Бул изилдөө нормалдуу басымды жана бетке параллелдүү эки багыттагы жылышуу күчтөрүн сезе алган, толугу менен ийкемдүү бетке жайылтылуучу жана жалпак панелдүү дисплей (FPD) өнөр жайындагы чоң аянттуу өндүрүш ыкмалары менен шайкеш иштөөгө ылайыкташтырылган сыйымдуулук MEMS негизиндеги үч октуу күч сенсорун иштеп чыгат. Системанын негизги бирдиги — изилдөөчүлөр “пиксель” деп атаган микроөлчөмдөгү сенсор. Ар бир пикселде төрт көз карандысыз конденсатор, жука аба боштугунун үстүндө асылып турган Si3N4 көпөлөк сымал MEMS түзүмү, борбордук күч өткөрүүчү томпок бөлүк жана коргоочу эластомер каптама бар. Басым астында төрт конденсатор окшош багытта жооп берсе, жылышуу жүгүндө карама-каршы конденсатор жуптары тескери багытта өзгөрүп, дифференциалдык өлчөөгө мүмкүнчүлүк берет.
Тажрыйбаларда бир пиксел үчүн нормалдаштырылган басым сезгичтиги 0,0013 kPa−1, ал эми нормалдаштырылган жылышуу сезгичтиги болжол менен 2,6 × 10−3 kPa−1 болуп алынган. Изилдөөчүлөр тажрыйба менен тастыкталган пиксел моделинин негизинде жүргүзгөн масштабдоо эсебине ылайык, 1 cm² аянттын ичинде 29 × 29 пиксель параллелдүү туташкан массивде баштапкы сыйымдуулук болжол менен 640 pF, басым сезгичтиги 0,841 pF/kPa жана дифференциалдык жылышуу сезгичтиги 2,859 pF/kPa болушу мүмкүн. Бирок бул акыркы массив маанилери толук масштабдагы механикалык өлчөөлөрдүн түз натыйжалары эмес, алдын ала массивдик мүнөздөмөгө жана тастыкталган пиксел моделине негизделген божомолдор.
Изилдөөнүн маанилүү жагы жогорку сезгичтик менен гана чектелбейт. Сенсор классикалык кремний MEMSтердин катуулугу менен көптөгөн ийкемдүү полимер сенсорлорунун атайын жана масштабдоо кыйын өндүрүш ыкмаларынын ортосундагы боштукту толтурууга багытталган. Жука полиимид фольга үстүндө стандарттуу беттик микрофабрикация кадамдары менен түзүлгөн түзүм ийри беттерди каптоо мүмкүнчүлүгү менен чоң аянттуу сериялык өндүрүшкө ылайыктуу микроөндүрүш ыкмасын бир платформада айкалыштырууну көздөйт.
Түркия үчүн бул технология роботтук кармагычтар, электрондук тери, протез жана экзоскелет интерфейстери, өнөр жайдагы адам-машина өз ара аракеттенүүсү жана ийкемдүү электроника изилдөөлөрү үчүн көңүл бурууга татыктуу инженердик ыкма болуп саналат. Бирок изилдөөдө Түркиядагы FPD же MEMS өндүрүш линиясына колдонуу мүмкүнчүлүгү бааланган эмес. PECVD, DRIE, металл чөктүрүү, критикалык чекитте кургатуу жана лазердик lift-off сыяктуу микроөндүрүш инфраструктуралары жергиликтүү өндүрүш шарттарында өзүнчө бааланышы керек.
Эмне үчүн үч октуу жана ийкемдүү күч сенсору керек?
Бетке тик багытта берилген басымды гана билүү чыныгы тийүү жана кармоо жүрүм-турумун толук түшүндүрбөйт. Роботтун манжасы нерсени кармаганда же протездин уясы адам тканы менен тийишкенде бир убакта нормалдуу басым да, бетке параллелдүү жылышуу чыңалуулары да пайда болушу мүмкүн. Нерсе тайып баштайбы, тийишүү коопсузбу же колдонуучунун терисинин белгилүү бир бөлүгүндө жүк топтолобу — мунун баары ушул үч өлчөмдүү күч талаасына байланыштуу.
Классикалык жогорку натыйжалуу сыйымдуулук үч октуу күч сенсорлору көбүнчө кремний MEMS технологиясына таянат. Алар микрофабрикация жагынан так болушу мүмкүн, бирок катуу түзүмдөрүнөн улам чоң жана ийри беттерге түз ыңгайлашууда кыйналышат. Ийкемдүү сенсорлордо болсо эластомер куюу, атайын 3B басылган калыптар же катмар-катмар лабораториялык монтаж сыяктуу ыкмалар көп колдонулат. Изилдөөчүлөр бул ыкмалар чоң аянттуу стандарттуу сериялык өндүрүш үчүн чектөөлөргө ээ экенин жана эластомерлер creep, температура, нымдуулук же туруктуу деформация шарттарында сигналдын туруктуулугуна көйгөй жаратышы мүмкүн экенин белгилешет.
Изилдөөнүн көздөгөн боштугу дал ушунда: микрофабрикациянын майда геометриялык көзөмөлүн сактап, бүт түзмөктү ийкемдүү фольга үстүндө жана FPD өндүрүшү менен шайкеш процессте түзүү.
Сенсордун негизги бирдиги кандай долбоорлонгон?
1-сүрөттө сенсор жамагынын жана бир микро сенсор пикселинин катмарлуу түзүлүшү көрсөтүлгөн. Пиксель ийкемдүү полиимид (PI) субстратка жайгаштырылган. Борбордук сезүү элементи төрт көпүрө тарабынан көтөрүлүп турган Si3N4 көпөлөк сымал асма MEMS пластинасы. Пластинанын үстүндө Ti/Pt үстүңкү электрод, астында болсо төрт өзүнчө Ti/Pt төмөнкү электрод бар.
Бул түзүлүш төрт көз карандысыз конденсатор түзөт:
- C11
- C12
- C21
- C22
Көпөлөк пластинанын борборундагы DFR негизиндеги томпок бөлүк өзгөчө бетке параллелдүү күчтөрдүн MEMS түзүмүнө өткөрүлүшүнө жардам берет. Анын үстүндөгү SINR силоксан негизиндеги жумшак каптама тышкы жүк өткөрүлө турган коргоочу контакт катмарын түзүп, ошол эле учурда MEMSти суюктуктан жана чаңдан коргоону көздөйт.
| Негизги геометриялык параметр | Булакта берилген маани |
|---|---|
| Негизги пикселдин кыры | 300 µm |
| Төмөнкү электроддун кыры | 115 µm |
| Көпүрөнүн узундугу | 128 µm |
| Көпүрөнүн туурасы | 50 µm |
| PI субстраттын калыңдыгы | 15 µm |
| Ti/Pt металлынын жалпы калыңдыгы | 130 nm |
| Негизги Si3N4 түзүмдүк катмары | 2,6 µm |
| Электрдик изоляциялоочу Si3N4 катмары | 100 nm |
| Баштапкы аба боштугу | 90 nm |
| Борбордук bump кыры | 150 µm |
| Bump калыңдыгы | 50 µm |
| SINR каптамасынын кыры | 335 µm |
| SINR калыңдыгы | 100 µm |
Басым менен жылышуу күчү бири-биринен кантип ажыратылат?
Нормалдуу басым берилгенде борбордук bump ылдый жылат жана көпөлөк түзүмүнүн канаттары төмөнкү электроддорго жакындайт. Конденсатор боштуктары окшош түрдө азайгандыктан C11, C12, C21 жана C22де бирдей белги менен сыйымдуулук өзгөрүүлөрү пайда болот. Бул симметриялуу жооп нормалдуу басымды өлчөөнүн негизи болуп саналат.
Жылышуу күчүндө болсо bump бетке параллелдүү багытта жылат жана көпөлөк пластина ийилип, бир тарапка бурулат. Мисалы, x багытындагы жылышууда бир тараптагы C12 жана C22 боштуктары азайып, каршы тараптагы C11 жана C21 боштуктары көбөйүшү мүмкүн. Ошентип, бир конденсатор жуптун сигналы өссө, экинчисиники азаят. Дифференциалдык окуу жылышуу компонентин нормалдуу басымдан ажыратууну жеңилдетет.
Бул механизм эластомер негизиндеги айрым сенсорлордо кездешкен керексиз чоң горизонталдык жылууну азайтуу үчүн маанилүү. MEMSтин көпүрө геометриясы тегиздик ичиндеги кыймыл менен тегиздиктен тышкы ийилүүнү механикалык түрдө көзөмөлдөөгө мүмкүндүк берет.
90 нанометрлик боштук эмне үчүн маанилүү?
Сыйымдуулук сенсорлордо электроддордун аралыгы азайган сайын майда механикалык кыймылдардын сыйымдуулукка таасири көбөйүшү мүмкүн. Изилдөөдө аба боштугу болгону 90 nm болуп долбоорлонгон. Бул маани изилдөөчүлөрдүн жогорку сезгичтик максатынын маанилүү компоненттеринин бири.
Бирок ушунчалык жука боштук өндүрүштөн келип чыккан калдык чыңалууларга да өтө сезгич. Чыныгы түзмөк башында идеалдуу тегиз эмес: Si3N4 жана металл катмарларындагы тартылуу/кысылуу калдык чыңалуулары көпөлөк пластинанын төрт канатын өйдө ийип, борбордук бөлүктү ылдый жылдырып субстратка жарым-жартылай тийгизет. Ошондуктан идеалдуу тегиз пластина теориясы менен гана сенсордун жүрүм-турумун туура божомолдоо мүмкүн эмес.
FPD өндүрүшү менен шайкештик кантип камсыздалган?
Өндүрүш imecтин Leuven шаарындагы таза бөлмө инфраструктурасында, иштеп чыгуу максатында 500 µm калыңдыктагы стандарттуу 150 mm айнек ташыгычта жүргүзүлгөн. Ийкемдүү полиимид адегенде убактылуу айнек ташыгычка капталып, 450 °Cде катырылган. Андан соң FPD өндүрүшүндө колдонулушу мүмкүн болгон беттик микрофабрикация ыкмалары менен MEMS катмарлары түзүлгөн.
2-сүрөттө өндүрүш чынжыры этап-этабы менен көрсөтүлгөн. Процессте негизинен төмөнкү операциялар бар:
- Айнек ташыгычта PI ийкемдүү субстратын даярдоо.
- TFT электроникасына шайкеш металл багыттоо катмарларын түзүү.
- PECVD менен Si3N4 диэлектрик катмарын чөктүрүү.
- Ti/Pt төмөнкү электроддорун түзүү.
- Хром курмандык катмарын чөктүрүү.
- Үстүңкү диэлектрик жана Ti/Pt үстүңкү электродун түзүү.
- Түзүмдүк Si3N4 катмарын PECVD менен чөктүрүү.
- DFR борбордук bump түзүмүн ламинациялоо жана үлгүлөө.
- Курмандык катмарга жетүү каналдарын DRIE менен ачуу.
- Хром курмандык катмарын нымдуу оюу менен алып салуу.
- Капиллярдык жабышууну болтурбоо үчүн CO2 критикалык чекитте кургатуу.
- SINR коргоочу эластомерди ламинациялоо жана фотосүрөттөө.
- Лазердик lift-off менен ийкемдүү түзүмдү айнек ташыгычтан ажыратуу.
SINR ламинациясы 100 kPa басымда жана 80 °C температурада жүргүзүлүп, фотосүрөттөөдөн кийин 110 °Cде post-exposure bake колдонулган. Хром курмандык катмарын алып салуу үчүн түзүм болжол менен төрт саат оюучу эритмеде кармалган.
Чыныгы сенсор жамактары өндүрүлдүбү?
Ооба. 3-сүрөттө 150 mm айнек ташыгычта жасалган ар түрдүү сенсор жамактары жана пикселдик геометриялар көрсөтүлгөн. Изилдөөчүлөр 2,7 × 2,7 cm² жана 2 × 1 cm² сыяктуу ар кандай жамак өлчөмдөрүн өндүрүшкөн. Ошондой эле 300 × 300 µm², 150 × 150 µm² жана 90 × 90 µm² деңгээлдериндеги ар кандай MEMS геометрияларын өндүрүүгө болору көрсөтүлгөн.
4-сүрөттө айнек ташыгычтан ажыратылган толугу менен ийкемдүү жамактар көрүнөт. 2,7 × 2,7 cm² түзүм төрт 68 pin ийкемдүү туташтыргыч менен, ал эми 2 × 1 cm² түзүм бир ийкемдүү туташтыргыч менен тышкы электроникага кошулган. Бул натыйжа сенсорлор бир гана лабораториялык MEMS катары эмес, көп пикселдүү ийкемдүү жамак түрүндө да өндүрүлө аларын көрсөтөт.
Бирок “FPD өндүрүшү менен шайкеш” деген сөз “коммерциялык FPD панель линиясында толук аянттуу сериялык өндүрүш жүргүзүлдү” деген сөз менен бирдей эмес. Изилдөөнүн физикалык демонстрациясы 150 mm ташыгычта жүргүзүлгөн; чоңураак FPD панель масштабына өтүү бул иште өндүрүш кампаниясы менен көрсөтүлгөн эмес.
3B акыркы элемент модели эмне үчүн керек болду?
Чыныгы MEMS башында калдык чыңалуулардан улам деформацияланып, айрым бөлүктөрү субстратка тийип тургандыктан, изилдөөчүлөр COMSOL Multiphysics 5.6да толук үч өлчөмдүү акыркы элемент моделин түзүштү. Модель катмарлардын ийкемдүү касиеттерин, өндүрүштөн келип чыккан баштапкы чыңалууларды, SINRдин дээрлик кысылбаган жүрүм-турумун жана MEMS-субстрат контактын бирге эске алат.
Акыркы элемент тору экинчи даражадагы 18 түйүндүү wedge элементтерден турган. Жалпы 21.336 элемент жана болжол менен 185.556 эркиндик даражасы колдонулган. Контакт маселеси penalty ыкмасы менен чечилген.
Асма пластинанын төмөнкү бети менен ийкемдүү субстраттын ортосундагы контакт шарты булакта төмөнкү катыш менен берилген:
\[ w_{\mathrm{but}}(x)-w_{\mathrm{sub}}(x)-g_{\mathrm{cavity}}=0 \]
Бул жерде \(w_{\mathrm{but}}\) көпөлөк түзүмүнүн, \(w_{\mathrm{sub}}\) ийкемдүү субстраттын вертикалдык жылышын, ал эми \(g_{\mathrm{cavity}}\) баштапкы боштукту билдирет.
Сыйымдуулук кантип эсептелет?
Электроддордун ортосундагы өзгөрмө аба аралыгынын сыйымдуулукка салымы төмөнкүдөй эсептелет:
\[ C_{\mathrm{gap}} = \int_{S_e} \frac{\varepsilon_{\mathrm{air}}\varepsilon_0} {g_{\mathrm{cavity}}+w_{\mathrm{sub}}(x)-w_{\mathrm{but}}(x)} \,dA \]
Үстүңкү электрод менен аба боштугун бөлүп турган Si3N4 катмарынын сыйымдуулугу болсо:
\[ C_{\mathrm{Si_3N_4}} = \varepsilon_{\mathrm{Si_3N_4}}\varepsilon_0 \frac{S_e}{t_{s1}} \]
түрүндө берилген. Эки салым сериялуу туташкан эквиваленттүү сыйымдуулук катары бааланат:
\[ C= \frac{C_{\mathrm{gap}}C_{\mathrm{Si_3N_4}}} {C_{\mathrm{gap}}+C_{\mathrm{Si_3N_4}}} \]
Сезилген электрдик өзгөрүү:
\[ \Delta C=C-C_0 \]
теңдемеси менен аныкталат. Бул жердеги \(C_0\) идеалдуу геометриядан гана эсептелген эмес, өндүрүштөн келип чыккан баштапкы деформацияны да камтыган чыныгы баштапкы сыйымдуулук.
Модель чыныгы баштапкы деформацияны туура божомолдодубу?
6-сүрөттө оптикалык микроскоп, санариптик голографиялык профилометрия жана FEM натыйжасы салыштырылган. Тажрыйбада көпөлөк канаттарынын бурчтарындагы орточо максималдуу өйдө жылыш болжол менен 807 nm өлчөнгөн. Модель ошол эле аймакта 793 nm максималдуу жылышты эсептеген.
Бул жакындык өндүрүштөн келип чыккан калдык чыңалууларды моделге кошуу зарыл экенин тастыктаган маанилүү натыйжалардын бири. Андан кийин 10–90 µN аралыгында чекиттик вертикалдык жүк колдонулуп, тажрыйбалык күч–жылыш ийри сызыгы моделдин натыйжасы менен салыштырылган жана изилдөөчүлөр эки ийри сызыктын ортосунда күчтүү шайкештик байкашкан.
Электрдик баштапкы сыйымдуулук моделге туура келдиби?
Электростатикалык мүнөздөмөдө үстүңкү электродго 0–8 V аралыгында DC чыңалуу берилген жана сырттан механикалык жүк берилбестен сыйымдуулук өлчөнгөн. Өлчөнгөн баштапкы сыйымдуулук 0,76 pF, 3B FEM моделинин божомолу болсо 0,764 pF болгон.
Чыңалуу көбөйгөн сайын электростатикалык тартылуу көпөлөк канаттарын субстратка жакындатып, сыйымдуулук өскөн. 35 Vга чейин жүргүзүлгөн каныгуу тестинде аба боштугу негизинен жабылганда сыйымдуулук өзгөрүүсү болжол менен 6 pF деңгээлинде каныккан.
Басым тажрыйбасында кандай натыйжалар алынды?
Басым мүнөздөмөсүндө радиусу 25 µm болгон алмаз зонд борбордук bumpка вертикалдык күч берген. Колдонулган күчтөр 30–141 µN аралыгында болгон. Ошол эле учурда Keysight E4980A LCR метр менен сыйымдуулук өзгөрүүсү өлчөнүп, тажрыйбалар 3B модель менен кайра эсептелген.
Тажрыйба жана симуляция ийри сызыктары шайкеш келгенден кийин, модель түзмөктүн толук басым диапазонун баалоо үчүн колдонулган. Эсептелген каныгуу басымы болжол менен 1800 kPa. 0–300 kPa аралыгы адамдын тийүү сезими менен байланышкан колдонмолор үчүн өзүнчө каралган.
150 kPa тегерегинде бир пикселдин басым сезгичтиги:
1 × 10−3 pF/kPa
деп эсептелген. Баштапкы сыйымдуулукка нормалдаштырганда:
0,0013 kPa−1
мааниси алынган.
Изилдөөчүлөр бул маанини мурдагы сыйымдуулук ийкемдүү үч октуу сенсорлор менен салыштырып, өз түзмөгү жогорку нормалдаштырылган сезгичтик берерин белгилешет. Бирок ар башка жарыялоолордогу геометриялар, иш диапазондору жана сыноо шарттары бирдей болбогондуктан, бул салыштыруу абсолюттук продукт рейтинги катары чечмеленбеши керек.
Басымда MEMSтин физикалык кыймылы кандай болот?
175 kPa басым астындагы FEM натыйжасы башында субстрат менен жарым-жартылай тийишкен борбордук аймак жүктү көпөлөк канаттарына өткөрөрүн жана төрт канат симметриялуу түрдө ылдый ийилерин көрсөтөт. Конденсатор боштуктарынын азайышы төрт сыйымдуулуктун тең өсүшүнө алып келет.
1800 kPaдагы каныгуу шартында асма түзүмдүн аба боштугу толугу менен жабылат. Түзүмдүк Si3N4 катмарында эсептелген максималдуу узунунан тартылуу чыңалуусу болжол менен 0,25 GPa. Макала бул маанини адабиятта билдирилген болжол менен 6 GPa CVD Si3N4 пленкасынын бекемдигинен кыйла төмөн деп баалайт.
Жылышуу күчү кантип текшерилди?
Жылышуу тажрыйбасында борбордук bumpтын капталына горизонталдык кыймыл берүүчү каптал зонд колдонулган. Bumpтын горизонталдык жылышы микроскоп сүрөттөрүнөн аныкталып, төрт конденсатордогу өзгөрүүлөр LCR метр менен өлчөнгөн.
x багытында кыймыл берилгенде C12 жана C22 тарабындагы канаттар ылдый жылып сыйымдуулукту көбөйткөн, ал эми C11 жана C21 тарабы өйдө жылып сыйымдуулукту азайткан. Ошентип, жылышуу багыты карама-каршы белгидеги электр сигналдары менен аныкталышы мүмкүн.
Тажрыйбалык натыйжалар 3B FEM модели менен жакшы шайкештик көрсөткөн. Модель андан кийин болжол менен 1400 kPaга чейинки жылышуу жүгү үчүн колдонулган.
| Жылышуу шарты | Пикселдин сезгичтиги |
|---|---|
| Болжол менен 40 kPa, C12/C22 | 2 × 10−3 pF/kPa |
| Болжол менен 100 kPa, C12/C22 | 4 × 10−3 pF/kPa |
| Изилденген диапазондо C11/C21 | Болжол менен −1,4 × 10−3 pF/kPa |
Болжол менен 40 kPa жылышуу шартында нормалдаштырылган жылышуу сезгичтиги 2,6 × 10−3 kPa−1 деп эсептелген.
Жөнөкөйлөштүрүлгөн аналитикалык модель эмне үчүн жетишсиз болду?
Изилдөөчүлөр жылышуу жүрүм-туруму үчүн жөнөкөйлөштүрүлгөн аналитикалык туюнтмаларды да чыгарышкан. Бирок бул модель көпөлөк пластина башында толугу менен тегиз жана субстрат менен тийишпейт деп кабыл алат. Чынында өндүрүштөн келип чыккан чыңалуулардан улам баштапкы контакттын болушу кыймылды чектейт.
9g-сүрөттө аналитикалык модель сыйымдуулук өзгөрүүсүн кыйла жогору божомолдой турганы көрүнөт. Болжол менен 40 nm горизонталдык жылыштан кийин аналитикалык ыкма физикалык жактан да жараксыз болуп калат. Бул натыйжа изилдөөнүн эң маанилүү моделдөө сабактарынын бири: нанометр масштабындагы боштуктарда чыныгы өндүрүш деформациясы жана контакт маселеси эске алынбаса, жөнөкөй аналитикалык формулалар жаңылыштыруучу болушу мүмкүн.
Болжол менен 110 миллион циклдик тест эмнени көрсөттү?
Туруктуулук тестинде MEMS түзүмдөрү резонанстык жыштыкта болжол менен 4 nm термелүү амплитудасы менен болжол менен 110 миллион цикл иштетилген. Изилдөөчүлөр тесттен кийин резонанстык жыштыкта өзгөрүү байкашкан эмес; ошондой эле амплитуда/чыңалуу жообунда өлчөнө турган начарлоо билдиришкен эмес.
Авторлор 4 nm амплитуда болжол менен 175 kPa басымга, башкача айтканда алардын тактилдик классификациясындагы “firm grip” шартына туура келерин; ал эми 110 миллион цикл секундасына бир жолу кармаган робот үчүн болжол менен бир жылдык пайдалануу масштабына барабар экенин белгилешет.
Бул натыйжа күчтүү чарчоо/чыңалуу релаксациясынын көрсөткүчү, бирок чыныгы роботтук чөйрөдө бир жылдык талаа сыноосу эмес. Өзгөрмө температура, нымдуулук, туруктуу ийилүү, сокку, булгануу жана ар кандай жүк айкалыштары ошол эле тажрыйбада текшерилген эмес.
Массив түрүндө иштей алабы?
Изилдөөдө бир гана MEMS пиксели эмес, 9 × 9 пикселден турган массивдер да электрдик түрдө мүнөздөлгөн. Пиксел сыйымдуулуктарын параллелдүү туташтырганда жалпы сыйымдуулук пиксел саны менен болжолдуу масштабдалары көрүнгөн. Изилдөөчүлөр муну пикселден пикселге жооптун шайкештигинин алдын ала далили катары баалашат.
Коңшу пикселдердин өз ара таасирин баалоо үчүн crosstalk тесттери жүргүзүлгөн. Электростатикалык козгоодо электрдик жана механикалык таасирлерди бирге камтыган орточо crosstalk маанилери 5 fFден ашкан эмес. Бир пикселге механикалык басым же жылышуу берилгенде, коңшу пиксел жүксүз калтырылса, механикалык crosstalkтан келип чыккан орточо сыйымдуулук өзгөрүүлөрү 3 fFден төмөн болгон.
Бул натыйжа сенсордун тийишүү кайсы аймакта болгонун мейкиндик боюнча ажыратуу мүмкүнчүлүгүн колдойт. Бирок изилдөөчүлөр массивдик мүнөздөмө али алдын ала этапта экенин атайын белгилешет.
1 cm² сенсор үчүн божомолдонгон натыйжалуулук
Пиксел кадамы жана учурдагы өндүрүш геометриясы эске алынганда, изилдөөчүлөр 1 cm² аянтка 29 × 29, башкача айтканда 841 пиксель жайгаштырууга болорун эсептешкен. Параллелдүү электрдик туташууда ар бир көз карандысыз конденсатор каналы үчүн баштапкы сыйымдуулук болжол менен 640 pF болот деп божомолдонгон.
Манжа менен жүргүзүлгөн колдонмо тажрыйбасы эмнени көрсөтөт?
12-сүрөттө сенсор массивине чыныгы тактилдик контакт берилген жана убакытка байланыштуу сыйымдуулук өзгөрүүлөрү жазылган. Бул сигналдар андан кийин нормалдуу басымга жана x багытындагы жылышуу чыңалуусуна айландырылган. Ошентип, система чыныгы тийүү учурунда эки ар башка механикалык компонентти убакыт катары чыгара алары алдын ала деңгээлде көрсөтүлгөн.
Бирок бул тажрыйба толук масштабдагы 29 × 29 массивдин калибрленген бөлүштүрүлгөн жүк валидациясы эмес. Макалада кеңири массив өлчөөлөрү келечекте жүргүзүлөрү ачык айтылган.
Изилдөөнүн күчтүү жактары
- Ийкемдүү фольга үстүндө чыныгы MEMS сенсор өндүрүлгөн.
- Басымды жана жылышууну көз карандысыз/дифференциалдык сезүүгө мүмкүндүк берген төрт конденсаторлуу симметриялуу түзүм иштелип чыккан.
- 90 nm жука конденсатор боштугу жогорку сезгичтик максатын колдойт.
- Өндүрүштөн келип чыккан калдык чыңалууларды жана MEMS-субстрат контактын камтыган 3B FEM модели тажрыйбалар менен тастыкталган.
- Механикалык, электростатикалык, басым жана жылышуу мүнөздөмөлөрү бири-бирин толуктайт.
- Ар кандай пиксел жана жамак өлчөмдөрүн өндүрүүгө болору көрсөтүлгөн.
- Болжол менен 110 миллион циклдик динамикалык туруктуулук тести жүргүзүлгөн.
- 9 × 9 массив жана коңшу-пиксел crosstalk тажрыйбалары жүргүзүлгөн.
Изилдөөнүн чектөөлөрү
- Чоң аянттуу FPD өндүрүшү менен шайкештик көрсөтүлгөнү менен, толук өлчөмдөгү коммерциялык FPD панель линиясында сериялык өндүрүш демонстрациясы жүргүзүлгөн эмес.
- 29 × 29, 1 cm² массив үчүн берилген сезгичтиктер толук масштабдагы механикалык массив өлчөөсү эмес, модель жана алдын ала мүнөздөмөгө негизделген божомолдор.
- Чыныгы колдонууда температура, нымдуулук, сокку жана туруктуу макроскопиялык ийилүүнүн биргелешкен таасири кеңири текшерилген эмес.
- Узак мөөнөттүү тест резонанстык циклдерге негизделет; көп жылдык чыныгы роботтук талаа колдонууга түз барабар эмес.
- Манжа менен тийүү тажрыйбасы колдонмо потенциалын көрсөтөт, бирок клиникалык же колдонуучу изилдөөсү эмес.
- Интеграцияланган TFT окуу электроникасы менен технологиянын толук система деңгээлиндеги продукт демонстрациясы бул иштин негизги чөйрөсүнө кирбейт.
Бул изилдөө эмнени көрсөтөт, эмнени көрсөтпөйт?
Изилдөө ийкемдүү полиимид үстүндө FPD өндүрүш ыкмалары менен шайкеш сыйымдуулук MEMS үч октуу сенсор өндүрүүгө болорун, бир пиксель басымга жана жылышууга сезгич экенин, анын эксперименталдык жүрүм-турумун өндүрүштөн келип чыккан калдык чыңалууларды эске алган 3B модель түшүндүрө аларын жана көп пикселдүү массивдерге масштабдоо потенциалы бар экенин көрсөтөт.
Ал эми изилдөө сенсор буга чейин коммерциялык роботтордо, протездерде же керектөөчү дисплейлерде сериялык өндүрүшкө өткөнүн көрсөтпөйт. Ошондой эле 1 cm² 29 × 29 түзүм үчүн эсептелген сезгичтиктер акыркы продукт сертификациясын же чоң аянттуу өндүрүш түшүмүн билдирбейт.
Изилдөөнүн Ыкмасы жана Жыйынтыктары
Эксперименталдык түзмөк
Сенсорлор imec таза бөлмө инфраструктурасында, 150 mm айнек ташыгыч үстүндө полиимид ийкемдүү фольга колдонулуп өндүрүлгөн. Негизги MEMS түзүмү Si3N4, электроддор Ti/Pt, борбордук күч өткөрүүчү элемент DFR жана тышкы коргоочу катмар SINR негизинде.
Негизги пикселдин кыры 300 µm жана конденсатор боштугу 90 nm. Төрт көз карандысыз төмөнкү электрод бир үстүңкү электрод менен C11, C12, C21 жана C22 конденсаторлорун түзөт.
Өндүрүш
Өндүрүш PI каптоо/катыруу, металл багыттоо, PECVD Si3N4, Ti/Pt электрод өндүрүү, Cr курмандык катмары, экинчи Si3N4 катмарлары, DFR bump, DRIE, хромду нымдуу оюу, критикалык чекитте кургатуу, SINR ламинациялоо/үлгүлөө жана лазердик lift-off этаптарынан турган.
3B FEM
COMSOL Multiphysics 5.6 модели өндүрүштөн келип чыккан тартылуу жана кысылуу калдык чыңалууларын, ийкемдүү катмарларды, дээрлик кысылбаган SINR каптамасын жана асма MEMS менен субстраттын ортосундагы контакт маселесин бирге чечет.
| Модель өзгөчөлүгү | Маани / ыкма |
|---|---|
| Акыркы элемент түрү | Экинчи даражадагы 18 түйүндүү wedge |
| Элемент саны | 21.336 |
| Эркиндик даражасы | 185.556 |
| Контакт чечими | Penalty method |
| Баштапкы чыңалуулар | Катмар негизиндеги изотроптук мембрана чыңалуулары |
Механикалык тастыктоо
Санариптик голографиялык профилометр менен өлчөнгөн канат-бурчтун максималдуу орточо көтөрүлүшү 807 nm, FEM натыйжасы 793 nm болгон. Андан кийин 10–90 µN чекиттик жүк тажрыйбасында сандык жана эксперименталдык күч–жылыш жүрүм-туруму жакын шайкештик көрсөткөн.
Электростатикалык тастыктоо
0–8 V статикалык чыңалуу сканында баштапкы сыйымдуулук тажрыйбада 0,76 pF, моделде 0,764 pF болуп табылган. 35 Vга чейин жүргүзүлгөн электростатикалык жабылуу тестинде болжол менен 6 pF каныгуу сыйымдуулук өзгөрүүсү байкалган.
Басым мүнөздөмөсү
Радиусу 25 µm болгон алмаз зонд менен 30–141 µN вертикалдык күч берилген. Өлчөнгөн сыйымдуулук өзгөрүүлөрү моделге салыштырылып, андан кийин тастыкталган модель 1800 kPa боштук жабылуу деңгээлине чейин кеңейтилген.
| Басым метрикасы | Натыйжа |
|---|---|
| Пиксел сезгичтиги, болжол менен 150 kPa | 1 × 10−3 pF/kPa |
| Нормалдаштырылган басым сезгичтиги | 0,0013 kPa−1 |
| Моделде боштуктун жабылуу деңгээли | Болжол менен 1800 kPa |
| 1800 kPaда максималдуу эсептелген көпүрө чыңалуусу | Болжол менен 0,25 GPa |
Жылышуу мүнөздөмөсү
Каптал зонд менен борбордук bump горизонталдык багытта жылдырылып, жылыш микроскоп сүрөттөрүнөн, сыйымдуулуктар LCR метр менен жазылган. C12/C22 жана C11/C21 жуптарынын карама-каршы белгидеги өзгөрүүсү дифференциалдык жылышуу сезүүсүн түзгөн.
| Жылышуу метрикасы | Натыйжа |
|---|---|
| C12/C22, болжол менен 40 kPa | 2 × 10−3 pF/kPa |
| C12/C22, болжол менен 100 kPa | 4 × 10−3 pF/kPa |
| C11/C21 | Болжол менен −1,4 × 10−3 pF/kPa |
| Нормалдаштырылган жылышуу сезгичтиги, болжол менен 40 kPa | 2,6 × 10−3 kPa−1 |
| Моделдин толук жылышуу диапазону | Болжол менен 1400 kPaга чейин |
Туруктуулук
Polytec MSA-500 виброметри колдонулуп, резонанстык жыштыкта 4 nm термелүү амплитудасы менен болжол менен 110 миллион цикл берилген; резонанстык жыштыкта жана амплитуда/чыңалуу жообунда олуттуу өзгөрүү байкалган эмес.
Массив жана crosstalk натыйжалары
9 × 9 параллелдүү пиксел массивдеринде жалпы сыйымдуулук пиксел саны менен болжолдуу масштабдалары көрүнгөн. Электростатикалык козгоодогу бириккен электрдик/механикалык crosstalk орточолору 5 fFден төмөн, түз механикалык жүк астында жүксүз коңшу пикселде өлчөнгөн crosstalk болсо 3 fFден төмөн болгон.
1 cm² аянт үчүн эсептелген 29 × 29 параллелдүү пиксел архитектурасында:
- Баштапкы сыйымдуулук: болжол менен 640 pF
- Басым сезгичтиги: 0,841 pF/kPa
- Жылышуу сезгичтиги C12/C22, soft grip: 1,682 pF/kPa
- Жылышуу сезгичтиги C12/C22, good grip: 3,364 pF/kPa
- Каршы конденсатор жуптун сезгичтиги: −1,177 pF/kPa
- Soft-grip шартындагы бириккен дифференциалдык жылышуу сезгичтиги: 2,859 pF/kPa
Бул маанилер эксперименталдык түрдө аяктаган 29 × 29 механикалык жүк кампаниясынын натыйжалары эмес. Булакта түшүндүрүлгөндөй, тастыкталган пиксел моделинен жана алдын ала массивдик мүнөздөмөдөн жасалган масштабдоо божомолдору.
Колдонмо тастыктоосу
Чыныгы тийүү учурунда сенсор массивинин сыйымдуулук өзгөрүүлөрү жазылып, бул сигналдардан убакытка байланыштуу басым жана жылышуу чыңалуулары чыгарылган. Тест технологиянын тактилдик күчтү сезүү үчүн иштей аларын көрсөткөн баштапкы деңгээлдеги колдонмо далили; кеңири роботтук, протездик же клиникалык тастыктоо эмес.
Булак жана Ыкма Жөнүндө Эскертүү
Толук оригиналдуу иштин аталышы: Fully flexible large-area MEMS-based triaxial force sensor compatible with flat panel display manufacturing
Авторлор: Gianluca Massimino; Samer Houri; Alexey Podkovskiy; Veronique Rochus; Jan Genoe.
Тең салым/тең биринчи автор: Булакта тең салым же тең биринчи автор тууралуу билдирүү жок.
Жооптуу автор: Gianluca Massimino.
Мекеме: imec, Kapeldreef 75, 3001 Leuven, Belgium.
Журнал: Microsystems & Nanoengineering.
Том / макала номери: Volume 12, Article 248.
DOI:10.1038/s41378-026-01256-7
Жарыялоо платформасы / басмакана: Nature Portfolio / Springer Nature.
Булак түрү жана рецензия абалы: Рецензияланган изилдөө макаласы.
Жарыялоо процесси: 26 Февраль 2025те алынган, 1 Декабрь 2025те кайра каралган, 8 Март 2026да кабыл алынган жана 25 Июнь 2026да жарыяланган.
Расмий жарыялоо шилтемеси:Nature / Microsystems & Nanoengineering макала жазуусу
Лицензия: Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International, CC BY-NC-ND 4.0.
Автордук укук/визуалдык эскертүү: Лицензия өзгөртүлгөн же адаптацияланган булак материалын таратууга уруксат бербейт. Ошондуктан Verianla түшүндүрмөсүндө макаланын оригиналдуу фигуралары кайра чийилген туундулар катары колдонулган эмес; булак натыйжалары текст жана көз карандысыз маалымат таблицалары менен түшүндүрүлгөн.
Каржылоо: Булак текстинде өзүнчө каржылоо билдирүүсү жок.
Маалымат жеткиликтүүлүгү: Каралган булакта өзүнчө Data Availability Statement табылган эмес.
Кызыкчылыктардын кагылышы: Авторлор кызыкчылыктардын кагылышы жок экенин билдиришкен.
Автордук салымдар: Gianluca Massimino түзмөктү концепциялаган; Gianluca Massimino жана Alexey Podkovskiy процесс агымын иштеп чыгышкан. Gianluca Massimino ыкманы, моделдөөнү, симуляцияны, дизайнды, өндүрүштү жана визуалдаштырууну аткарган. Gianluca Massimino жана Samer Houri тажрыйбаларды жана изилдөөлөрдү жүргүзүп, баштапкы долбоорду жазып, кароо жана редакциялоого салым кошушкан. Veronique Rochus жана Jan Genoe ишти көзөмөлдөп, симуляция, дизайн, өндүрүш жана мүнөздөмө үчүн ресурстарды жана жабдууларды камсыздашкан.
Негизги методологиялык чек: Бир-пикселдик басым жана жылышуу жүрүм-туруму эксперименталдык түрдө өлчөнүп, 3B FEM модели менен тастыкталган. Ал эми 1 cm², 29 × 29 пиксель үчүн берилген сезгичтиктер булакта “prediction” деп аныкталат жана кеңири бөлүштүрүлгөн механикалык массив өлчөөлөрү келечектеги иштерге калтырылган.
FPD масштаб чеги: Өндүрүш агымы чоң аянттуу FPD процесстери менен шайкеш болуу үчүн долбоорлонгон; изилдөөнүн чегинде чыныгы сенсор өндүрүшү 150 mm айнек ташыгычта жүргүзүлгөн. Ошондуктан натыйжаларды түздөн-түз Gen-11 өлчөмүндөгү коммерциялык панелдин сериялык өндүрүш демонстрациясы катары чечмелөөгө болбойт.
Булак ичиндеги өлчөм эскертүүсү: Пикселдин кыры 300 µm деп берилген. Күчкө нормалдаштырылган сезгичтик эсебиндеги аянт туюнтмасынын тексттик көрсөтүлүшү бүдөмүк болсо да, билдирилген 14,44 N−1 натыйжасы (300 µm)2 бет аянты менен математикалык жактан шайкеш. Оригиналдуу сандык натыйжа өзгөртүлгөн эмес.
Илимий мазмун эскертүүсү: Бул түшүндүрмө булак изилдөөнүн тажрыйбаларына, моделдерине, теңдемелерине, сүрөттөрүнө жана натыйжаларына гана негизделет. Роботика, протез же электрондук тери колдонмолоруна болгон потенциал изилдөөчүлөр талкуулаган колдонуу тармактарынын чегинде берилген; булак көрсөтпөгөн коммерциялык же клиникалык ийгилик дооматы кошулган эмес.
Пикир калтырыңыз
E-mail дарегиңиз жарыяланбайт. Милдеттүү талаалар * менен белгиленген