Bu tədqiqat normal təzyiqi və səthə paralel iki istiqamətdəki kəsici qüvvələri aşkar edə bilən, tamamilə elastik bir səthə yayıla bilən və düz panel ekran (FPD) sənayesindəki geniş sahəli istehsal texnikaları ilə uyğun olacaq şəkildə hazırlanmış tutumlu MEMS əsaslı üçoxlu qüvvə sensoru inkişaf etdirir. Sistemin əsas vahidi tədqiqatçıların “piksel” adlandırdığı mikroölçülü sensordur. Hər pikseldə dörd müstəqil kondensator, nazik hava boşluğu üzərində asılı vəziyyətdə duran Si3N4 kəpənək formalı MEMS strukturu, mərkəzi qüvvə ötürücü çıxıntı və qoruyucu elastomer örtük yerləşir. Təzyiq altında dörd kondensator oxşar istiqamətdə reaksiya verdiyi halda, kəsici yükdə qarşı-qarşıya duran kondensator cütləri əks istiqamətdə dəyişərək diferensial ölçmə aparmağa imkan verir.
Təcrübələrdə tək piksel üçün normallaşdırılmış təzyiq həssaslığı 0,0013 kPa−1, normallaşdırılmış kəsici həssaslıq isə təxminən 2,6 × 10−3 kPa−1 əldə edilmişdir. Tədqiqatçıların təcrübə ilə doğrulanmış piksel modeli əsasında apardıqları miqyaslama hesabına görə, 1 cm² sahə daxilində 29 × 29 pikselin paralel qoşulduğu massivdə ilkin tutum təxminən 640 pF, təzyiq həssaslığı 0,841 pF/kPa və diferensial kəsici həssaslıq 2,859 pF/kPa ola bilər. Lakin bu son massiv dəyərləri birbaşa tam miqyaslı mexaniki ölçmə nəticələri deyil, ilkin massiv xarakterizasiyası və doğrulanmış piksel modeli üzərində qurulmuş proqnozlardır.
Tədqiqatın mühüm tərəfi yalnız yüksək həssaslıq deyil. Sensor klassik silikon MEMS-lərin sərtliyi ilə bir çox elastik polimer sensorlarının xüsusi və miqyaslandırılması çətin istehsal üsulları arasındakı boşluğu hədəfləyir. Nazik poliimid folqa üzərində standart səth mikrofabrikasiyası addımları ilə yaradılan struktur əyri səthlərin örtülə bilməsi ilə geniş sahəli seriyalı istehsala uyğun mikroistehsal yanaşmasını eyni platformada birləşdirməyi məqsəd qoyur.
Türkiyə baxımından texnologiya robotik tutucular, elektron dəri, protez və ekzoskelet interfeysləri, sənaye insan-maşın qarşılıqlı əlaqəsi və elastik elektronika tədqiqatları üçün diqqətəlayiq mühəndislik yanaşmasıdır. Bununla belə, işdə Türkiyədəki hər hansı FPD və ya MEMS istehsal xəttində tətbiq oluna bilməsi qiymətləndirilməmişdir. PECVD, DRIE, metal çökdürmə, kritik nöqtədə qurutma və lazer lift-off kimi mikroistehsal infrastrukturunun yerli istehsal şəraitində ayrıca qiymətləndirilməsi lazımdır.
Niyə üçoxlu və elastik qüvvə sensoruna ehtiyac var?
Səthə yalnız perpendikulyar istiqamətdə tətbiq olunan təzyiqi bilmək real toxunma və tutma davranışını tam izah etmir. Robot barmağı obyekti tutduqda və ya protez yuvası insan toxuması ilə təmas etdikdə eyni vaxtda həm normal təzyiq, həm də səthə paralel kəsici gərginliklər yarana bilər. Obyektin sürüşməyə başlayıb-başlamaması, təmasın təhlükəsiz olub-olmaması və ya istifadəçinin dərisində müəyyən sahədə yükün cəmləşib-cəmləşməməsi bu üçölçülü qüvvə sahəsi ilə əlaqəlidir.
Klassik yüksək performanslı tutumlu üçoxlu qüvvə sensorları əsasən silikon MEMS texnologiyasına əsaslanır. Bunlar mikroistehsal baxımından dəqiq ola bilsə də, sərt strukturları səbəbindən geniş və əyri səthlərə birbaşa uyğunlaşmaqda çətinlik çəkir. Elastik sensorlarda isə elastomer tökmə, xüsusi 3B çap edilmiş qəliblər və ya qat-qat laboratoriya montajı kimi üsullardan tez-tez istifadə olunur. Tədqiqatçılar bu üsulların geniş sahəli standart seriyalı istehsal baxımından məhdudiyyətlər daşıdığını və elastomerlərin sürünmə, temperatur, rütubət və ya davamlı deformasiya altında siqnal sabitliyi problemləri yarada biləcəyini bildirirlər.
İşin hədəflədiyi boşluq məhz buradadır: mikroistehsalın incə həndəsi nəzarətini qoruyaraq cihazın hamısını elastik folqa üzərində və FPD istehsalı ilə uyğun proseslə yaratmaq.
Sensorun əsas vahidi necə dizayn edildi?
Şəkil 1-də sensor yamasının və tək mikro sensor pikselinin laylı quruluşu göstərilir. Piksel elastik poliimid (PI) altlıq üzərinə yerləşdirilmişdir. Mərkəzi algılama elementi dörd körpü tərəfindən daşınan Si3N4 kəpənək formalı asılı MEMS lövhəsidir. Lövhənin üstündə Ti/Pt üst elektrod, altında isə dörd ayrı Ti/Pt alt elektrod yerləşir.
Bu quruluş dörd müstəqil kondensator yaradır:
- C11
- C12
- C21
- C22
Kəpənək lövhənin mərkəzindəki DFR əsaslı çıxıntı xüsusilə səthə paralel qüvvələrin MEMS strukturuna ötürülməsinə kömək edir. Bunun üzərində yerləşən SINR siloksan əsaslı yumşaq örtük isə xarici yükün ötürülə bildiyi qoruyucu təmas qatı yaradarkən MEMS-i maye və tozdan da qorumağı məqsəd qoyur.
| Əsas həndəsi parametr | Mənbədə verilən dəyər |
|---|---|
| Əsas piksel kənarı | 300 µm |
| Alt elektrod kənarı | 115 µm |
| Körpü uzunluğu | 128 µm |
| Körpü eni | 50 µm |
| PI altlıq qalınlığı | 15 µm |
| Ti/Pt metalın ümumi qalınlığı | 130 nm |
| Əsas Si3N4 struktur qatı | 2,6 µm |
| Elektrik izolyasiyası Si3N4 qatı | 100 nm |
| İlkin hava boşluğu | 90 nm |
| Mərkəzi bump kənarı | 150 µm |
| Bump qalınlığı | 50 µm |
| SINR örtük kənarı | 335 µm |
| SINR qalınlığı | 100 µm |
Təzyiq və kəsici qüvvə bir-birindən necə ayrılır?
Normal təzyiq tətbiq edildikdə mərkəzi bump aşağı doğru hərəkət edir və kəpənək strukturunun qanadları alt elektrodlara yaxınlaşır. Kondensator boşluqları oxşar şəkildə kiçildiyi üçün C11, C12, C21 və C22-də eyni işarəli tutum dəyişmələri yaranır. Bu simmetrik reaksiya normal təzyiq ölçməsinin əsasını təşkil edir.
Kəsici qüvvədə isə bump səthə paralel istiqamətdə hərəkət edir və kəpənək lövhə əyilərək bir tərəfə dönür. Məsələn, x istiqamətində kəsilmədə bir tərəfdəki C12 və C22 boşluqları kiçilərkən qarşı tərəfdəki C11 və C21 boşluqları böyüyə bilər. Beləliklə, bir kondensator cütünün siqnalı artarkən digərinin siqnalı azalır. Diferensial oxuma kəsici komponentin normal təzyiqdən ayrılmasını asanlaşdırır.
Bu mexanizm elastomer əsaslı bəzi sensorlarda görülən arzuolunmaz böyük üfüqi yerdəyişmənin azaldılması baxımından əhəmiyyətlidir. MEMS-in körpü həndəsəsi müstəvidaxili hərəkətlə müstəvidənkənar əyilmənin mexaniki olaraq idarə olunmasına imkan verir.
90 nanometrlik boşluq niyə vacibdir?
Tutumlu sensorlarda elektrodlar arasındakı məsafə azaldıqca kiçik mexaniki hərəkətlərin tutuma təsiri arta bilər. İşdə hava boşluğu cəmi 90 nm olaraq dizayn edilmişdir. Bu dəyər tədqiqatçıların yüksək həssaslıq hədəfinin mühüm komponentlərindən biridir.
Lakin belə nazik boşluq istehsaldan qaynaqlanan qalıq gərginliklərə də çox həssasdır. Real cihaz başlanğıcda ideal olaraq düz deyil: Si3N4 və metal qatlarındakı dartılma/sıxılma qalıq gərginlikləri kəpənək lövhənin dörd qanadının yuxarı əyilməsinə və mərkəzi sahənin aşağı hərəkət edərək altlıqla qismən təmas etməsinə səbəb olur. Buna görə yalnız ideal düz lövhə nəzəriyyəsi ilə sensor davranışını düzgün proqnozlaşdırmaq mümkün deyil.
FPD istehsalı ilə uyğunluq necə təmin edildi?
İstehsal imec-in Leuvendəki təmiz otaq infrastrukturunda, inkişaf məqsədilə 500 µm qalınlığında standart 150 mm şüşə daşıyıcı üzərində həyata keçirilmişdir. Elastik poliimid əvvəlcə müvəqqəti şüşə daşıyıcıya örtülmüş və 450 °C-də bərkidilmişdir. Daha sonra FPD istehsalında istifadə oluna bilən səth mikrofabrikasiyası texnikaları ilə MEMS qatları yaradılmışdır.
Şəkil 2-də istehsal zənciri mərhələli şəkildə göstərilir. Prosesdə əsasən aşağıdakı əməliyyatlar yer alır:
- Şüşə daşıyıcı üzərində PI elastik altlığın hazırlanması.
- TFT elektronikası ilə uyğun metal yönləndirmə qatlarının yaradılması.
- PECVD ilə Si3N4 dielektrik qatının çökdürülməsi.
- Ti/Pt alt elektrodların yaradılması.
- Xrom qurban qatının çökdürülməsi.
- Üst dielektrik və Ti/Pt üst elektrodun yaradılması.
- Struktur Si3N4 qatının PECVD ilə çökdürülməsi.
- DFR mərkəzi bump strukturunun laminasiyası və naxışlanması.
- Qurban qata giriş kanallarının DRIE ilə açılması.
- Xrom qurban qatının yaş aşındırma ilə uzaqlaşdırılması.
- Kapilyar yapışmanın qarşısını almaq üçün CO2 kritik nöqtədə qurutma.
- SINR qoruyucu elastomerin laminasiyası və fotonaxışlanması.
- Lazer lift-off ilə elastik strukturun şüşə daşıyıcıdan ayrılması.
SINR laminasiyası 100 kPa təzyiq və 80 °C temperaturda aparılmış, fotonaxışlamadan sonra 110 °C-də post-exposure bake tətbiq edilmişdir. Xrom qurban qatının uzaqlaşdırılması üçün struktur təxminən dörd saat aşındırıcı içində saxlanılmışdır.
Real sensor yamaları istehsal edildi?
Bəli. Şəkil 3-də 150 mm şüşə daşıyıcı üzərində istehsal edilmiş müxtəlif sensor yamaları və fərqli piksel həndəsələri göstərilir. Tədqiqatçılar 2,7 × 2,7 cm² və 2 × 1 cm² kimi müxtəlif yama ölçüləri istehsal etmişdir. Həmçinin 300 × 300 µm², 150 × 150 µm² və 90 × 90 µm² səviyyələrində fərqli MEMS həndəsələrinin istehsal oluna bilməsi göstərilmişdir.
Şəkil 4-də şüşə daşıyıcıdan ayrılmış tam elastik yamalar görünür. 2,7 × 2,7 cm² struktur dörd ədəd 68 pinli elastik bağlantı ilə, 2 × 1 cm² struktur isə bir elastik bağlantı ilə xarici elektronikaya qoşulmuşdur. Bu nəticə sensorların yalnız tək laboratoriya MEMS-i kimi deyil, çoxsaylı piksel ehtiva edən elastik yamalar şəklində istehsal oluna bildiyini göstərir.
Bununla belə, “FPD istehsalı ilə uyğun” ifadəsi ilə “kommersiya FPD panel xəttində tam sahəli seriyalı istehsal həyata keçirilib” ifadəsi eyni şey deyil. Tədqiqatın fiziki nümayişi 150 mm daşıyıcı üzərində aparılmışdır; daha böyük FPD panel miqyasına keçid bu işdə istehsal kampaniyası ilə nümayiş etdirilməmişdir.
3B sonlu element modeli niyə lazım idi?
Real MEMS başlanğıcda qalıq gərginliklər səbəbindən deformasiyaya uğradığı və bəzi sahələri altlıqla təmas etdiyi üçün tədqiqatçılar COMSOL Multiphysics 5.6-da tam üçölçülü sonlu element modeli yaratdılar. Model qatların elastik xüsusiyyətlərini, istehsaldan qaynaqlanan ilkin gərginlikləri, SINR-nin təxminən sıxılmayan davranışını və MEMS-altlıq təmasını birlikdə nəzərə alır.
Sonlu element toru ikinci dərəcəli 18 düyünlü wedge elementlərdən ibarət olmuşdur. Cəmi 21.336 element və təxminən 185.556 sərbəstlik dərəcəsi istifadə edilmişdir. Təmas problemi penalty üsulu ilə həll edilmişdir.
Asılı lövhənin alt səthi ilə elastik altlıq arasındakı təmas şərti mənbədə aşağıdakı münasibətlə ifadə olunur:
\[ w_{\mathrm{but}}(x)-w_{\mathrm{sub}}(x)-g_{\mathrm{cavity}}=0 \]
Burada \(w_{\mathrm{but}}\) kəpənək strukturunun, \(w_{\mathrm{sub}}\) elastik altlığın şaquli yerdəyişməsini və \(g_{\mathrm{cavity}}\) ilkin boşluğu ifadə edir.
Tutum necə hesablanır?
Elektrodlar arasındakı dəyişən hava aralığının tutuma töhfəsi aşağıdakı kimi hesablanır:
\[ C_{\mathrm{gap}} = \int_{S_e} \frac{\varepsilon_{\mathrm{air}}\varepsilon_0} {g_{\mathrm{cavity}}+w_{\mathrm{sub}}(x)-w_{\mathrm{but}}(x)} \,dA \]
Üst elektrodla hava boşluğunu ayıran Si3N4 qatının tutumu isə:
\[ C_{\mathrm{Si_3N_4}} = \varepsilon_{\mathrm{Si_3N_4}}\varepsilon_0 \frac{S_e}{t_{s1}} \]
şəklində verilmişdir. İki töhfə ardıcıl qoşulmuş ekvivalent tutum kimi qiymətləndirilir:
\[ C= \frac{C_{\mathrm{gap}}C_{\mathrm{Si_3N_4}}} {C_{\mathrm{gap}}+C_{\mathrm{Si_3N_4}}} \]
Algılanan elektrik dəyişməsi:
\[ \Delta C=C-C_0 \]
ifadəsi ilə müəyyən olunur. Buradakı \(C_0\), yalnız ideal həndəsədən hesablanan deyil, istehsaldan qaynaqlanan ilkin deformasiyanı da əhatə edən real ilkin tutumdur.
Model real ilkin deformasiyanı düzgün proqnozlaşdırdı?
Şəkil 6-da optik mikroskop, rəqəmsal holoqrafik profilometriya və FEM nəticəsi müqayisə olunur. Təcrübədə kəpənək qanadlarının künclərində orta maksimum yuxarı istiqamətli yerdəyişmə təxminən 807 nm ölçülmüşdür. Model eyni sahədə 793 nm maksimum yerdəyişmə hesablamışdır.
Bu yaxınlıq istehsaldan qaynaqlanan qalıq gərginliklərin modelə daxil edilməsinin zəruri olduğunu təsdiqləyən mühüm nəticələrdən biridir. Daha sonra 10–90 µN intervalında nöqtəvi şaquli yük tətbiq edilərək eksperimental qüvvə–yerdəyişmə əyrisi ilə model nəticəsi müqayisə edilmiş və tədqiqatçılar iki əyri arasında güclü uyğunluq müşahidə etmişdir.
Elektrik ilkin tutumu modellə uyğun gəldi?
Elektrostatik xarakterizasiyada üst elektroda 0–8 V arasında DC gərginlik tətbiq edilmiş və xaricdən mexaniki yük verilmədən tutum ölçülmüşdür. Ölçülmüş ilkin tutum 0,76 pF, 3B FEM modelinin proqnozu isə 0,764 pF olmuşdur.
Gərginlik artdıqca elektrostatik cazibə kəpənək qanadlarını altlığa yaxınlaşdırmış və tutum yüksəlmişdir. 35 V-a qədər aparılan doyma testində hava boşluğunun böyük ölçüdə bağlanması ilə tutum dəyişməsi təxminən 6 pF səviyyəsində doyma nöqtəsinə çatmışdır.
Təzyiq təcrübəsində hansı nəticələr əldə edildi?
Təzyiq xarakterizasiyasında 25 µm radiuslu almaz prob mərkəzi bump üzərinə şaquli qüvvə tətbiq etmişdir. İstifadə olunan qüvvələr 30–141 µN intervalındadır. Eyni vaxtda Keysight E4980A LCR metr ilə tutum dəyişməsi ölçülmüş və təcrübələr 3B modellə yenidən hesablanmışdır.
Təcrübə və simulyasiya əyriləri uyğunlaşdıqdan sonra model cihazın bütün təzyiq intervalını qiymətləndirmək üçün istifadə edilmişdir. Hesablanmış doyma təzyiqi təxminən 1800 kPa-dır. 0–300 kPa intervalı insan toxunma qavrayışı ilə bağlı tətbiqlər baxımından ayrıca araşdırılmışdır.
150 kPa ətrafında tək piksel təzyiq həssaslığı:
1 × 10−3 pF/kPa
olaraq hesablanmışdır. İlkin tutuma normallaşdırıldıqda:
0,0013 kPa−1
dəyəri əldə edilmişdir.
Tədqiqatçılar bu dəyəri əvvəlki tutumlu elastik üçoxlu sensorlarla müqayisə edir və öz cihazlarının daha yüksək normallaşdırılmış həssaslıq təqdim etdiyini bildirirlər. Bununla belə, müxtəlif nəşrlərdə həndəsələr, iş diapazonları və sınaq şərtləri eyni olmadığı üçün bu müqayisə mütləq məhsul sıralaması kimi şərh edilməməlidir.
Təzyiq altında MEMS-in fiziki hərəkəti necə olur?
175 kPa təzyiq altında FEM nəticəsi başlanğıcda altlıqla qismən təmas edən mərkəzi sahənin yükü kəpənək qanadlarına ötürdüyünü və dörd qanadın simmetrik şəkildə aşağı əyildiyini göstərir. Kondensator boşluqlarının kiçilməsi dörd tutumun da artmasına səbəb olur.
1800 kPa-dakı doyma şəraitində asılı strukturun hava boşluğu tamamilə bağlanır. Struktur Si3N4 qatında hesablanmış maksimum uzununa dartılma gərginliyi təxminən 0,25 GPa-dır. Məqalə bu dəyəri ədəbiyyatda bildirilən təxminən 6 GPa CVD Si3N4 film möhkəmliyindən xeyli aşağı hesab edir.
Kəsici qüvvə necə sınaqdan keçirildi?
Kəsici sınaqda mərkəzi bump-ın yan tərəfinə üfüqi hərəkət tətbiq edən lateral prob istifadə edildi. Bump-ın üfüqi yerdəyişməsi mikroskop görüntülərindən müəyyən edilərkən dörd kondensatordakı dəyişmələr LCR metr ilə ölçüldü.
x istiqamətində hərəkət tətbiq edildikdə C12 və C22 tərəfindəki qanadlar aşağı hərəkət edərək tutumu artırmış, C11 və C21 tərəfi isə yuxarı hərəkət edərək tutumu azaltmışdır. Beləliklə, kəsilmə istiqaməti əks işarəli elektrik siqnalları ilə müəyyən edilə bilir.
Eksperimental nəticələr 3B FEM modeli ilə yaxşı uyğunluq göstərmişdir. Model daha sonra təxminən 1400 kPa-a qədər kəsici yük üçün istifadə edilmişdir.
| Kəsici şərt | Piksel həssaslığı |
|---|---|
| Təxminən 40 kPa, C12/C22 | 2 × 10−3 pF/kPa |
| Təxminən 100 kPa, C12/C22 | 4 × 10−3 pF/kPa |
| Araşdırılan intervalda C11/C21 | Təxminən −1,4 × 10−3 pF/kPa |
Təxminən 40 kPa kəsici şəraitdə normallaşdırılmış kəsici həssaslıq 2,6 × 10−3 kPa−1 olaraq hesablanmışdır.
Sadələşdirilmiş analitik model niyə kifayət etmədi?
Tədqiqatçılar kəsici davranış üçün sadələşdirilmiş analitik ifadələr də çıxarmışdır. Lakin bu model kəpənək lövhənin başlanğıcda tamamilə düz olduğunu və altlıqla təmas etmədiyini fərz edir. Reallıqda istehsaldan qaynaqlanan gərginliklər səbəbindən ilkin təmasın olması hərəkəti məhdudlaşdırır.
Şəkil 9g-də analitik modelin tutum dəyişməsini nəzərəçarpacaq dərəcədə artıq proqnozlaşdırdığı görünür. Təxminən 40 nm üfüqi yerdəyişmədən yuxarı analitik yanaşma fiziki baxımdan da etibarsız olur. Bu nəticə işin ən mühüm modelləşdirmə dərslərindən biridir: nanometr miqyaslı boşluqlarda real istehsal deformasiyası və təmas problemi nəzərə alınmadıqda sadə analitik formullar yanıltıcı ola bilər.
Təxminən 110 milyon dövrlük test nə göstərdi?
Sabitlik testində MEMS strukturları rezonans tezliyində təxminən 4 nm vibrasiya amplitudası ilə təxminən 110 milyon dövr işlədilmişdir. Tədqiqatçılar sınaqdan sonra rezonans tezliyində dəyişiklik müşahidə etməmiş; eyni şəkildə amplituda/gərginlik cavabında da ölçülə bilən pisləşmə bildirməmişdir.
Müəlliflər 4 nm amplitudanın təxminən 175 kPa təzyiqə, yəni öz toxunma təsnifatlarında “firm grip” şəraitinə uyğun gəldiyini; 110 milyon dövrün isə saniyədə bir tutma edən robot üçün təxminən bir illik istifadə miqyasına bərabər olduğunu bildirirlər.
Bu nəticə güclü yorulma/gərginlik relaksasiyası göstəricisidir; lakin real robotik mühitdə bir illik sahə sınağı deyil. Dəyişən temperatur, rütubət, davamlı əyilmə, zərbə, çirklənmə və fərqli yük kombinasiyaları eyni təcrübədə sınaqdan keçirilməmişdir.
Massiv şəklində işləyə bilər?
İşdə yalnız tək MEMS pikseli deyil, 9 × 9 pikseldən ibarət massivlər də elektrik baxımından xarakterizə edilmişdir. Piksel tutumlarının paralel qoşulması ilə ümumi tutumun piksel sayı ilə təxminən miqyaslandığı görülmüşdür. Tədqiqatçılar bunu pikseldən pikselə cavab uyğunluğunun ilkin sübutu kimi qiymətləndirirlər.
Qonşu piksellər arasındakı qarşılıqlı təsiri qiymətləndirmək üçün crosstalk testləri aparılmışdır. Elektrostatik həyəcanlandırmada elektrik və mexaniki təsirləri birlikdə əhatə edən orta crosstalk dəyərləri 5 fF-ni aşmamışdır. Bir pikselə mexaniki təzyiq və ya kəsici qüvvə tətbiq olunub qonşu piksel yüksüz saxlanıldıqda mexaniki crosstalk-dan qaynaqlanan orta tutum dəyişmələri isə 3 fF-dən aşağı qalmışdır.
Bu nəticə sensorun təmasın hansı sahədə baş verdiyini məkan baxımından ayırd etmə potensialını dəstəkləyir. Lakin tədqiqatçılar massiv xarakterizasiyasının hələ ilkin mərhələdə olduğunu xüsusi vurğulayırlar.
1 cm²-lik sensor üçün proqnozlaşdırılan performans
Piksel addımı və mövcud istehsal həndəsəsi nəzərə alınaraq tədqiqatçılar 1 cm² sahəyə 29 × 29, yəni 841 piksel yerləşdirilə biləcəyini hesablamışdır. Paralel elektrik qoşulması ilə hər müstəqil kondensator kanalı üçün ilkin tutumun təxminən 640 pF olacağı proqnozlaşdırılır.
Barmaqla aparılan tətbiq təcrübəsi nə göstərir?
Şəkil 12-də sensor massivinə real toxunma təması tətbiq edilmiş və zamana bağlı tutum dəyişmələri qeydə alınmışdır. Bu siqnallar daha sonra normal təzyiqə və x istiqamətli kəsici gərginliyə çevrilmişdir. Beləliklə, sistemin real toxunma zamanı iki fərqli mexaniki komponenti zaman sırası kimi çıxara bildiyi ilkin səviyyədə göstərilmişdir.
Lakin bu təcrübə tam miqyaslı 29 × 29 massivin kalibrlənmiş paylanmış yük doğrulaması deyil. Məqalə daha əhatəli massiv ölçmələrinin gələcəkdə aparılacağını açıq şəkildə bildirir.
İşin güclü tərəfləri
- Elastik folqa üzərində real MEMS sensor istehsalı həyata keçirilmişdir.
- Təzyiq və kəsilmənin müstəqil/diferensial algılanmasına imkan verən dörd kondensatorlu simmetrik struktur hazırlanmışdır.
- 90 nm-lik nazik kondensator boşluğu yüksək həssaslıq hədəfini dəstəkləyir.
- İstehsaldan qaynaqlanan qalıq gərginlikləri və MEMS-altlıq təmasını əhatə edən 3B FEM modeli təcrübələrlə doğrulanmışdır.
- Mexaniki, elektrostatik, təzyiq və kəsilmə xarakterizasiyaları bir-birini tamamlayır.
- Müxtəlif piksel və yama ölçülərinin istehsal oluna bilməsi göstərilmişdir.
- Təxminən 110 milyon dövrlük dinamik sabitlik testi aparılmışdır.
- 9 × 9 massiv və qonşu-piksel crosstalk təcrübələri aparılmışdır.
İşin məhdudiyyətləri
- Geniş sahəli FPD istehsalı ilə uyğunluq göstərilsə də, tam ölçülü kommersiya FPD panel xəttində seriyalı istehsal nümayişi aparılmamışdır.
- 29 × 29, 1 cm² massiv üçün verilən həssaslıqlar tam miqyaslı mexaniki massiv ölçməsi deyil, model və ilkin xarakterizasiyaya əsaslanan proqnozlardır.
- Real istifadədə temperatur, rütubət, zərbə və davamlı makroskopik əyilmənin birgə təsiri əhatəli şəkildə sınaqdan keçirilməmişdir.
- Uzunmüddətli test rezonans dövrlərinə əsaslanır; illərlə davam edən real robotik sahə istifadəsinin birbaşa qarşılığı deyil.
- Barmaq toxunma təcrübəsi tətbiq potensialını göstərir, lakin klinik və ya istifadəçi tədqiqatı deyil.
- Texnologiyanın inteqrə edilmiş TFT oxuma elektronikası ilə tam sistem səviyyəsində məhsul nümayişi bu işin əsas əhatə dairəsinə daxil deyil.
Bu tədqiqat nəyi göstərir, nəyi göstərmir?
İş göstərir ki, elastik poliimid üzərində FPD istehsal texnikaları ilə uyğun tutumlu MEMS üçoxlu sensor istehsal etmək mümkündür, tək piksel təzyiq və kəsilməyə həssasdır, onun eksperimental davranışı istehsaldan qaynaqlanan qalıq gərginlikləri nəzərə alan 3B modellə izah oluna bilir və çoxpikselli massivlərə miqyaslama potensialı mövcuddur.
Bunun əksinə olaraq, tədqiqat sensorun artıq kommersiya robotlarında, protezlərdə və ya istehlakçı ekranlarında seriyalı istehsala keçdiyini göstərmir. Eyni şəkildə 1 cm²-lik 29 × 29 struktur üçün hesablanan həssaslıqlar son məhsul sertifikatlaşdırması və ya geniş sahəli istehsal məhsuldarlığı mənasına gəlmir.
Tədqiqatın Metodu və Nəticələri
Eksperimental cihaz
Sensorlar imec təmiz otaq infrastrukturunda, 150 mm şüşə daşıyıcı üzərində poliimid elastik folqa istifadə edilərək istehsal edilmişdir. Əsas MEMS struktur Si3N4, elektrodlar Ti/Pt, mərkəzi qüvvə ötürücü element DFR və xarici qoruyucu qat SINR əsaslıdır.
Əsas pikselin 300 µm kənar uzunluğu və 90 nm kondensator boşluğu vardır. Dörd müstəqil alt elektrod tək üst elektrodla C11, C12, C21 və C22 kondensatorlarını yaradır.
İstehsal
İstehsal PI örtülməsi/bərkidilməsi, metal yönləndirmə, PECVD Si3N4, Ti/Pt elektrod istehsalı, Cr qurban qat, ikinci Si3N4 qatları, DFR bump, DRIE, xrom yaş aşındırma, kritik nöqtədə qurutma, SINR laminasiyası/naxışlanması və lazer lift-off mərhələlərindən ibarət olmuşdur.
3B FEM
COMSOL Multiphysics 5.6 modeli istehsaldan qaynaqlanan dartılma və sıxılma qalıq gərginliklərini, elastik qatları, təxminən sıxılmayan SINR örtüyünü və asılı MEMS ilə altlıq arasındakı təmas problemini birlikdə həll edir.
| Model xüsusiyyəti | Dəyər / üsul |
|---|---|
| Sonlu element növü | İkinci dərəcəli 18 düyünlü wedge |
| Element sayı | 21.336 |
| Sərbəstlik dərəcəsi | 185.556 |
| Təmas həlli | Penalty method |
| İlkin gərginliklər | Qat əsaslı izotrop membran gərginlikləri |
Mexaniki doğrulama
Rəqəmsal holoqrafik profilometrlə ölçülən maksimum orta qanad-künc yüksəlməsi 807 nm, FEM nəticəsi 793 nm olmuşdur. Daha sonra 10–90 µN nöqtəvi yük təcrübəsində sayısal və eksperimental qüvvə–yerdəyişmə davranışı yaxın uyğunluq göstərmişdir.
Elektrostatik doğrulama
0–8 V statik gərginlik skanında ilkin tutum təcrübədə 0,76 pF, modeldə 0,764 pF tapılmışdır. 35 V-a qədər aparılan elektrostatik bağlanma testində təxminən 6 pF doyma tutum dəyişməsi müşahidə edilmişdir.
Təzyiq xarakterizasiyası
25 µm radiuslu almaz probla 30–141 µN şaquli qüvvə tətbiq edilmişdir. Ölçülmüş tutum dəyişmələri modellə müqayisə edilmiş; daha sonra doğrulanmış model 1800 kPa-lıq boşluq bağlanma səviyyəsinə qədər genişləndirilmişdir.
| Təzyiq metrikası | Nəticə |
|---|---|
| Piksel həssaslığı, təxminən 150 kPa | 1 × 10−3 pF/kPa |
| Normallaşdırılmış təzyiq həssaslığı | 0,0013 kPa−1 |
| Modeldə boşluğun bağlanma səviyyəsi | Təxminən 1800 kPa |
| 1800 kPa-da maksimum hesablanmış körpü gərginliyi | Təxminən 0,25 GPa |
Kəsilmə xarakterizasiyası
Lateral probla mərkəzi bump üfüqi istiqamətdə hərəkət etdirilmiş, yerdəyişmə mikroskop görüntülərindən və tutumlar LCR metr ilə qeydə alınmışdır. C12/C22 ilə C11/C21 cütlərinin əks işarəli dəyişməsi diferensial kəsilmə algılamasını yaratmışdır.
| Kəsilmə metrikası | Nəticə |
|---|---|
| C12/C22, təxminən 40 kPa | 2 × 10−3 pF/kPa |
| C12/C22, təxminən 100 kPa | 4 × 10−3 pF/kPa |
| C11/C21 | Təxminən −1,4 × 10−3 pF/kPa |
| Normallaşdırılmış kəsilmə həssaslığı, təxminən 40 kPa | 2,6 × 10−3 kPa−1 |
| Modelin tam kəsilmə intervalı | Təxminən 1400 kPa-a qədər |
Sabitlik
Polytec MSA-500 vibrometrindən istifadə edilərək rezonans tezliyində 4 nm vibrasiya amplitudası ilə təxminən 110 milyon dövr tətbiq edilmiş; rezonans tezliyi və amplituda/gərginlik cavabında nəzərəçarpacaq dəyişiklik müşahidə edilməmişdir.
Massiv və crosstalk nəticələri
9 × 9 paralel piksel massivlərində ümumi tutumun piksel sayı ilə təxminən miqyaslandığı görülmüşdür. Elektrostatik həyəcanlandırma altındakı birləşmiş elektrik/mexaniki crosstalk ortalamaları 5 fF-dən aşağı, birbaşa mexaniki yük altında yüksüz qonşu pikseldə ölçülən crosstalk isə 3 fF-dən aşağı qalmışdır.
1 cm² sahə üçün hesablanan 29 × 29 paralel piksel arxitekturasında:
- İlkin tutum: təxminən 640 pF
- Təzyiq həssaslığı: 0,841 pF/kPa
- Kəsilmə həssaslığı C12/C22, soft grip: 1,682 pF/kPa
- Kəsilmə həssaslığı C12/C22, good grip: 3,364 pF/kPa
- Qarşı kondensator cütünün həssaslığı: −1,177 pF/kPa
- Soft-grip şəraitində birləşmiş diferensial kəsilmə həssaslığı: 2,859 pF/kPa
Bu dəyərlər eksperimental olaraq tamamlanmış 29 × 29 mexaniki yük kampaniyasının nəticələri deyil. Mənbədə açıqlandığı kimi, doğrulanmış piksel modeli və ilkin massiv xarakterizasiyasından aparılan miqyaslama proqnozlarıdır.
Tətbiq doğrulaması
Real toxunma zamanı sensor massivinin tutum dəyişmələri qeydə alınmış və bu siqnallardan zamana bağlı təzyiq və kəsici gərginliklər çıxarılmışdır. Sınaq texnologiyanın toxunma qüvvəsinin algılanması üçün işləkliyinə dair ilkin səviyyəli tətbiq sübutudur; əhatəli robotik, protez və ya klinik doğrulama deyil.
Mənbə və Metod Qeydi
Tam özgün çalışma adı: Fully flexible large-area MEMS-based triaxial force sensor compatible with flat panel display manufacturing
Müəlliflər: Gianluca Massimino; Samer Houri; Alexey Podkovskiy; Veronique Rochus; Jan Genoe.
Bərabər töhfə/bərabər birinci müəllif: Mənbədə bərabər töhfə və ya bərabər birinci müəllif barədə bildiriş yoxdur.
Məsul müəllif: Gianluca Massimino.
Qurum: imec, Kapeldreef 75, 3001 Leuven, Belgium.
Jurnal: Microsystems & Nanoengineering.
Cild / məqalə nömrəsi: Volume 12, Article 248.
DOI:10.1038/s41378-026-01256-7
Nəşr platforması / nəşriyyat: Nature Portfolio / Springer Nature.
Mənbə növü və resenziya vəziyyəti: Resenziyalı tədqiqat məqaləsi.
Nəşr prosesi: 26 Fevral 2025-də alınmış, 1 Dekabr 2025-də yenidən işlənmiş, 8 Mart 2026-da qəbul edilmiş və 25 İyun 2026-da dərc edilmişdir.
Rəsmi nəşr bağlantısı:Nature / Microsystems & Nanoengineering məqalə qeydi
Lisenziya: Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International, CC BY-NC-ND 4.0.
Müəllif hüququ/vizual qeyd: Lisenziya dəyişdirilmiş və ya uyğunlaşdırılmış mənbə materialının yayılmasına icazə vermir. Buna görə Verianla izahında məqalənin orijinal fiqurlarının yenidən çəkilmiş törəmələri istifadə edilməmiş; mənbə nəticələri mətn və müstəqil məlumat cədvəlləri ilə izah edilmişdir.
Maliyyələşmə: Mənbə mətndə ayrıca maliyyələşmə bəyanatı yoxdur.
Məlumat əlçatanlığı: Araşdırılan mənbədə ayrıca Data Availability Statement aşkar edilməmişdir.
Maraqlar toqquşması: Müəlliflər maraqlar toqquşmasının olmadığını bəyan etmişdir.
Müəllif töhfələri: Gianluca Massimino cihazı konseptuallaşdırmış; Gianluca Massimino və Alexey Podkovskiy proses axınını inkişaf etdirmişdir. Gianluca Massimino metod, modelləşdirmə, simulyasiya, dizayn, istehsal və vizuallaşdırmanı həyata keçirmişdir. Gianluca Massimino və Samer Houri təcrübə və tədqiqatları aparmış, ilkin əlyazmanı yazmış, nəzərdən keçirmə və redaktəyə töhfə vermişdir. Veronique Rochus və Jan Genoe işi nəzarətdə saxlamış, simulyasiya, dizayn, istehsal və xarakterizasiya üçün resurs və avadanlıq təmin etmişdir.
Əsas metodoloji sərhəd: Tək-piksel təzyiq və kəsilmə davranışları eksperimental olaraq ölçülmüş və 3B FEM modeli ilə doğrulanmışdır. Bunun əksinə, 1 cm², 29 × 29 piksel üçün verilən həssaslıqlar mənbədə “prediction” kimi müəyyən edilir və daha əhatəli paylanmış mexaniki massiv ölçmələri gələcək işlərə saxlanılmışdır.
FPD miqyas sərhədi: İstehsal axını geniş sahəli FPD prosesləri ilə uyğun olacaq şəkildə hazırlanmışdır; iş çərçivəsində real sensor istehsalı 150 mm şüşə daşıyıcı üzərində həyata keçirilmişdir. Buna görə nəticələr birbaşa Gen-11 ölçüsündə kommersiya panel seriyalı istehsalının nümayişi kimi şərh edilməməlidir.
Mənbədaxili ölçü qeydi: Piksel kənarı 300 µm olaraq verilmişdir. Qüvvəyə normallaşdırılmış həssaslıq hesabındakı sahə ifadəsinin mətn göstərimi qeyri-müəyyən olsa da, bildirilən 14,44 N−1 nəticəsi (300 µm)2 səth sahəsi ilə riyazi baxımdan uyğundur. Orijinal sayısal nəticə dəyişdirilməmişdir.
Elmi məzmun qeydi: Bu izah yalnız mənbə işinin təcrübələrinə, modellərinə, tənliklərinə, fiqurlarına və nəticələrinə əsaslanır. Robotika, protez və elektron dəri tətbiqlərinə dair potensial tədqiqatçıların müzakirə etdiyi istifadə sahələri çərçivəsində çatdırılmış; mənbənin göstərmədiyi kommersiya və ya klinik uğur iddiası əlavə edilməmişdir.
Şərh yazın
E-poçt ünvanınız yayımlanmayacaq. Məcburi sahələr * ilə işarələnib