柔性衬底上制备的峰值冲击检测传感器系统

纳伦德拉Lakamraju博士

讨论主题

摘要
简介
设计
计算
模拟
制造
工艺流程
硅牺牲蚀刻
测试结果
结论

摘要

人员连续接触爆炸冲击波已经知道，造成内部损伤，可导致不可弥补的损害，如果不及早发现，因此需要设计的传感器，可以检测，记录和显示冲击信息。我们目前在柔性衬底上的被动震动传感器，增强了便携性的增强功能的设计和制造工作。

简介

封闭头部脑外伤是很难诊断和治疗领域的快速决策是必需的，以及在医院的环境，早日作出决定可能会影响恢复和重建的长期预后。现场决定立即采取行动，因为适当的治疗可以有一个长期的预后有很大的影响至关重要。此外，颅脑受伤的类型和严重程度的知识是非常重要的，在发展中国家和制订适当的长期恢复战略。不容忽视的是能够提供切合实际的期望，病人和他或她的家人和照顾者的心理的^{重要性 1 ，} 2 。

广泛部署，符合成本效益的解决方案，提供准确的累积高峰爆炸剂量测量，将直接提供更好的护理病人和一个准确的实验为基础的模式和创伤性脑损伤的严重程度的模式发展，使由于特定类型的有效的，爆炸剂量的程度和持续时间。技术的基本原理是利用高炉检测（压力）相结合的一个MEMS传感器制造工艺，在柔性基板电子和显示技术的最新创新。单一批次的制造工艺，集成传感器，电子和显示将提供大规模部署所需的成本最低。

该传感器标签将需要被动的性质，以消除需要一个恒定的电源供应器记录^的信息3。标签显示元素的整合将有助于分流医务人员阅读和在该领域的创伤性脑损伤（TBI）的可能诊断。

该传感器系统也可以用在挖掘中的应用，检测人员经历的震动量。一个系统的修改后的版本也可以用来衡量暴露在连续的冲击波结构的完整性，并可能防止煤矿事故。标记，测量过程中在繁忙地区的强拆坚持建筑物的冲击波的强度，可以提供有用的数据，朝着更好的控制和可接受的冲击水平。从音频源所产生的波的强度可以测量，无需使用昂贵的设备和安装。这些信息可以用来确定安全的音频电平为听众和防止由于大声喧哗的听觉损害。

设计

该传感器标签由一个传感器连接到电泳显示元素。该传感器具有类似与上面的一个固定电极暂停可折叠的膜结构电容。膜和柔性薄膜厚度之间的间距是用来控制的崩溃点。当压力波罢工的动产膜，它通过电极之间的间距，使偏转与固定电极接触。接触电极后，范德瓦尔的和/或卡西米尔的力量，防止膜搬回到原来的位置。然后用两个电极之间的阻抗变化检测到崩溃，并通过一个电阻网络激活的显示元素。

计算

关闭传感器的压力与膜之间的间距，传感器的半径和财产（1）所示的金属厚度。

ω（R）= _[ω0 {1 - （R / ^A）2}] - - - - - （1）

其中_ω0是在膜的中心挠度，一个是传感器的半径。 （2），在膜_ω0的中心挠度

_ω0 ^{=（P•4）/（64•ð）} - - - - - （2）

其中P是施加的压力和D膜（3）抗弯刚度。

D =（E•吨^2）/ 12 [1 ^-μ2] - - - - - （3）

E是杨氏模量，t为厚度的膜和μ为泊松比⁴ 。

为了减少制造过程的复杂性和制造，传感器和膜之间的间距半径所需的口罩数是固定的，厚度不同的膜，以达到不同的敏感性。此外，四阶的压力灵敏度传感器的半径依赖需求的超精细蚀刻控制定义传感器的半径，从而导致成本增加。在0.5μm的膜之间的间距，传感器的半径设置为70μm和铝薄膜的厚度从0.6μm至1μm是多种多样的，不同的从100kPa至450kPa的敏感性。

模拟

测试功能和操作使用，常用的MEMS模拟仿真工具Coventorware ®的设计。图1和图。 2前后驱动的传感器的显示模拟。该模型是夸张的Z轴，以显示细节。的压力，由于膜的位移显示的数字和模拟结果与计算值一致。

图1。型号的传感器激活前的中间蚀刻孔 。

图2。模型显示，在激活后的传感器膜的偏转。

模拟还有助于设计和测试不同的配置和顶部膜材料。传感器阵列连接并行，提高标签的灵敏度和帮助随机故障的传感器容错。

制造

传感器标签都采用标准的薄膜晶体管（TFT）的过程，以确保与超大规模集成电路工艺的兼容性和降低制造成本。传感器是一个灵活的基板上制造，以确保安装表面的保形，可头盔的背部或肩部补丁。所有用于设备的制造过程是低温保护基材的完整性。

工艺流程

在制造传感器的第一步涉及粘接灵活聚乙烯萘（PEN）基板载体基板⁵ 。粘接工艺是使用专有的化合物，可以忍受在基板上进行的所有加工步骤。

以下粘接，一层薄薄的铝溅射沉积形成的底部电极。铝作为电极材料的选择，因为它提供了良好的蚀刻选择性_{xenondifluoride（XEF} 2）牺牲蚀刻^{过程中释放} 6，7，在年底进行。 0.5微米厚的硅溅射沉积形成的两个电极之间的牺牲层。顶电极也形成图案溅射沉积的铝层，其厚度是选择以获得所需的灵敏度。虽然测试使用的铝薄膜，可以选择不同的杨氏模量的金属，如其他材料。创建两个电极之间的间距是由蚀刻掉硅彻底置于整个传感器领域的蚀刻孔。在制作的最后一步是从载体基板制造设备的PEN衬底剥离。图3，4和5表明用于震动传感器制造过程流。传感器是由承运人基板debonded后的电泳材料的地带，是连接表明传感器激活。

图3存款底电极和传感器的格局 。

图4。存款顶部金属硅牺牲层。

图5。图案顶部金属蚀刻孔，并进行祭祀蚀刻释放结构 。

硅牺牲蚀刻

定时XEF ₂气态硅蚀刻工艺是用来定义传感器的大小和消除需要一个额外的掩模图案的硅层，从而降低单位成本的传感器标签。

一个基本XEF ₂蚀刻系统由一个XEF ₂连接到一个膨胀室，而这又是联系在一起的设备室的源。 XeF2是一个坚实的，但有一个蒸汽压力低，造成了坚实的改变在室温和大气压力的气体。为了控制蚀刻工艺，固是可以扩大到在一个膨胀室的压力。然后让气体进入设备室保存的样品。这种气体是允许的反应也称为后的腐蚀剂，是完全抽出室，并为一个周期反复的过程周期时间，预定的时间。扩容压力设置为2.7mTorr2μm/min蚀刻率观察。气体性质的腐蚀剂，有助于克服静摩擦力共同发布使用湿蚀刻液的结构。 8蚀刻周期每60秒长被认为是足以释放传感器。

笔基板制造的传感器的图片，如图所示。 6和图。 7。图6显示了一个与电阻测量和图垫传感器。 7显示了一个显示元素的集成传感器标签。

图6：一个传感器阵列在四周边缘的中间和测量垫制造传感器的图像。

图7。传感器阵列集成显示元素。

测试结果

光学和扫描电子图像传感器制造确认后释放膜，并帮助改进制造工艺。图像传感器激活之前和之后，对设计进行验证。光学图像传感器，如图所示。 8。

图8显示前和激活后的传感器，传感器阵列的光学图像。

图9。SEM图像传感器的显示变形膜的FIB切割。

图9显示了扫描电镜图像表明膜前后激活变化的传感器。切跨越膜的聚焦离子束（FIB）进行确认膜与底电极之间的间距。核查膜崩溃后，在两个电极的电阻测量记录表1中所列的各种传感器和读数。

表1。不同的传感器激活之前和之后的阻力。

灵活的笔基板制造的设备的初步结果是非常有前途，和测试设备在校准激波管正在进行美国陆军纳提克士兵研究，发展与工程中心的Natic​​k，MA。

结论

被动的冲击波压力传感器能够探测和记录爆炸强​​度已灵活笔基板上制作。 MEMS综合电泳显示元素可折叠的膜样结构的电容器已装配，检测和记录从100kPa至450kPa的压力。从最初的测试数据被用来改进的传感器设计和集成减少脚的打印和增加范围和分辨率的多个传感器。

参考文献

1. 德威特和唐纳德道格拉斯S. Prou​​gh，“爆炸致脑损伤和外伤性低血压和低氧血症，”877-887页，2009年6月。
2. D.监狱长，“在伊拉克和阿富汗战争的军事脑外伤，”J头部创伤复健，第一卷。 21，页398-402，2006。
3. T.伍，AC阿里亚斯，JH丹尼尔，S.加纳，L. LAVERY，Sambandan及GL鳕鱼。柔性印刷传感器磁带诊断为轻度脑外伤。 IDTechEx的印刷电子亚洲。
4. SP季莫申科，“板壳理论”，1940年，麦格劳 - 希尔。
5. SM奥罗克，SM Venugopal，GB Raupp，DR阿利，S. Ageno，EJ Bawolek，德洛伊，JP卡明斯基，C.莫耶，B.奥布莱恩，K.长，M. Marrs，D. Bottesch，J R.科尔多瓦，M.理查兹，D.玩具和北路Col​​aneri J.特鲁希略，戴利，“有源矩阵电泳显示器上临时保税不锈钢基片上180度] C的a - Si：H TFT的，”的SID，卷39，2008年，2008年5月，第422-424。
6. LR的阿拉纳，D. N. MAS，施密特，欧塞尔弗朗茨，马施密特和KF詹森，“各向同性蚀刻硅，氟气的MEMS微加工”J Micromech Microengineering，第一卷。 17，第384-392，2007。
7. 内陆水运陈元麻和D Strembicke，KB布朗，乡郊小工程劳森，上午罗宾逊，“气相脉冲氙氟硅蚀刻的MEMS，”电气和计算机工程，1999年IEEE加拿大会议上，第二卷。 3，与1637年至1642年第38卷，1999年。

版权所有AZoNano.com，MANCEF.org