適用範囲が広い基板で製造されるピーク衝撃の検出センサーシステム

先生によって Narendra Lakamraju

Narendra Lakamraju、 Sameer M. Venugopal、スティーブン M. フィリップスおよびデイヴィッド R Allee のアリゾナ州立大学
対応する著者: naren@asu.edu

カバーされるトピック

概要
 導入
 デザイン
      計算
     シミュレーション
 製造
     プロセスフロー
     ケイ素の犠牲的な腐食
 試験結果
 結論

概要

爆発の衝撃波への人員の連続的な露出は衝撃情報を検出し、記録し、表示できるセンサーを設計する早く検出されなくておよびそれ故に非回復性損傷必要性の原因となる場合がある内部損害を与えると知られていました。私達は高められた可搬性によって高められる機能性のための適用範囲が広い基板の受動の衝撃センサーのデザインそして製造に終って作業を示します。

導入

閉じヘッドの頭脳の外傷は迅速な決定が必要となる、また早い決定が回復およびリハビリテーションのための長期予後に影響を与えることができる病院の環境の両方をですフィールドの診断し、扱って困難。フィールド決定は処置のための適切な即座の行動が長期予後に対する大きな効果をもたらすことができるので重大です。さらに、支えられる外傷性の脳損傷の種類そして重大度の知識は適切な長期リハビリテーションの作戦を開発し、規定することで極めて重要です。無視されないために患者に現実的な予想をおよび彼/彼女のグループおよび介護者提供できる心理的な重要性はあります 1,2。

正確な累積ピーク送風線量の測定を提供する広く配置された、費用有効解決は直接特定のタイプ、大きさおよび持続期間の送風線量による外傷性の脳損傷のモードそして重大度によりよい患者管理をと正確な実験ベースのモデルの開発を可能にすることで有効提供することです。科学技術の理論的根拠は送風 (圧力) 感知のための MEMS そっくりのセンサーの製造プロセスの統合によって適用範囲が広い基板の電子工学の最近の革新およびディスプレイ技術にてこ入れすることです。単一のバッチ製造のプロセス統合センサー、電子工学および表示は大規模な配置に低価格の必須を提供します。

センサーの札は不変の力の供給のための必要性を除去するために情報を記録する実際のところ受動である必要があります³。札への表示要素の統合はトリアージ医者がフィールドの外傷性の脳損傷を読み、 (TBI)多分診断することを可能にします。

鉱山アプリケーションでまたこのセンサーシステムが人員が経験する衝撃の量を検出するのに使用することができます。またシステムの修正バージョンが連続的な衝撃波 -- にさらされる構造の保全を正確に測り、多分事故を採鉱することを防ぐのに使用することができます。使用中領域の破壊の間に建物をスタックする衝撃波の強度を測定する札はよりよい制御および受諾可能な衝撃のレベルの方に有用なデータを提供できます。可聴周波ソースから出る波の強度は高い装置およびセットアップの使用なしで測定することができます。この情報が傾聴者のための安全な可聴周波レベルを定め、大きい音による聴覚の損傷を防ぐのに使用することができます。

デザイン

センサーの札は電気泳動の表示要素に接続されるセンサーから成っています。センサーは固定電極の上で中断される折りたたみ膜を搭載する構造のようなコンデンサーを備えています。適用範囲が広い膜の膜と厚さ間の間隔が崩壊ポイントを制御するのに使用されています。圧力波は移動可能な膜を打つとき、電極の間で間隔を渡って逸れ、固定電極を搭載する接触をします。接触に電極をした上で、ヴァン der Waal's および/または Casimir の力は膜が通常位置に戻って移動することを防ぎます。 2 つの電極間のインピーダンスの変更がそれから崩壊を検出し、抵抗器ネットワークを通して表示要素を作動するのに使用されています。

計算

センサーのための崩壊圧力は (1) に示すように、センサーの半径および金属の特性とその間間隔をあける膜の厚さ関連しています。

ω (r) = [ω₀ {1 - (r/a)²}] ----- (1)

ωが₀ 膜の中心に偏向である一方、 a はセンサーの半径です。膜のωの中心の偏向は₀ (2) によって与えられます、

ω₀ = (p •a)⁴/(64 • D) ----- (2)

p がある一方、応用圧力および D は膜 (3) の flexural 剛性率です。

D = (E • t)²/12 [1-μ²] ----- (3)

E はヤングの係数です、 t は膜の厚さであり、μはポアソンの比率です 4。

製造プロセスの複雑さおよび製造に必要なマスクの番号を減らすためセンサーの半径および膜間の間隔は異なった感度を達成するために変わる膜の固定そして厚さです。また、センサーの半径への音圧感度の第 4 順序の依存は増加された費用の原因となるセンサーの半径を定義する超良い腐食制御を要求します。膜間の間隔は 0.5µm でセットされます、センサーの半径は 70µm にセットされ、 100kPa からの 450kPa に感度を変えるためにアルミニウムフィルムの厚さは 0.6µm から 1µm まで変わります。

シミュレーション

デザインは Coventorware® の広く使われた MEMS のシミュレーションのためのシミュレーションのツールを使用して機能性および操作のためにテストされます。図 1 および図 2 作動の前後のセンサーのショーのシミュレーション。モデルは z 軸で細部を示すために過大視されます。圧力に図でよる膜の変位は示され、シミュレーションからの結果は計算された値に一致してあります。

アクティブ化の前の中間の腐食の穴が付いているセンサーの図 1. モデル。

アクティブ化の後でセンサーの膜で偏向を示す図 2. モデル。

シミュレーションはまた上の膜のために異なった構成および材料を設計し、テストすることと助けます。センサーのアレイは札の感度を改善し、任意不良なセンサーからの障害の許容範囲と助けるために並行して接続されます。

製造

センサーの札は標準薄膜トランジスタープロセスを使用して (TFT) VLSI プロセスのコンパティビリティを保障し、製造のコストを削減するために製造されます。センサーは適用範囲が広い基板でヘルメットまたは肩パッチの背部である場合もある土台表面との conformality を保障するために製造されます。装置の製造に使用するすべてのプロセスは基板の保全を保護する低温です。

プロセスフロー

センサーの製造の第一歩はキャリアの基板と適用範囲が広いポリエチレンの naphthalate (ペン) の基板を結ぶことを含みます 5。結合プロセスは基板で行われるすべての処理ステップに耐えることができる専有混合物を使用して行われます。

結合の後で最下電極を形作るのに、あるアルミニウムの薄層は沈殿させて使用されています放出させます。アルミニウムは xenondifluoride (XeF) の端に行われる犠牲的な腐食リリースプロセス₂によい腐食の選択率を提供する^6,7 と同時にと同時に電極材料選択されます。厚いケイ素がある 0.5µm は 2 つの電極間の犠牲的な層を形作るために沈殿させて放出させます。上の電極はまた厚さが望ましい感度を得ることを選択したある放出によって沈殿させるアルミニウム層の模造によって形作られます。テストがアルミニウムを使用して撮影する別のヤングの係数が付いている金属のような他の材料を選択されるかもしれない行われたけれども。 2 つの電極間の間隔は離れたケイ素のセンサーの領域を渡って置かれる完全な腐食の穴のエッチングによって作成されます。製造の最後の段階はキャリアの基板からの製造された装置によってペンの基板を debonding 含みます。図 3、 4 および 5 は衝撃センサーの製造に使用するプロセスフローを示します。センサーがセンサーのアクティブ化を明記するためにキャリアの基板から debonded 後電気泳動材料のストリップを添付します。

図 3. センサーのための沈殿物およびパターン最下電極

図 4. 沈殿物のケイ素の犠牲的な層は上の金属によって続きました。

腐食の穴が付いている図 5. パターン上の金属は構造を解放するために犠牲的な腐食を行い。

ケイ素の犠牲的な腐食

時限 XeF の₂ 気体ケイ素の腐食プロセスがセンサーのサイズを定義し、追加マスクのための必要性を除去するのにそれからセンサーの札の単価を下げるケイ素の層を模造する使用されています。

基本的な XeF の₂ 腐食システムは装置区域₂ にそれからリンクされる膨張室に接続される XeF ソースから成っています。 XeF2 は固体でが、低い蒸気圧により固体は室温および大気圧でガスに変更しますあります。腐食プロセスを制御するためには、固体が膨張室のセット圧力に拡大する。ガスがそれからサンプルを保持する装置区域を入力する。 etchant 区域の上で完全にポンプでくまれる一定数のサイクルのために繰り返されるプロセス使用された後ガスがまたサイクル時間と言われる予定時間の間反応する。 2µm/min の腐食のレートは拡張圧力が 2.7mTorr にセットされるとき観察されます。 etchant ヘルプの気体性質はぬれた etchant を使用して解放される構造で共通 stiction を克服します。 8 腐食はセンサーを解放するために十分であると毎 60 秒を長く見つけられました循環させます。

ペンの基板で製造されるセンサーの映像は図 6 で示され、図 7. 図 6 ショー抵抗の測定のためのパッドが付いているセンサーおよび図 7 は表示要素が付いている統合されたセンサーの札を示します。

端のまわりで中間および測定のパッドでセンサーのアレイを示す製造されたセンサーの図 6. 画像。

図 7. センサーのアレイは表示要素と統合しました。

試験結果

製造が膜のリリースを確認した、製造プロセスの精製を助ける後センサーの光学およびスキャンの電子画像。アクティブ化がデザインを認可する前後にセンサーの画像。センサーの光学画像は図 8. で示されています。

アクティブ化の前後にセンサーを示す図 8. センサーのアレイの光学画像。

図 9. SEM の画像およびセンサーの提示の他愛ない嘘の切口は膜を変形させました。

図 9 はアクティブ化の前後に膜の変更を明記するセンサーの SEM の画像を示します。膜の 1 つ (FIB)を渡る集中されたイオンビームの切口は膜と最下電極間の間隔を確認するために行われます。膜の崩壊の確認に、 2 つの電極を渡る抵抗の測定はさまざまなセンサーのために記録され、読書は表 1. にリストされています。

アクティブ化の前後の異なったセンサーのための表 1. の抵抗。

抵抗の測定
抵抗	100kPa	300kPa	450kPa
アクティブ化の前	9.5MΩ	50MΩ	10.5MΩ
アクティブ化の後	15MΩ	14MΩ	16MΩ

適用範囲が広いペンの基板で製造される装置からの予備結果は非常に有望であり、目盛りを付けられた衝撃波管の装置のテストはナティックの米陸軍のナティックの兵士の研究、開発、及び工学中心、 MA で進行中です。

結論

爆発の強度を検出し、記録することができる受動の衝撃波圧力センサーは適用範囲が広いペンの基板で製造されました。 MEMS のコンデンサーは 100kPa からの 450kPa に圧力を検出し、記録するために統合された電気泳動の表示要素が付いている折りたたみ膜を製造してもらう構造を好みます。最初のテストに起因するデータがセンサーデザインを精製し、減らされたフィートプリントのための多重センサーをおよび増加された範囲および解像度統合するのに使用されています。