유연한 기질에 날조되는 피크 충격 탐지 센서 시스템

박사에 의하여 Narendra Lakamraju

Narendra Lakamraju, Sameer M. Venugopal, Stephen M. 필립스 및 데비드 R Allee 의 애리조나 주립 대학
대응 저자: naren@asu.edu

커버되는 토픽

요약
소개
디자인
     계산
     시뮬레이션
제작
     가공 교류
     실리콘 희생적인 식각
시험 결과
결론

요약

폭발 충격파에 인원의 지속적인 노출은 충격 정보를 검출하고, 기록하고 디스플레이할 수 있는 센서를 디자인하는 일찌기 검출하 않아지 및 그러므로 회복불능의 피해 필요로 이끌어 낼 수 있는 내부 손상을 초래하기 위하여 알려졌습니다. 우리는 증가한 이식 가능성에 의하여 강화된 기능을 위한 유연한 기질에 수동적인 충격 센서의 디자인 그리고 제작의 결과로 일을 제출합니다.

소개

닫히 헤드 두뇌 외상은 신속한 결정이 요구되는 분야에서, 뿐 아니라 초기 결정이 복구와 개화를 위한 장기 예측을 착탄할 수 있는 병원 환경에서 둘 다 진단하고 취급하게 어렵습니다. 필드 결정은 처리를 위한 적합한 즉각적인 행동에는 장기 예측에 대한 큰 효과가 있기 수 있기 때문에 결정적입니다. 더욱, 입어진 외상성 뇌손상의 모형 그리고 엄격의 지식은 적합한 장기 개화 전략을 개발하고 시키기에서 아주 중요합니다. 묵살되지 않기 위하여 환자에게 현실적 기대를 및 그 혹은 그녀의 가족 및 간병인 제공할 수 있의 심리학 중요성은 입니다1,2.

정확한 누적된 피크 돌풍 복용량 측정을 제공하는 넓게 배치한, 비용 효과 해결책은 직접 돌풍 복용량의 특정 모형, 크기 및 내구 때문에 외상성 뇌손상의 최빈값 그리고 엄격을 더 나은 환자 치료와 정확한 실험 기지를 둔 모형의 발달을 가능하게 하기에서 효과적일 것입니다 제공. 과학 기술 이론적 설명은 돌풍 (압력) 느끼기를 위한 센서 제작 프로세스 MEMS 같이 a를 통합해서 유연한 기질 전자공학과 전시 기술에 있는 최근 혁신을 레버리지를 도입하기 위한 것입니다. 단 하나 배치 제작 가공 통합 센서, 전자공학 및 전시는 대규모 배치를 가장 값이 싼 필수를 제공할 것입니다.

센서 꼬리표는 실제로 수동적 정보를 기록하는 일정한 힘 공급을 위한 필요를 삭제하기위하여일 필요가 있을 것입니다3. 꼬리표에 전시 성분의 통합은 우선 순위 구분 위생병을 필드에 있는 외상성 뇌손상을 읽고 (TBI) 가능하게 진단하는 가능하게 할 것입니다.

이 센서 시스템은 또한 광업 응용에서 인원이 경험한 충격 양을 검출하기 위하여 이용될 수 있습니다. 시스템의 변경한 버전은 또한 지속적인 충격파에 드러낸 구조물의 보전성을 측정하고 가능하게 사고를 기뢰를 부설하는 것을 막도록 이용될 수 있습니다. 바쁜 지역에 있는 파괴 도중 건물을 머무는 충격파의 강렬을 측정하는 꼬리표는 더 나은 통제로 및 수용 가능한 충격 수준으로 유용한 데이터를 제공할 수 있습니다. 오디오 근원에서 유출하는 파의 강렬은 비싼 장비 및 준비의 사용 없이 측정될 수 있습니다. 이 정보는 청취자를 위한 안전한 오디오 수준을 결정하고 시끄러운 소리 때문에 청각 손상을 방지하기 위하여 이용될 수 있습니다.

디자인

센서 꼬리표는 전기 이동 전시 성분에 연결된 센서로 이루어져 있습니다. 센서는 조정 전극의 위 중단된 접을 수 있는 막을 가진 구조물 같이 축전기를 비치하고 있습니다. 유연한 막의 막과 간격 사이 간격은 붕괴 점을 통제하기 위하여 이용됩니다. 압력 파는 움직일 수 있는 막을 칠 때, 전극 사이에서 간격을 통해 빗나가게 하고 조정 전극과의 연락합니다. 접촉에게 전극을 하기에 따라, 밴 der Waal 그리고/또는 Casimir의 군대는 막이 그것의 원위치로 다시 움직이는 것을 막습니다. 2개의 전극 사이 임피던스에 있는 변경은 그 때 붕괴를 검출하고 저항기 통신망을 통해서 전시 성분을 활성화하기 위하여 이용됩니다.

계산

센서를 위한 붕괴 압력은 (1)에서 보이는 것처럼, 센서의 반경 및 금속의 속성과 사이 간격을 두는 막의 간격 관련있습니다.

ω (r) = [ω0 {1 - (r/a)2}] ----- (1)

ω가0 막의 센터에 편향도인 곳에, a는 센서의 반경입니다. 막 ω의 센터에 편향도는0 (2)에 의해 주어집니다,

ω0 = (p •아)4/(64 • D) ----- (2)

p가 있는 곳에 적용되는 압력 및 D는 막 (3)의 flexural 단단함입니다.

D = (E • t)2/12 [1-μ2] ----- (3)

E는 Young 계수입니다, t는 막의 간격이고 μ는 Poisson의 비율입니다4.

제작 프로세스의 복합성 및 제작을 위해 요구된 가면의 수를 감소시키기 위하여, 센서의 반경 및 막 사이 간격은 다른 감도를 달성하기 위하여 변화된 막의 조정 그리고 간격 입니다. 더구나, 센서의 반경에 압력 감도의 제 4 명령 미결은 증가시킨 비용으로 이끌어 내는 센서 반경을 정의하는 매우 정밀한 식각 통제를 요구합니다. 막 사이 간격은 0.5µm에 놓입니다, 센서의 반경은 70µm에 놓이고 알루미늄 필름의 간격은 0.6µm에서 1µm까지 100kPa에서 450kPa에 감도를 변화하기 위하여 변화됩니다.

시뮬레이션

디자인은 Coventorware® 의 통용되는 MEMS 시뮬레이션을 위한 시뮬레이션 공구를 사용하여 기능과 작동을 위해 시험됩니다. FIG. 1과 FIG. 2 발동 전후에 센서의 쇼 시뮬레이션. 모형은 z 축선에서 세부사항을 보여주기 위하여 과장됩니다. 압력 숫자에서 때문에 막의 진지변환은 보이고 시뮬레이션에서 결과는 산출한 가치와 일치하여 입니다.

활성화의 앞에 중앙에 있는 식각 구멍을 가진 센서의 숫자 1. 모형.
활성화 후에 센서 막에 있는 편향도를 보여주는 숫자 2. 모형.

시뮬레이션은 또한 최고 막을 위해 다른 윤곽 및 물자 디자인하고 시험하기로 돕습니다. 센서의 소집은 꼬리표의 감도를 향상하고 무작위 잘못된 센서에서 결함 허용 능력으로 돕기 위하여 평행으로 연결됩니다.

제작

센서 꼬리표는 표준 박막 트랜지스터 프로세스를 사용하여 (TFT) VLSI 프로세스를 가진 겸용성을 지키고 제작 비용을 삭감하기 위하여 날조됩니다. 센서는 유연한 기질에 헬멧 견부 패치의 뒤일 수 있는 설치 표면을 가진 conformality를 지키기 위하여 날조됩니다. 장치의 제작에 사용된 모든 프로세스는 기질의 보전성을 보호하는 저온 입니다.

가공 교류

센서의 제작에 있는 처음 단계는 운반대 기질에 유연한 폴리에틸렌 naphthalate (펜) 기질을 접착시키는 관련시킵니다5. 접합 프로세스는 기질에 능력을 발휘한 모든 처리 단계를 영속할 수 있는 소유 화합물을 사용하여 실행됩니다.

접합 다음, 인 알루미늄의 얇은 층은 예금해 밑바닥 전극을 형성하기 위하여 사용됩니다 침을 튀깁니다. 알루미늄은 xenondifluoride (XeF) 끝에 실행되는 희생적인 식각 방출 프로세스에2 좋은 식각 선택성을 제안하는6,7 때 때 전극 물자 선택될 것입니다. 두꺼운 실리콘이 인 0.5µm는 2개의 전극 사이 희생적인 층을 형성하기 위하여 예금해 침을 튀깁니다. 최고 전극은 또한 그의 간격이 요구한 감도를 얻는 것을 선택한 인 침을 튀기에 의하여 예금된 알루미늄 층을 모방해서 형성됩니다. 알루미늄을 사용하여 촬영하더라도 다른 Young 계수를 가진 금속과 같은 그밖 물자를 선택될 수 있더라도 수행되었더라도. 2개의 전극 사이 간격은 떨어져 있 실리콘 센서의 지역을 통해 둔 철저한 식각 구멍을 식각해서 만듭니다. 제작에 있는 마지막 단계는 운반대 기질에서 날조한 장치로 펜 기질을 debonding 관련시킵니다. FIG. 3, 4 및 5는 충격 센서의 제작에 사용된 가공 교류를 보여줍니다. 센서가 운반대 기질에서 debonded 후에 전기 이동 물자의 지구는 센서의 활성화를 표시하기 위하여 붙어 있습니다.

숫자 3. 센서를 위한 예금과 패턴 밑바닥 전극
숫자 4. 예금 실리콘 희생적인 층은 최고 금속을 거쳐 따랐습니다.
희생적인 구조물을 풀어 놓기 위하여 식각이 식각 구멍을 가진 숫자에 의하여 5. 패턴 최고 금속 능력을 발휘합니다.

실리콘 희생적인 식각

시간을 재는 XeF2 기체 실리콘 식각 프로세스는 센서의 규모를 정의하고 차례차례로 센서 꼬리표의 단위 원가를 낮추는 실리콘 층을 모방하는 추가 가면을 위한 필요를 삭제하기 위하여 이용됩니다.

기본적인 XeF2 식각 시스템은 장치2 약실에 차례차례로 연결되는 확장 약실에 연결된 XeF 근원으로 이루어져 있습니다. XeF2에는 고체이고 그러나 낮은 증기압이 고체가 실내 온도와 대기압으로 가스로 바뀌는 원인이 되는 있습니다. 식각 프로세스를 통제하기 위하여는, 고체는 확장 약실에 있는 세트 압력에 확장하는 것이 허용됩니다. 가스는 그 때 견본을 붙드는 장치 약실을 입력하는 것이 허용됩니다. 가스는 etchant 약실 높은 쪽으로 완전하게 밖으로 양수된과 지정된 양 주기를 위해 반복된 프로세스 사용된 후에, 또한 주기 시간으로 불린 예정 시간 동안 반작용하는 것이 허용됩니다. 2µm/min의 식각 비율은 확장 압력이 2.7mTorr에 놓일 때 관찰됩니다. etchant 도움의 기체 본질은 젖은 etchant를 사용하여 풀어 놓인 구조물에서 일반 stiction를 극복합니다. 8 식각은 센서를 풀어 놓기를 위해 적당하기 위하여 매 60 초를 오래 찾아냈습니다 순환합니다.

펜 기질에 날조된 센서의 그림은 FIG. 6에서 보이고 FIG. 7. FIG. 6 쇼 저항 측정을 위한 패드를 가진 센서와 FIG. 7은 전시 성분을 가진 통합 센서 꼬리표를 보여줍니다.

가장자리의 주위에 중앙과 측정 패드에 있는 센서 소집을 보여주는 날조된 센서의 숫자 6. 심상.
숫자 7. 센서 소집은 전시 성분과 통합했습니다.

시험 결과

제작이 막의 방출을 확인하고 제작 프로세스를 세련한 것을 도운 후에 센서의 광학과 스캐닝 전자 영상. 활성화가 디자인을 유효하게 하기 전후에 센서의 심상. 센서의 광학적인 심상은 FIG. 8.에서 보입니다.

활성화 전후에 센서를 보여주는 숫자 8. 센서 소집의 광학적인 심상.
숫자 9. SEM 심상과 센서 전시의 거짓말 커트는 막을 모양없이 했습니다.

FIG. 9는 활성화 전후에 막에 있는 변경을 표시하는 센서의 SEM 심상을 보여줍니다. 막의 하나 (FIB)를 통해 집중된 이온살 커트는 막과 밑바닥 전극 사이 간격을 확인하기 위하여 능력을 발휘합니다. 막 붕괴의 검증에, 2개의 전극을 통해 저항 측정은 각종 센서를 위해 기록되고 독서는 도표 1.에 목록으로 만들어집니다.

활성화 전후에 다른 센서를 위한 도표 1. 저항.

저항 측정
저항
100kPa
300kPa
450kPa
활성화의 앞에
9.5MΩ
50MΩ
10.5MΩ
활성화 후에
15MΩ
14MΩ
16MΩ

유연한 펜 기질에 날조된 장치에서 예비 결과는 아주 유망하 측정한 충격관에 있는 장치의 테스트는 네이틱에 있는 미국 육군 네이틱 군인 연구, 발달, & 기술설계 센터, MA에 진행 중에 입니다.

결론

폭발의 강렬 검출하고 기록하기 가능한 수동적인 충격파 압력 센서는 유연한 펜 기질에 날조되었습니다. MEMS 축전기는 100kPa에서 450kPa에 압력을 검출하고 기록하기 위하여 통합 전기 이동 전시 성분을 가진 접을 수 있는 막을 날조해 달라고 하는 구조물을 좋아합니다. 처음 테스트에서 유래하는 데이터는 센서 디자인을 세련하고 감소된 보병 인쇄를 위한 다중 센서를 및 증가시킨 범위 및 해결책 통합하기 위하여 이용되고 있습니다.


참고

  1. 더글러스 S. DeWitt와 Donald S. Prough는, "뇌손상 및 Posttraumatic 저혈압 및 Hypoxemia," PP 돌풍 유도했습니다. 877-887, 2009년 6월.
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  4. S.P. Timoshenko, "격판덮개와 쉘의 이론", McGraw 언덕 1940년.
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  6. L.R. Arana, N.D. Mas, R. Schmidt, A.J. 프란츠, M.A. Schmidt 및 K.F. Jensen, "," J Micromech Microengineering micromachining, MEMS를 위한 불소 가스에 있는 실리콘의 등방성 에칭 Vol. 17, PP. 384-392, 2007년.
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저작권 AZoNano.com, MANCEF.org

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

Last Update: 14. June 2013 04:23

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