et Fig. 2 simulations d'exposition du senseur avant et après la mise en fonction. Le modèle est exagéré à l'axe des z pour afficher le petit groupe. Le Déplacement de la membrane due à une pression est affiché dans les chiffres et les résultats des simulations sont en accord avec des valeurs prévues.

Le Schéma 1. Modèle du senseur avec des trous gravure à l'eau forte au milieu avant lancement.
Le Schéma 2. Modèle affichant le fléchissement dans la membrane de senseur après lancement.

Les Simulations aident également avec concevoir et tester différents configurations et matériaux pour la première membrane. L'Alignement de senseurs sont connectés en parallèle pour améliorer la sensibilité de la balise et pour aider avec la tolérance aux pannes des senseurs défectueux irréguliers.

Fabrication

Les balises de senseur sont fabriquées utilisant des procédés normaux (TFT) de TFT pour assurer la compatibilité avec des procédés d'ITGE et pour réduire des coûts de fabrication. Les senseurs sont fabriqués sur un substrat flexible pour assurer l'isogonie avec la surface de montage qui peut être l'arrière d'un casque ou d'une correction d'épaulement. Tous Les procédés utilisés pour la fabrication des dispositifs sont de basses températures pour protéger l'intégrité du substrat.

Flux De Processus

La Première étape dans la fabrication des senseurs concerne coller le substrat flexible de naphthalate de Polyéthylène (CRAYON LECTEUR) sur un substrat de porteur5. Le procédé de métallisation est exécuté utilisant un composé de propriété industrielle qui peut supporter toutes les étapes de traitement exécutées sur le substrat.

Après la métallisation, une couche mince d'Aluminium qui est pulvérisent déposé est utilisée pour former l'électrode de sole. L'Aluminium est choisi pendant que le matériau d'électrode pendant qu'il offre la bonne sélectivité gravure à l'eau forte au procédé sacrificatoire de release2 gravure à l'eau forte de xenondifluoride (XeF)6,7 qui est exécuté à l'extrémité. 0.5µm le silicium qu'épais est pulvérisent déposé pour former la couche sacrificatoire entre les deux électrodes. La première électrode est également constituée en modelant une couche En Aluminium déposée par pulvérisation dont l'épaisseur est a choisi d'obtenir la sensibilité désirée. Bien Que les essais aient été réalisés utilisant l'Aluminium filme d'autres matériaux tels que des métaux avec le Module De Young différent puissent être choisis. L'écartement entre les deux électrodes est produit en corrodant les trous complets gravure à l'eau forte de silicium à l'opposé mis en travers de la zone du senseur. La phase Finale dans la fabrication concerne debonding le substrat de CRAYON LECTEUR des dispositifs fabriqués du substrat de porteur. Fig. 3, 4 et 5 affichent le flux de processus utilisé pour la fabrication des senseurs de choc. Après Que les senseurs debonded du substrat de porteur une bande de matériau électrophorétique est jointe pour indiquer le lancement du senseur.

Le Schéma 3. électrode de sole de Dépôt et de configuration pour le senseur
Le Schéma 4. couche sacrificatoire de silicium de Dépôt a suivi du premier métal.
Le Schéma 5. premier métal de Configuration avec des trous gravure à l'eau forte et exécutent gravure à l'eau forte sacrificatoire pour relâcher la structure.

Gravure À L'eau Forte Sacrificatoire de Silicium

Un procédé gazeux2 synchronisé gravure à l'eau forte de silicium de XeF est employé pour définir la taille du senseur et pour éliminer le besoin d'un masque supplémentaire de modeler la couche de silicium qui abaisse consécutivement le coût unitaire de la balise de senseur.

Un système de base2 gravure à l'eau forte de XeF se compose d'une source2 de XeF connectée à une chambre de détente qui consécutivement est liée à la cavité de dispositif. XeF2 est un solide mais a une pression de vapeur faible entraînant le solide changer en le gaz à la température ambiante et à la pression atmosphérique. Pour régler le procédé gravure à l'eau forte, on permet au le solide d'augmenter à une pression de positionnement dans une chambre de détente. On permet alors au le gaz d'entrer dans la cavité de dispositif qui retient l'échantillon. On permet au le gaz de réagir pendant un temps prédéterminé également désigné sous le nom du temps de cycle, après que l'etchant soit complet épuisé la cavité soit pompé à l'extérieur et le procédé répété pour un numéro de positionnement des cycles. On observe des tarifs gravure à l'eau forte de 2µm/min quand la pression d'extension est réglée à 2.7mTorr. La nature Gazeuse des aides etchant surmontent le stiction commun en structures relâchées utilisant un etchant mouillé. gravure à l'eau forte 8 fait un cycle chaque 60 secondes long s'est avérée adéquate pour relâcher les senseurs.

Des Illustrations des senseurs fabriqués sur des substrats de CRAYON LECTEUR sont affichées dans Fig. 6 et Fig. 7. Fig. 6 expositions un senseur avec des tampons pour la mesure de résistance et Fig. 7 affiche une balise intégrée de senseur avec l'élément graphique.

Le Schéma 6. Image d'un senseur fabriqué affichant l'alignement de senseur dans les tampons de milieu et de mesure autour de l'arête.
Le Schéma 7. alignement de Senseur intégré avec l'élément graphique.

Résultats de Test

Images Optiques et de lecture d'électron des senseurs après que la fabrication confirment la release des membranes et aident à polir le procédé de fabrication. Image des senseurs avant et après que le lancement valident le design. Des images Optiques des senseurs sont affichées dans Fig. 8.

Le Schéma 8. image Optique de l'alignement de senseur affichant des senseurs avant et après le lancement.
Le Schéma 9. image de SEM et une coupure de BOBARD de la montr de senseur a déformé la membrane.

Fig. 9 affiche une image de SEM d'un senseur indiquant le changement de la membrane avant et après le lancement. Une coupure Orientée de Faisceau D'ions (FIB) En travers d'une de la membrane est effectuée pour confirmer l'écartement entre la membrane et l'électrode de sole. Lors de la vérification de l'effondrement de membrane, des mesures de résistance en travers des deux électrodes sont enregistrées pour différents senseurs et les relevés sont indiqués dans le Tableau 1.

Résistances du Tableau 1. pour différents senseurs avant et après le lancement.

Mesures de Résistance
Résistance
100kPa
300kPa
450kPa
Avant Lancement
9.5MΩ
50MΩ
10.5MΩ
Après Lancement
15MΩ
14MΩ
16MΩ

Les résultats de Préliminaire des dispositifs fabriqués sur les substrats flexibles de CRAYON LECTEUR sont très prometteurs et le test des dispositifs dans un tube à choc étalonné sont en cours à la Recherche de Soldat de Natick de Forces Terrestres Des États-Unis, Au Développement, et au Centre de Bureau D'études dans Natick, MAMANS.

Conclusions

Des senseurs Passifs de pression d'onde choc capables de trouver et d'enregistrer l'intensité des décompositions ont été fabriqués sur les substrats flexibles de CRAYON LECTEUR. Le condensateur de MEMS aiment les structures qui font avoir fabriqué les membranes compressibles avec les éléments graphiques électrophorétiques intégrés pour trouver et enregistrer des pressions de 100kPa à 450kPa. Des Données résultant du premier test sont employées pour polir le design de senseur et intégrer les senseurs multiples le pied réduit estampez et avez augmenté le domaine et la définition.


Références

  1. Douglas S. DeWitt et Donald S. Prough, « Lésion Cérébrale Souffle-Induite et Hypotension et Hypoxémie de Posttraumatic, » Pp. 877-887, Juin 2009.
  2. D. Surveillant, « TBI Militaire Pendant les Guerres de l'Irak et de l'Afghanistan, » Blessure à la Tête Rehabil de J., Vol. 21, Pp. 398-402, 2006.
  3. NG de T., A.C. Arias, J.H. Daniel, S. Garner, L. Lavery, S. Sambandan et G.L. Whiting. Bande isolante estampée Flexible de senseur pour des diagnostics de lésion cérébrale traumatique modérée. Présenté chez IDTechEx A Estampé l'Électronique Asie.
  4. S.P. Timoshenko, « Théorie de Plaques et de Shell », McGraw-Côte, 1940.
  5. S.M.O'Rourke, S.M. Venugopal, G.B. Raupp, D.R. Allee, S. Ageno, E.J. Bawolek, D.E. Loy, J.P. Kaminski, C. Moyer, B.O'Brien, K. Long, M. Marrs, D. Bottesch, J. Dailey, J. Trujillo, R. Cordova, M. Richards, D. Toy et N. Colaneri, « Affichages Électrophorétiques de Modification Active sur les Substrats Métallisés Temporaires d'Acier Inoxydable Avec 180 [degré] C un-SI : H TFT, » SID, Vol. 39, Pp. 422-424, Mai 2008, 2008.
  6. L.R. Arana, BMS de N.D., R. Schmidt, A.J. Franz, M.A. Schmidt et K.F. Jensen, « gravure Isotrope de silicium en gaz de fluor pour MEMS micromachining, » Micro-ingénierie de J Micromech, Vol. 17, Pp. 384-392, 2007.
  7. I. gravure de pouls de W.T. Chan, de K.B. Brown, de R.P.W. Lawson, d'A.M. Robinson, de Mamans de Yuan et de D. Strembicke, « de Phase gazeuse de silicium pour MEMS avec le difluoride de xénon, » Electrical et Ingénierie Informatique, Conférence 1999 Canadienne d'IEEE en circuit, Vol. 3, Pp. 1637-1642 vol.3, 1999.

Droit d'auteur AZoNano.com, MANCEF.org

Date Added: Dec 15, 2010 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 04:06

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