在灵活的基体制造的高峰冲击检测传感器系统

由 Narendra Lakamraju 博士

Narendra Lakamraju, Sameer M. Venugopal,斯蒂芬 M. 菲利普和大卫 R Allee,亚利桑那州立大学
对应的作者: naren@asu.edu

包括的事宜

摘要
简介
设计
     计算
     模拟
制造
     流程
     硅牺牲铭刻
检验结果
结论

摘要

人事部持续暴露对展开冲击波知道造成可能导致不能挽回的损伤,如果及早没检测并且需要设计传感器可能检测,记录和显示冲击信息的内部故障。 我们存在工作造成设计和生产在灵活的基体的被动冲击传感器增加的轻便改进的功能的。

简介

闭合领袖脑子创伤是难诊断和对待两个在快速决策需要的域,以及在早期的决策可能影响恢复和修复的长期预测的医院环境里。 因为处理的适当的当务之急可能有对长期预测的巨大效果域决策是关键的。 而且,创伤脑伤种类和严重级别的知识受的是极其重要的在开发和建议适当的更加长期的修复方法。 不被忽略是心理重要性的能提供可实现的期望给这名患者和他们的系列和照料者1,2

一个广泛部署的,有效解决方法提供准确渐增高峰疾风剂量评定将是有效的在直接提供更好的病人护理和在启用一个准确基于实验的设计的发展为创伤脑伤模式和严重级别由于疾风剂量的特定类型、大小和期限。 这个技术理论基础是利用在灵活的基体电子的最近创新和显示技术通过集成疾风 (压) 感觉的一个象 MEMS 的传感器制造进程。 唯一批制造处理集成的传感器、电子和显示为宽比例配置将提供最低价必需。

传感器标签将需要是被动的本质上消灭需要对于一件固定功率用品记录信息3。 一个显示元件的综合化对这个标签的将使治疗类选法军医读和可能诊断在这个域的 (TBI)创伤脑伤。

此传感器系统可能也用于开采应用检测人事部冲击体验的相当数量。 这个系统的修改版本可能也用于衡量结构的完整性显示在持续冲击波和可能防止开采事故。 在繁忙的区评定强度停留大厦的冲击波在爆破期间的标签可能提供有用的数据往更好的控制和可接受的冲击级别。 发出从音频来源的强度通知可以被评定,不用使用消耗大的设备和设置。 此信息可以用于确定监听程序的安全的音频级别和防止听觉故障由于喧闹声。

设计

传感器标签包括传感器被连接到一个电泳显示元件。 传感器有象结构的一台电容器与在一个固定的电极上被暂停的一个可折叠膜。 在膜和灵活的膜的厚度的之间间隔用于控制折叠点。 当压通知碰撞可移动的膜时,它在这个间隔间偏转在电极之间并且联系与固定的电极的联络。 当做联络电极后,范 der Waal 的并且/或者卡齐米的强制防止膜移动回到其原始位置。 在阻抗上的变化在二个电极之间然后用于检测折叠和通过电阻器网络激活显示元件。

计算

传感器的折叠压与膜的传感器的厚度,空间之间,半径和这种金属的属性有关如 (1) 所显示。

ω (r) = [ω0 {1 - (r/a)2}] ----- (1)

那里ω0 是偏折在膜的中心, a 是传感器的半径。 在膜ω的中心0 (2) 产生偏折,

ω0 = (p •a)4/(64 • D) ----- (2)

那里 p 应用的压和 D 是膜 (3) 的弯曲坚硬。

D = (E • t)2/12 [1-μ2] ----- (3)

E 是年轻的模数, t 是膜的厚度,并且μ是泊松的比例4

要减少制造进程的复杂和对于制造是必需的屏蔽的数量,传感器的半径和在膜之间的间隔是固定和变化的膜的厚度达到不同的区分。 并且,声压灵敏度的第四命令依赖性对传感器的半径的需求超定义导致增加的费用的传感器半径的细致的铭刻控制。 在膜之间的间隔被设置在 0.5µm,传感器的半径被设置到 70µm,并且铝影片的厚度从 0.6µm 变化到 1µm 变化区分从 100kPa 到 450kPa。

模拟

使用 Coventorware®,常用模拟的工具为 MEMS 模拟,设计为功能和运算被测试。 图 1 和图 2 传感器的显示模拟在驱动前后的。 这个设计在这个 Z轴被夸大显示详细资料。 膜的位移由于压在图显示与被计算的值意见的一致,并且从模拟的结果是。

图 1. 传感器设计有铭刻漏洞的在启动前的中间名。
图 2. 显示偏折的设计在传感器膜在启动以后。

模拟也帮助与设计和测试不同的配置和材料顶部膜的。 一些传感器平行被连接改进这个标签的区分和帮助与从任意有故障的传感器的容错功能。

制造

传感器标签被制造使用标准薄膜晶体管 (TFT)进程保证与 VLSI 进程的兼容性和减少制造费用。 传感器在一个灵活的基体被制造保证与可以是盔甲或肩章的返回的安装面的正形性。 用于生产的所有进程设备是保护这个基体的完整性的低温。

流程

在生产的第一步传感器介入结合灵活的聚乙烯 naphthalate (笔) 基体与承运人基体5。 接合进程进行使用可能忍受在这个基体执行的所有处理步骤的一种所有权化合物。

在接合之后,是铝的薄层飞溅存款使用形成下电极。 铝被选择,当电极材料,当它为进行在这个末端的 xenondifluoride2 (XeF) 牺牲铭刻6,7 版本进程提供好铭刻选择性。 厚实的硅是的 0.5µm 飞溅存款形成在二个电极之间的牺牲层。 顶部电极由仿造厚度是选择获得期望区分的飞溅存款铝层也形成。 虽然测试执行使用铝摄制其他材料例如与另外年轻的模数的金属可能被选择。 在二个电极之间的间隔是通过铭刻去在传感器的区间被安置的硅详尽的铭刻漏洞创建的。 在制造的最后一步介入 debonding 笔基体与从承运人基体的被制造的设备。 图 3, 4 和 5 显示用于生产的这个流程冲击传感器。 在传感器从承运人基体后 debonded 电泳材料主街上附上指示传感器的启动。

图 3. 传感器的定金和模式下电极
图 4. 定金硅牺牲层被顶部金属按照。
图 5. 与铭刻漏洞的模式顶部金属和执行牺牲铭刻发行结构。

硅牺牲铭刻

一个定时 XeF2 气体硅铭刻进程用于定义传感器的范围和消灭需要对于另外的屏蔽仿造反过来降低传感器标签的单位成本的硅层。

一个基本的 XeF2 铭刻系统包括 XeF2 来源被连接到与设备房间反过来被链接的扩大室。 XeF2 是固体,但是有低汽压造成这种固体变成气体以室温和大气压。 要控制铭刻进程,这种固体允许扩展到在扩大室的集压。 气体然后允许输入拿着这个范例的设备房间。 在 etchant 完全地用尽这个房间抽和为一定量的循环后,重复的这个进程气体允许起反应在也指循环时间一个预定时间。 当扩展压被设置对 2.7mTorr 时, 2µm/min 的铭刻费率被观察。 etchant 帮助的气体本质解决 stiction 公用在使用一湿 etchant 被发行的结构。 8 铭刻循环每 60 秒久被发现足够的为发行传感器。

在笔基体制造的传感器的照片在图 6 显示,并且图 7. 图 6 显示有填充的一个传感器阻力评定的和图 7 显示与显示元件的一个集成传感器标签。

一个被制造的传感器的图 6. 显示传感器列阵的图象在中间名和评定填充在边缘附近。
图 7. 传感器列阵集成与显示元件。

检验结果

传感器的光学和扫描电子图象,在制造确认膜的版本并且帮助精炼制造进程后。 传感器的图象,在启动验证这个设计前后。 传感器的光学图象在图 8. 显示。

图 8. 传感器列阵显示传感器的光学图象在启动前后。
图 9. SEM 图象和传感器陈列小谎剪切扭屈了膜。

图 9 显示指示在膜上的传感器的一个 SEM 图象变化在启动前后。 在一个的集中的 (FIB)离子束剪切膜间执行确认在膜和下电极之间的间隔。 在膜折叠的核实,在二个电极间的阻力评定为多种传感器被记录,并且读数在表 1. 被列出。

不同的传感器的表 1. 阻力在启动前后。

阻力评定
阻力
100kPa
300kPa
450kPa
在启动前
9.5MΩ
50MΩ
10.5MΩ
在启动以后
15MΩ
14MΩ
16MΩ

从在灵活的笔基体制造的设备的预备结果是非常有为的,并且设备测试在一个被校准的冲击激励管的是进行中在美国军队内蒂克战士研究、发展, & 工程中心在内蒂克, MA。

结论

被动冲击波压传感器能够检测和记录强度展开在灵活的笔基体被制造了。 MEMS 电容器喜欢安排有集成电泳显示元件的可折叠膜被制造检测和记录压从 100kPa 到 450kPa 的结构。 起因于最初的测试的数据用于精炼传感器设计和集成减少的英尺打印的多个传感器和增加的范围和解决方法。


参考

  1. 道格拉斯 S. DeWitt 和唐纳德 S. Prough, “疾风诱发的脑伤和 Posttraumatic 低血压症和 Hypoxemia”,页。 877-887, 2009年 6月。
  2. D. 监狱长, “在伊拉克和阿富汗战争期间的军事 TBI”, J. 头部受伤 Rehabil。,第21卷,页。 398-402, 2006年。
  3. T. Ng、 A.C. Arias, J.H. 丹尼尔, S. Garner, L. Lavery, S. Sambandan 和 G.L. Whiting。 温和的创伤脑伤诊断的灵活的被打印的传感器磁带。 存在 IDTechEx 打印了电子亚洲。
  4. S.P. Timoshenko, “牌照和壳的原理”, McGraw 小山, 1940年。
  5. S.M. 奥罗克, S.M. Venugopal, G.B. Raupp, D.R. Allee, S. Ageno, E.J. Bawolek, D.E. Loy, J.P. Kaminski, C. Moyer, B. 欧布里恩, K. Long, M. Marrs, D. Bottesch, J. Dailey, J. 特鲁希略角、 R. Cordova, M. Richards, D. Toy 和 N. Colaneri, “有效的在临时保税的不锈钢基体的矩阵电泳显示与 180 [程度] C Si :H TFTs”, SID,第39卷,页。 422-424, 2008年 5月 2008年。
  6. L.R. Arana, N.D. Mas、 R. 施密特, A.J. 弗朗兹, M.A. 施密特和 K.F. Jensen, “硅各向同性的蚀刻在氟素气体的 micromachining 的 MEMS 的”, J Micromech 微型工程,第17卷,页。 384-392, 2007年。
  7. I.W.T. 陈, K.B. 布朗, R.P.W. 劳森, A.M. 鲁宾逊,元 Ma 和 D. Strembicke, “气相硅脉冲蚀刻 MEMS 的与氙 difluoride”,电子和计算机工程, 1999年 IEEE 加拿大会议,第3卷,页。 1637-1642 个 vol.3, 1999年。

版权 AZoNano.com, MANCEF.org

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

Last Update: 14. June 2013 03:54

Tell Us What You Think

Do you have a review, update or anything you would like to add to this article?

Leave your feedback
Submit