Ин таҳқиқот сенсори се меҳвараеро, ки ба MEMS-и ғунҷоишӣ асос ёфтааст, таҳия мекунад; он барои муайян кардани фишори муқаррарӣ ва қувваҳои буришӣ дар ду самти параллел ба сатҳ, паҳн шудан бар рӯи сатҳи комилан чандир ва мутобиқат бо усулҳои истеҳсоли масоҳати калон дар саноати дисплейҳои панели ҳамвор (FPD) тарҳрезӣ шудааст. Воҳиди асосии система сенсори миқёси микро мебошад, ки муҳаққиқон онро “пиксел” меноманд. Дар ҳар пиксел чор конденсатори мустақил, сохтори MEMS-и Si₃N₄ ба шакли шабпарак, ки болои холигии тунуки ҳавоӣ овезон аст, барҷастагии марказии интиқоли қувва ва рӯйпӯши муҳофизатии эластомерӣ мавҷуданд. Дар зери фишор чор конденсатор дар самти монанд посух медиҳанд, аммо ҳангоми бори буришӣ ҷуфтҳои муқобили конденсаторҳо дар самтҳои баръакс тағйир ёфта, ченкунии дифференсиалиро имкон медиҳанд.

Дар таҷрибаҳо барои як пиксел ҳассосияти нормашудаи фишор 0,0013 kPa⁻¹ ва ҳассосияти нормашудаи буриш тақрибан 2,6 × 10⁻³ kPa⁻¹ ба даст омад. Тибқи ҳисоби миқёсгузории муҳаққиқон бар асоси модели пиксели бо таҷриба тасдиқшуда, дар массиве, ки дар масоҳати 1 cm² 29 × 29 пиксел ба таври параллел пайваст шудаанд, ғунҷоиши ибтидоӣ метавонад тақрибан 640 pF, ҳассосияти фишор 0,841 pF/kPa ва ҳассосияти дифференсиалии буриш 2,859 pF/kPa бошад. Аммо ин қиматҳои охирини массив натиҷаҳои мустақими ченкуниҳои механикии миқёси пурра нестанд, балки пешгӯиҳое мебошанд, ки ба тавсифи ибтидоии массив ва модели пиксели тасдиқшуда асос ёфтаанд.

Аҳамияти таҳқиқот танҳо дар ҳассосияти баланд нест. Сенсор холигии байни сахтии MEMS-ҳои классикии кремний ва усулҳои махсусу душвормиқёсшавандаи истеҳсоли бисёр сенсорҳои полимерии чандирро ҳадаф мегирад. Сохторе, ки рӯи фолгаи тунуки полиимид бо қадамҳои стандартии микрокоркарди сатҳӣ сохта шудааст, ҳадаф дорад имкони пӯшонидани сатҳҳои каҷро бо равиши микроистеҳсолии мувофиқ барои истеҳсоли силсилавии масоҳати калон дар як платформа муттаҳид кунад.

Аз нигоҳи Türkiye, ин технология барои чангакҳои роботӣ, пӯсти электронӣ, интерфейсҳои протез ва экзоскелет, ҳамкории саноатии инсон-мошин ва таҳқиқоти электроникаи чандир як равиши муҳандисии қобили таваҷҷуҳ аст. Бо вуҷуди ин, дар таҳқиқот қобили татбиқ будан дар ягон хати истеҳсолии FPD ё MEMS дар Türkiye арзёбӣ нашудааст. Инфрасохторҳои микроистеҳсолӣ ба монанди PECVD, DRIE, нишондоди металл, хушккунии нуқтаи критикӣ ва лазерӣ lift-off бояд дар шароити истеҳсолии маҳаллӣ алоҳида арзёбӣ шаванд.

Чаро сенсори қувваи се меҳвара ва чандир лозим аст?

Танҳо донистани фишоре, ки ба сатҳ дар самти амудӣ ворид мешавад, рафтори воқеии ламс ва гирифтанро пурра шарҳ намедиҳад. Вақте ангушти робот ашёро мегирад ё сокети протез бо бофтаи инсон тамос мегирад, ҳамзамон ҳам фишори муқаррарӣ ва ҳам шиддатҳои буришии параллел ба сатҳ метавонанд ба вуҷуд оянд. Оғоз ё накардани лағжиши ашё, бехатар будан ё набудани тамос ё ҷамъ шудани бор дар минтақаи муайяни пӯсти корбар бо ҳамин майдони сеандозаи қувва алоқаманд аст.

Сенсорҳои классикии се меҳвараи ғунҷоишӣ бо иҷрои баланд асосан ба технологияи MEMS-и кремний такя мекунанд. Онҳо аз ҷиҳати микроистеҳсол метавонанд дақиқ бошанд, аммо аз сабаби сохтори сахт ба сатҳҳои васеъ ва каҷ мустақим мутобиқ шудан душвор аст. Дар сенсорҳои чандир бошад, усулҳое мисли рехтани эластомер, қолабҳои махсуси бо 3B чопшуда ё монтажи қабат ба қабати лабораторӣ зиёд истифода мешаванд. Муҳаққиқон қайд мекунанд, ки ин усулҳо барои истеҳсоли стандартии силсилавии масоҳати калон маҳдудият доранд ва эластомерҳо метавонанд дар шароити creep, ҳарорат, намӣ ё деформатсияи доимӣ мушкилоти устувории сигнал эҷод кунанд.

Холигие, ки таҳқиқот ҳадаф мегирад, маҳз ҳамин аст: нигоҳ доштани назорати нозуки геометрии микроистеҳсол ва ҳамзамон сохтани тамоми дастгоҳ рӯи фолгаи чандир тавассути раванде, ки бо истеҳсоли FPD мувофиқ аст.

Воҳиди асосии сенсор чӣ гуна тарҳрезӣ шуд?

Дар Расми 1 сохтори қабатии патчи сенсор ва як пиксели микро-сенсор нишон дода шудааст. Пиксел рӯи зерқабати чандири полиимид (PI) ҷойгир шудааст. Унсури марказии ҳискунанда пластинаи овезони MEMS-и Si₃N₄ ба шакли шабпарак мебошад, ки бо чор пул нигоҳ дошта мешавад. Болои пластина электроди болоии Ti/Pt ва зери он чор электроди поёнии алоҳидаи Ti/Pt ҷойгиранд.

Ин тарҳ чор конденсатори мустақил месозад:

• C₁₁
• C₁₂
• C₂₁
• C₂₂

Барҷастагии асосёфта ба DFR дар маркази пластинаи шабпарак махсусан ба интиқоли қувваҳои параллел ба сатҳ ба сохтори MEMS кумак мекунад. Рӯйпӯши нарми SINR-и асосёфта ба силоксан, ки болои он ҷойгир аст, қабати муҳофизатии тамосро ташкил медиҳад, ки борҳои берунӣ тавассути он интиқол меёбанд ва ҳамзамон ҳадаф дорад MEMS-ро аз моеъ ва чанг муҳофизат кунад.

Фишор ва қувваи буриш аз ҳам чӣ гуна ҷудо карда мешаванд?

Ҳангоми ворид кардани фишори муқаррарӣ bump-и марказӣ ба поён ҳаракат мекунад ва болҳои сохтори шабпарак ба электродҳои поёнӣ наздик мешаванд. Азбаски холигиҳои конденсаторҳо ба таври монанд кам мешаванд, дар C₁₁, C₁₂, C₂₁ ва C₂₂ тағйироти ғунҷоиш бо аломати якхела ба вуҷуд меоянд. Ин ҷавоби симметрӣ асоси ченкунии фишори муқаррарӣ мебошад.

Дар қувваи буриш бошад, bump ба самти параллел ба сатҳ ҳаракат мекунад ва пластинаи шабпарак хам шуда ба як тараф мегардад. Масалан, ҳангоми буриш дар самти x холигиҳои C₁₂ ва C₂₂ дар як тараф метавонанд кам шаванд, дар ҳоле ки холигиҳои C₁₁ ва C₂₁ дар тарафи муқобил зиёд мешаванд. Ҳамин тавр, сигнали як ҷуфти конденсатор зиёд шуда, сигнали ҷуфти дигар кам мешавад. Хониши дифференсиалӣ ҷудо кардани ҷузъи буришро аз фишори муқаррарӣ осон мекунад.

Ин механизм барои кам кардани кӯчиши калони номатлуби уфуқӣ, ки дар баъзе сенсорҳои асосёфта ба эластомер дида мешавад, муҳим аст. Геометрияи пулҳои MEMS имкон медиҳад ҳаракат дар ҳамворӣ ва хамшавӣ берун аз ҳамворӣ ба таври механикӣ назорат шаванд.

Чаро холигии 90 нанометр муҳим аст?

Дар сенсорҳои ғунҷоишӣ, ҳар қадар масофаи байни электродҳо кам шавад, таъсири ҳаракатҳои хурди механикӣ ба ғунҷоиш метавонад бештар шавад. Дар таҳқиқот холигии ҳаво ҳамагӣ 90 nm тарҳрезӣ шудааст. Ин қимат яке аз ҷузъҳои муҳими ҳадафи ҳассосияти баланди муҳаққиқон мебошад.

Аммо чунин холигии хеле тунук ба шиддатҳои боқимондаи истеҳсолӣ низ хеле ҳассос аст. Дастгоҳи воқеӣ дар оғоз идеалӣ ҳамвор нест: шиддатҳои боқимондаи кашиш/фишурдашавӣ дар қабатҳои Si₃N₄ ва металл боис мешаванд чор боли пластинаи шабпарак ба боло хам шаванд ва қисми марказӣ ба поён ҳаракат карда қисман бо зерқабат тамос гирад. Аз ин рӯ, танҳо бо назарияи пластинаи идеалии ҳамвор рафтори сенсорро дуруст пешгӯӣ кардан мумкин нест.

Мутобиқат бо истеҳсоли FPD чӣ гуна таъмин шуд?

Истеҳсол дар инфрасохтори ҳуҷраи тозаи imec дар Leuven, барои мақсади рушд, рӯи интиқолдиҳандаи стандартии шишагии 150 mm бо ғафсии 500 µm анҷом дода шуд. Полиимиди чандир аввал ба интиқолдиҳандаи муваққатии шишагӣ пӯшонида шуда, дар 450 °C пухта шуд. Сипас қабатҳои MEMS бо усулҳои микрокоркарди сатҳӣ, ки метавонанд дар истеҳсоли FPD истифода шаванд, сохта шуданд.

Дар Расми 2 занҷири истеҳсол қадам ба қадам нишон дода шудааст. Раванд асосан марҳилаҳои зеринро дар бар мегирад:

1. Омода кардани зерқабати чандири PI рӯи интиқолдиҳандаи шишагӣ.
2. Сохтани қабатҳои роҳнамоии металлӣ, ки бо электроникаи TFT мувофиқанд.
3. Нишондани қабати диэлектрикии Si₃N₄ бо PECVD.
4. Сохтани электродҳои поёнии Ti/Pt.
5. Нишондани қабати қурбонии хром.
6. Сохтани диэлектрики болоӣ ва электроди болоии Ti/Pt.
7. Нишондани қабати сохтории Si₃N₄ бо PECVD.
8. Ламинатсия ва нақшбандии сохтори bump-и марказии DFR.
9. Кушодани каналҳои дастрасӣ ба қабати қурбонӣ бо DRIE.
10. Хориҷ кардани қабати қурбонии хром бо ҳаккокии тар.
11. Хушккунии нуқтаи критикии CO₂ барои пешгирии часпиши капиллярӣ.
12. Ламинатсия ва фотонақшбандии эластомери муҳофизатии SINR.
13. Ҷудо кардани сохтори чандир аз интиқолдиҳандаи шишагӣ бо лазерӣ lift-off.

Ламинатсияи SINR дар фишори 100 kPa ва ҳарорати 80 °C анҷом дода шуда, баъди фотонақшбандӣ post-exposure bake дар 110 °C татбиқ шудааст. Барои хориҷ кардани қабати қурбонии хром сохтор тақрибан чор соат дар маҳлули ҳаккокӣ нигоҳ дошта шудааст.

Оё патчҳои воқеии сенсор истеҳсол шуданд?

Бале. Расми 3 патчҳои гуногуни сенсор ва геометрияҳои гуногуни пикселро, ки рӯи интиқолдиҳандаи шишагии 150 mm сохта шудаанд, нишон медиҳад. Муҳаққиқон патчҳои андозаҳои гуногун, аз ҷумла 2,7 × 2,7 cm² ва 2 × 1 cm², истеҳсол карданд. Илова бар ин, қобили истеҳсол будани геометрияҳои гуногуни MEMS дар сатҳҳои 300 × 300 µm², 150 × 150 µm² ва 90 × 90 µm² нишон дода шуд.

Дар Расми 4 патчҳои комилан чандири аз интиқолдиҳандаи шишагӣ ҷудошуда дида мешаванд. Сохтори 2,7 × 2,7 cm² бо чор пайвасткунаки чандири 68 pin ва сохтори 2 × 1 cm² бо як пайвасткунаки чандир ба электроникаи берунӣ пайваст шудаанд. Ин натиҷа нишон медиҳад, ки сенсорҳоро на танҳо ҳамчун як MEMS-и лабораторӣ, балки ҳамчун патчҳои чандири дорои пикселҳои зиёд низ метавон истеҳсол кард.

Бо вуҷуди ин, ибораи “бо истеҳсоли FPD мувофиқ” бо ибораи “истеҳсоли силсилавии масоҳати пурра дар хати тиҷоратии панели FPD анҷом дода шудааст” як чиз нест. Намоиши физикии таҳқиқот рӯи интиқолдиҳандаи 150 mm анҷом дода шудааст; гузариш ба миқёси калонтарини панели FPD дар ин кор бо кампаняи истеҳсолӣ нишон дода нашудааст.

Чаро модели 3B унсурҳои ниҳоӣ лозим буд?

Азбаски MEMS-и воқеӣ дар оғоз аз сабаби шиддатҳои боқимонда деформатсия шуда ва баъзе қисмҳои он бо зерқабат тамос доштанд, муҳаққиқон дар COMSOL Multiphysics 5.6 модели пурраи сеандозаи унсурҳои ниҳоиро сохтанд. Модел хосиятҳои эластикии қабатҳо, шиддатҳои ибтидоии аз истеҳсол ба вуҷудомада, рафтори тақрибан фишурданашавандаи SINR ва тамоси MEMS-зерқабатро якҷо баррасӣ мекунад.

Шабакаи унсурҳои ниҳоӣ аз унсурҳои wedge-и дараҷаи дуюм бо 18 гиреҳ иборат буд. Дар маҷмӯъ 21.336 унсур ва тақрибан 185.556 дараҷаи озодӣ истифода шуданд. Масъалаи тамос бо усули penalty ҳал карда шуд.

Шарти тамос байни сатҳи поёнии пластинаи овезон ва зерқабати чандир дар манбаъ бо робитаи зерин ифода шудааст:

\[ w_{\mathrm{but}}(x)-w_{\mathrm{sub}}(x)-g_{\mathrm{cavity}}=0 \]

Дар ин ҷо \(w_{\mathrm{but}}\) ҷойивазкунии амудии сохтори шабпарак, \(w_{\mathrm{sub}}\) ҷойивазкунии амудии зерқабати чандир ва \(g_{\mathrm{cavity}}\) холигии ибтидоиро ифода мекунад.

Ғунҷоиш чӣ гуна ҳисоб карда мешавад?

Саҳми ғунҷоишии фосилаи тағйирёбандаи ҳавоӣ байни электродҳо чунин ҳисоб карда мешавад:

\[ C_{\mathrm{gap}} = \int_{S_e} \frac{\varepsilon_{\mathrm{air}}\varepsilon_0} {g_{\mathrm{cavity}}+w_{\mathrm{sub}}(x)-w_{\mathrm{but}}(x)} \,dA \]

Ғунҷоиши қабати Si₃N₄, ки электроди болоиро аз холигии ҳаво ҷудо мекунад, чунин аст:

\[ C_{\mathrm{Si_3N_4}} = \varepsilon_{\mathrm{Si_3N_4}}\varepsilon_0 \frac{S_e}{t_{s1}} \]

Ду саҳм ҳамчун ғунҷоиши эквивалентии пайдарпай пайвастшуда арзёбӣ мешаванд:

\[ C= \frac{C_{\mathrm{gap}}C_{\mathrm{Si_3N_4}}} {C_{\mathrm{gap}}+C_{\mathrm{Si_3N_4}}} \]

Тағйироти электрикии ҳисшуда бо:

\[ \Delta C=C-C_0 \]

ифода карда мешавад. Дар ин ҷо \(C_0\) ғунҷоиши воқеии ибтидоӣ мебошад, ки на танҳо аз геометрияи идеалӣ ҳисоб шудааст, балки деформатсияи ибтидоии аз истеҳсол ба вуҷудомадаро низ дар бар мегирад.

Оё модел деформатсияи воқеии ибтидоиро дуруст пешгӯӣ кард?

Дар Расми 6 микроскопи оптикӣ, профилометрияи голографии рақамӣ ва натиҷаи FEM муқоиса шудаанд. Дар таҷриба ҷойивазкунии миёнаи максималии болоравӣ дар кунҷҳои болҳои шабпарак тақрибан 807 nm чен карда шуд. Модел дар ҳамон минтақа ҷойивазкунии максималии 793 nm-ро ҳисоб кард.

Ин наздикӣ яке аз натиҷаҳои муҳимест, ки зарурати ворид кардани шиддатҳои боқимондаи истеҳсолиро ба модел тасдиқ мекунад. Баъдан бори нуқтавии амудии 10–90 µN татбиқ шуда, каҷи таҷрибавии қувва–ҷойивазкунӣ бо натиҷаи модел муқоиса шуд ва муҳаққиқон мувофиқати қавӣ байни ду каҷро мушоҳида карданд.

Оё ғунҷоиши ибтидоии барқӣ бо модел мувофиқат кард?

Дар тавсифи электростатикӣ ба электроди болоӣ шиддати DC дар диапазони 0–8 V татбиқ шуд ва ғунҷоиш бе бори механикии беруна чен карда шуд. Ғунҷоиши ибтидоии ченшуда 0,76 pF, пешгӯии модели 3B FEM бошад 0,764 pF буд.

Бо зиёд шудани шиддат, кашиши электростатикӣ болҳои шабпаракро ба зерқабат наздик кард ва ғунҷоиш зиёд шуд. Дар озмоиши сершавӣ то 35 V, бо қариб пурра баста шудани холигии ҳаво тағйироти ғунҷоиш дар сатҳи тақрибан 6 pF ба сершавӣ расид.

Дар таҷрибаи фишор чӣ натиҷаҳо ба даст омаданд?

Дар тавсифи фишор, зондҳои алмосӣ бо радиуси 25 µm ба bump-и марказӣ қувваи амудӣ татбиқ карданд. Қувваҳои истифодашуда дар диапазони 30–141 µN буданд. Ҳамзамон тағйироти ғунҷоиш бо Keysight E4980A LCR метр чен шуда, таҷрибаҳо бо модели 3B дубора ҳисоб карда шуданд.

Пас аз мувофиқ шудани каҷҳои таҷриба ва симулятсия, модел барои арзёбии тамоми диапазони фишори дастгоҳ истифода шуд. Фишори ҳисобшудаи сершавӣ тақрибан 1800 kPa буд. Диапазони 0–300 kPa барои барномаҳои марбут ба ҳисси ламси инсон алоҳида таҳлил шуд.

Дар атрофи 150 kPa ҳассосияти фишори як пиксел:

1 × 10⁻³ pF/kPa

ҳисоб карда шуд. Ҳангоми нормасозӣ ба ғунҷоиши ибтидоӣ:

0,0013 kPa⁻¹

ба даст омад.

Муҳаққиқон ин қиматро бо сенсорҳои се меҳвараи ғунҷоишии чандири қаблӣ муқоиса намуда, қайд мекунанд, ки дастгоҳи онҳо ҳассосияти нормашудаи баландтар пешниҳод мекунад. Аммо азбаски геометрияҳо, диапазонҳои корӣ ва шароити санҷиш дар нашрияҳои гуногун яксон нестанд, ин муқоиса набояд ҳамчун рейтинги мутлақи маҳсулот тафсир шавад.

Ҳаракати физикии MEMS дар зери фишор чӣ мешавад?

Натиҷаи FEM дар фишори 175 kPa нишон медиҳад, ки минтақаи марказие, ки дар оғоз қисман бо зерқабат тамос дошт, борро ба болҳои шабпарак интиқол медиҳад ва чор бол ба таври симметрӣ ба поён хам мешаванд. Кам шудани холигиҳои конденсатор боис мешавад ҳамаи чор ғунҷоиш зиёд шаванд.

Дар ҳолати сершавии 1800 kPa холигии ҳавоии сохтори овезон пурра баста мешавад. Шиддати максималии кашиши тӯлӣ, ки дар қабати сохтории Si₃N₄ ҳисоб шудааст, тақрибан 0,25 GPa мебошад. Мақола ин қиматро аз қувваи плёнкаи CVD Si₃N₄ тақрибан 6 GPa, ки дар адабиёт гузориш шудааст, хеле пасттар арзёбӣ мекунад.

Қувваи буриш чӣ гуна озмоиш шуд?

Дар озмоиши буриш аз зондҳои паҳлӯӣ истифода шуд, ки ба тарафи bump-и марказӣ ҳаракати уфуқӣ ворид мекарданд. Ҷойивазкунии уфуқии bump аз тасвирҳои микроскоп муайян карда шуда, тағйирот дар чор конденсатор бо LCR метр чен карда шуданд.

Ҳангоми ворид кардани ҳаракат дар самти x, болҳои тарафи C₁₂ ва C₂₂ ба поён ҳаракат карда ғунҷоишро зиёд карданд, дар ҳоле ки тарафи C₁₁ ва C₂₁ ба боло ҳаракат карда ғунҷоишро кам кард. Ҳамин тавр, самти буриш бо сигналҳои барқии аломаташон муқобил муайян карда мешавад.

Натиҷаҳои таҷрибавӣ бо модели 3B FEM мувофиқати хуб нишон доданд. Сипас модел барои бори буриш то тақрибан 1400 kPa истифода шуд.

Дар шароити буриши тақрибан 40 kPa ҳассосияти нормашудаи буриш 2,6 × 10⁻³ kPa⁻¹ ҳисоб карда шуд.

Чаро модели содашудаи аналитикӣ кофӣ набуд?

Муҳаққиқон барои рафтори буриш ифодаҳои содашудаи аналитикиро низ ҳосил карданд. Аммо ин модел фарз мекунад, ки пластинаи шабпарак дар оғоз комилан ҳамвор аст ва бо зерқабат тамос надорад. Дар воқеият, мавҷудияти тамоси ибтидоӣ аз сабаби шиддатҳои истеҳсолӣ ҳаракатро маҳдуд мекунад.

Дар Расми 9g дида мешавад, ки модели аналитикӣ тағйироти ғунҷоишро ба таври назаррас аз ҳад зиёд пешгӯӣ мекунад. Болотар аз ҷойивазкунии уфуқии тақрибан 40 nm, равиши аналитикӣ аз ҷиҳати физикӣ низ беэътибор мешавад. Ин натиҷа яке аз дарсҳои муҳимтарини моделсозии таҳқиқот аст: агар дар холигиҳои миқёси нанометр деформатсияи воқеии истеҳсолӣ ва масъалаи тамос нодида гирифта шаванд, формулаҳои соддаи аналитикӣ метавонанд гумроҳкунанда бошанд.

Озмоиши тақрибан 110 миллион давр чӣ нишон дод?

Дар озмоиши устуворӣ, сохторҳои MEMS дар басомади резонанс бо тақрибан амплитудаи ларзиши 4 nm тақрибан 110 миллион давр кор дода шуданд. Муҳаққиқон пас аз озмоиш дар басомади резонанс тағйирот мушоҳида накарданд; инчунин дар посухи амплитуда/шиддат коҳиши ченшаванда гузориш нашуд.

Муаллифон қайд мекунанд, ки амплитудаи 4 nm ба фишори тақрибан 175 kPa, яъне ба ҳолати “firm grip” дар гурӯҳбандии тактилии онҳо, мувофиқ аст; 110 миллион давр бошад барои роботе, ки дар як сония як бор мегирад, ба миқёси тақрибан як соли истифода баробар аст.

Ин натиҷа нишондиҳандаи қавии хастагӣ/релаксатсияи шиддат аст, аммо озмоиши яксолаи саҳроӣ дар муҳити воқеии роботӣ нест. Ҳарорати тағйирёбанда, намӣ, хамшавии доимӣ, зарба, ифлосшавӣ ва комбинатсияҳои гуногуни бор дар ҳамон таҷриба санҷида нашудаанд.

Оё метавонад ҳамчун массив кор кунад?

Дар таҳқиқот на танҳо як пиксели MEMS, балки массивҳои 9 × 9 пиксел низ аз ҷиҳати барқӣ тавсиф шуданд. Бо пайвасти параллелии ғунҷоишҳои пикселҳо, дида шуд, ки ғунҷоиши умумӣ тақрибан бо шумораи пикселҳо миқёс мегирад. Муҳаққиқон инро ҳамчун далели ибтидоии мутобиқати посух аз пиксел ба пиксел арзёбӣ мекунанд.

Барои арзёбии таъсири байни пикселҳои ҳамсоя озмоишҳои crosstalk гузаронида шуданд. Дар барангезиши электростатикӣ қиматҳои миёнаи crosstalk, ки таъсирҳои барқӣ ва механикиро якҷо дар бар мегиранд, аз 5 fF зиёд нашуданд. Вақте ба як пиксел фишор ё буриши механикӣ дода шуда, пиксели ҳамсоя бебор нигоҳ дошта шуд, тағйироти миёнаи ғунҷоиш, ки аз crosstalk-и механикӣ ба вуҷуд омаданд, аз 3 fF паст монданд.

Ин натиҷа имкони сенсорро барои ҷудо кардани маконии минтақаи тамос дастгирӣ мекунад. Аммо муҳаққиқон махсус таъкид мекунанд, ки тавсифи массив ҳанӯз дар марҳилаи ибтидоӣ аст.

Иҷрои пешгӯишуда барои сенсори 1 cm²

Бо дарназардошти фосилаи пиксел ва геометрияи мавҷудаи истеҳсол, муҳаққиқон ҳисоб карданд, ки дар 1 cm² 29 × 29, яъне 841 пиксел ҷойгир кардан мумкин аст. Бо пайвасти параллелии барқӣ барои ҳар канали мустақили конденсатор ғунҷоиши ибтидоӣ тақрибан 640 pF пешбинӣ мешавад.

Таҷрибаи татбиқӣ бо ангушт чӣ нишон медиҳад?

Дар Расми 12 ба массиви сенсор тамоси воқеии тактилӣ татбиқ шуда, тағйироти ғунҷоиш вобаста ба вақт сабт шудаанд. Сипас ин сигналҳо ба фишори муқаррарӣ ва шиддати буриш дар самти x табдил дода шуданд. Ҳамин тавр, дар сатҳи ибтидоӣ нишон дода шуд, ки система ҳангоми ламси воқеӣ метавонад ду ҷузъи гуногуни механикиро ҳамчун силсилаи вақт ҷудо кунад.

Аммо ин таҷриба тасдиқи калибршудаи бори тақсимшудаи массиви пурраи 29 × 29 нест. Мақола ба таври возеҳ қайд мекунад, ки ченкуниҳои муфассалтари массив дар оянда анҷом дода мешаванд.

Ҷиҳатҳои қавии таҳқиқот

• Сенсори воқеии MEMS рӯи фолгаи чандир истеҳсол шудааст.
• Сохтори симметрии чор конденсаторӣ, ки ҳискунии мустақил/дифференсиалии фишор ва буришро имкон медиҳад, таҳия шудааст.
• Холигии тунуки конденсатории 90 nm ҳадафи ҳассосияти баландро дастгирӣ мекунад.
• Модели 3B FEM, ки шиддатҳои боқимондаи истеҳсолӣ ва тамоси MEMS-зерқабатро дар бар мегирад, бо таҷрибаҳо тасдиқ шудааст.
• Тавсифҳои механикӣ, электростатикӣ, фишор ва буриш якдигарро пурра мекунанд.
• Қобили истеҳсол будани андозаҳои гуногуни пиксел ва патч нишон дода шудааст.
• Озмоиши устувории динамикии тақрибан 110 миллион давр анҷом дода шудааст.
• Озмоишҳои массиви 9 × 9 ва crosstalk-и пикселҳои ҳамсоя гузаронида шудаанд.

Маҳдудиятҳои таҳқиқот

• Ҳарчанд мутобиқат бо истеҳсоли FPD-и масоҳати калон нишон дода шудааст, дар хати панели тиҷоратии FPD бо андозаи пурра намоиши истеҳсоли силсилавӣ анҷом дода нашудааст.
• Ҳассосиятҳои додашуда барои массиви 29 × 29, 1 cm² ченкунии механикии массиви пурра нестанд, балки пешгӯиҳои асосёфта ба модел ва тавсифи ибтидоӣ мебошанд.
• Дар истифодаи воқеӣ таъсири якҷояи ҳарорат, намӣ, зарба ва хамшавии доимии макроскопӣ ба таври фарогир санҷида нашудааст.
• Озмоиши дарозмуддат ба даврҳои резонанс асос меёбад; он баробари мустақими истифодаи воқеии роботӣ дар саҳро барои солҳои зиёд нест.
• Таҷрибаи ламси ангушт потенсиали татбиқро нишон медиҳад, аммо таҳқиқоти клиникӣ ё корбарӣ нест.
• Намоиши маҳсулот дар сатҳи системаи пурра бо электроникаи ҳамгирошудаи хониши TFT ҳадафи асосии ин таҳқиқот нест.

Ин таҳқиқот чиро нишон медиҳад ва чиро нишон намедиҳад?

Таҳқиқот нишон медиҳад, ки рӯи полиимиди чандир сенсори се меҳвараи ғунҷоишии MEMS-и мувофиқ бо усулҳои истеҳсоли FPD сохтан мумкин аст; як пиксел ба фишор ва буриш ҳассос аст; рафтори таҷрибавии онро модели 3B, ки шиддатҳои боқимондаи истеҳсолиро ба ҳисоб мегирад, шарҳ дода метавонад; ва потенсиали миқёсгузорӣ ба массивҳои бисёрпикселӣ вуҷуд дорад.

Дар муқобил, таҳқиқот нишон намедиҳад, ки сенсор аллакай дар роботҳои тиҷоратӣ, протезҳо ё дисплейҳои истеъмолӣ ба истеҳсоли силсилавӣ гузаштааст. Ҳамчунин ҳассосиятҳои ҳисобшуда барои сохтори 1 cm² 29 × 29 маънои сертификатсияи маҳсулоти ниҳоӣ ё ҳосили истеҳсоли масоҳати калонро надоранд.

Усул ва Натиҷаҳои Таҳқиқот

Дастгоҳи таҷрибавӣ

Сенсорҳо дар инфрасохтори ҳуҷраи тозаи imec, рӯи интиқолдиҳандаи шишагии 150 mm бо истифода аз фолгаи чандири полиимид истеҳсол шуданд. Сохтори асосии MEMS аз Si₃N₄, электродҳо аз Ti/Pt, унсури марказии интиқоли қувва аз DFR ва қабати берунии муҳофизатӣ аз SINR асос ёфтаанд.

Пиксели асосӣ канори 300 µm ва холигии конденсатории 90 nm дорад. Чор электроди мустақили поёнӣ бо як электроди болоӣ конденсаторҳои C₁₁, C₁₂, C₂₁ ва C₂₂-ро ташкил медиҳанд.

Истеҳсол

Истеҳсол марҳилаҳои рӯйпӯш/пухтани PI, роҳнамоии металлӣ, PECVD Si₃N₄, истеҳсоли электродҳои Ti/Pt, қабати қурбонии Cr, қабатҳои дуюми Si₃N₄, bump-и DFR, DRIE, ҳаккокии тари хром, хушккунии нуқтаи критикӣ, ламинатсия/нақшбандии SINR ва лазерӣ lift-off-ро дар бар гирифт.

3B FEM

Модели COMSOL Multiphysics 5.6 шиддатҳои боқимондаи кашиш ва фишурдашавии аз истеҳсол ба вуҷудомада, қабатҳои эластикӣ, рӯйпӯши тақрибан фишурданашавандаи SINR ва масъалаи тамос байни MEMS-и овезон ва зерқабатро якҷо ҳал мекунад.

Тасдиқи механикӣ

Баландшавии максималии миёнаи кунҷи бол, ки бо профилометри голографии рақамӣ чен шуд, 807 nm ва натиҷаи FEM 793 nm буд. Баъдан дар таҷрибаи бори нуқтавии 10–90 µN рафтори ададӣ ва таҷрибавии қувва–ҷойивазкунӣ мувофиқати наздик нишон дод.

Тасдиқи электростатикӣ

Дар скани шиддати статикии 0–8 V, ғунҷоиши ибтидоӣ дар таҷриба 0,76 pF ва дар модел 0,764 pF ёфт шуд. Дар озмоиши басташавии электростатикӣ то 35 V тағйироти ғунҷоиши сершавии тақрибан 6 pF мушоҳида шуд.

Тавсифи фишор

Бо зондҳои алмосии радиусаш 25 µm қувваи амудии 30–141 µN татбиқ шуд. Тағйироти ченшудаи ғунҷоиш бо модел муқоиса шуданд; сипас модели тасдиқшуда то сатҳи басташавии холигии 1800 kPa васеъ карда шуд.

Тавсифи буриш

Бо зондҳои паҳлӯӣ bump-и марказӣ ба самти уфуқӣ ҳаракат дода шуд, ҷойивазкунӣ аз тасвирҳои микроскоп ва ғунҷоишҳо бо LCR метр сабт шуданд. Тағйироти аломаташон муқобили ҷуфтҳои C₁₂/C₂₂ ва C₁₁/C₂₁ ҳискунии дифференсиалии буришро ташкил дод.

Устуворӣ

Бо истифода аз виброметри Polytec MSA-500 дар басомади резонанс бо амплитудаи ларзиши 4 nm тақрибан 110 миллион давр татбиқ шуд; дар басомади резонанс ва посухи амплитуда/шиддат тағйироти назаррас мушоҳида нашуд.

Натиҷаҳои массив ва crosstalk

Дар массивҳои 9 × 9 пиксели параллел дида шуд, ки ғунҷоиши умумӣ тақрибан бо шумораи пикселҳо миқёс мегирад. Миёнаҳои crosstalk-и якҷояи барқӣ/механикӣ дар барангезиши электростатикӣ аз 5 fF паст буданд ва crosstalk, ки дар пиксели ҳамсояи бебор дар зери бори мустақими механикӣ чен шуд, аз 3 fF паст монд.

Дар меъмории 29 × 29 пиксели параллел, ки барои масоҳати 1 cm² ҳисоб шудааст:

• Ғунҷоиши ибтидоӣ: тақрибан 640 pF
• Ҳассосияти фишор: 0,841 pF/kPa
• Ҳассосияти буриш C₁₂/C₂₂, soft grip: 1,682 pF/kPa
• Ҳассосияти буриш C₁₂/C₂₂, good grip: 3,364 pF/kPa
• Ҳассосияти ҷуфти муқобили конденсатор: −1,177 pF/kPa
• Ҳассосияти якҷояи дифференсиалии буриш дар шарти soft-grip: 2,859 pF/kPa

Ин қиматҳо натиҷаҳои кампаняи таҷрибавии анҷомёфтаи бори механикии 29 × 29 нестанд. Тавре ки дар манбаъ шарҳ дода шудааст, онҳо пешгӯиҳои миқёсгузорӣ аз модели пиксели тасдиқшуда ва тавсифи ибтидоии массив мебошанд.

Тасдиқи татбиқ

Ҳангоми ламси воқеӣ тағйироти ғунҷоиши массиви сенсор сабт шуда, аз ин сигналҳо фишор ва шиддатҳои буриш вобаста ба вақт ба даст оварда шуданд. Озмоиш далели ибтидоии татбиқӣ аст, ки технология барои ҳискунии қувваи тактилӣ кор карда метавонад; он тасдиқи фарогири роботӣ, протезӣ ё клиникӣ нест.

Ёддошт оид ба Манбаъ ва Усул

Номи пурраи аслии таҳқиқот: Fully flexible large-area MEMS-based triaxial force sensor compatible with flat panel display manufacturing

Муаллифон: Gianluca Massimino; Samer Houri; Alexey Podkovskiy; Veronique Rochus; Jan Genoe.

Саҳми баробар/муаллифи аввали баробар: Дар манбаъ изҳорот дар бораи саҳми баробар ё муаллифи аввали баробар вуҷуд надорад.

Муаллифи масъул: Gianluca Massimino.

Муассиса: imec, Kapeldreef 75, 3001 Leuven, Belgium.

Маҷалла: Microsystems & Nanoengineering.

Ҷилд / рақами мақола: Volume 12, Article 248.

DOI:10.1038/s41378-026-01256-7

Платформаи нашр / ношир: Nature Portfolio / Springer Nature.

Навъи манбаъ ва ҳолати баррасии ҳамтоён: Мақолаи таҳқиқотии баррасишуда.

Раванди нашр: 26 Феврал 2025 гирифта шуда, 1 Декабр 2025 бозбинӣ шуда, 8 Март 2026 қабул ва 25 Июн 2026 нашр шудааст.

Пайванди расмии нашр:Сабти мақолаи Nature / Microsystems & Nanoengineering

Литсензия: Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International, CC BY-NC-ND 4.0.

Ёддошти ҳуқуқи муаллиф/тасвир: Литсензия паҳн кардани маводи манбаи тағйирдодашуда ё мутобиқшударо иҷозат намедиҳад. Аз ин рӯ, дар шарҳи Verianla ҳосилаҳои аз нав кашидашудаи фигураҳои аслии мақола истифода нашудаанд; натиҷаҳои манбаъ бо матн ва ҷадвалҳои мустақили маълумот шарҳ дода шудаанд.

Маблағгузорӣ: Дар матни манбаъ изҳороти алоҳидаи маблағгузорӣ вуҷуд надорад.

Дастрасии маълумот: Дар манбаи баррасишуда Data Availability Statement-и алоҳида муайян нашуд.

Бархӯрди манфиатҳо: Муаллифон изҳор доштаанд, ки бархӯрди манфиатҳо вуҷуд надорад.

Саҳмҳои муаллифон: Gianluca Massimino дастгоҳро консептуалӣ кардааст; Gianluca Massimino ва Alexey Podkovskiy ҷараёни равандро таҳия кардаанд. Gianluca Massimino усул, моделсозӣ, симулятсия, тарҳ, истеҳсол ва визуализатсияро анҷом додааст. Gianluca Massimino ва Samer Houri таҷрибаҳо ва таҳқиқотро гузаронда, лоиҳаи аслиро навишта, ба бозбинӣ ва таҳрир саҳм гузоштаанд. Veronique Rochus ва Jan Genoe корро назорат карда, барои симулятсия, тарҳ, истеҳсол ва тавсиф захираҳо ва таҷҳизот таъмин кардаанд.

Маҳдудияти асосии методологӣ: Рафтори фишор ва буриши як пиксел бо таҷриба чен ва бо модели 3B FEM тасдиқ шудааст. Аммо ҳассосиятҳои барои 1 cm², 29 × 29 пиксел додашуда дар манбаъ ҳамчун “prediction” тавсиф шудаанд ва ченкуниҳои муфассалтари механикии массиви тақсимшуда ба таҳқиқоти оянда гузошта шудаанд.

Маҳдудияти миқёси FPD: Ҷараёни истеҳсол барои мутобиқат бо равандҳои FPD-и масоҳати калон тарҳрезӣ шудааст; дар доираи таҳқиқот истеҳсоли воқеии сенсор рӯи интиқолдиҳандаи шишагии 150 mm анҷом дода шудааст. Аз ин рӯ, натиҷаҳо набояд мустақиман ҳамчун намоиши истеҳсоли силсилавии панели тиҷоратии андозаи Gen-11 тафсир шаванд.

Ёддошти андоза дар дохили манбаъ: Канори пиксел 300 µm дода шудааст. Гарчанде намоиши матнии ифодаи масоҳат дар ҳисоби ҳассосияти нормашуда ба қувва норавшан аст, натиҷаи гузоришшудаи 14,44 N⁻¹ аз ҷиҳати математикӣ бо масоҳати сатҳи (300 µm)² мувофиқ аст. Натиҷаи аслии ададӣ тағйир дода нашудааст.

Ёддошти мундариҷаи илмӣ: Ин шарҳ танҳо ба таҷрибаҳо, моделҳо, муодилаҳо, расмҳо ва натиҷаҳои таҳқиқоти манбаъ асос ёфтааст. Потенсиали истифода дар роботика, протез ё пӯсти электронӣ дар доираи соҳаҳои истифодае, ки муҳаққиқон муҳокима кардаанд, баён шудааст; иддаои муваффақияти тиҷоратӣ ё клиникие, ки манбаъ нишон надодааст, илова нашудааст.