Ushbu tadqiqot normal bosimni va sirtga parallel ikki yo‘nalishdagi kesish kuchlarini aniqlay oladigan, butunlay egiluvchan sirtga yoyilishi mumkin bo‘lgan hamda yassi panelli displey (FPD) sanoatidagi katta maydonli ishlab chiqarish usullari bilan mos ishlashga mo‘ljallangan sig‘imli MEMS asosidagi uch o‘qli kuch sensorini ishlab chiqadi. Tizimning asosiy birligi tadqiqotchilar “piksel” deb ataydigan mikromiqyosdagi sensordir. Har bir pikselda to‘rtta mustaqil kondensator, yupqa havo bo‘shlig‘i ustida osilib turuvchi Si₃N₄ kapalak shaklidagi MEMS tuzilmasi, markaziy kuch uzatish bo‘rtig‘i va himoya elastomer qoplamasi mavjud. Bosim ostida to‘rtta kondensator o‘xshash yo‘nalishda javob bersa, kesish yukida qarama-qarshi kondensator juftlari teskari yo‘nalishda o‘zgarib, differensial o‘lchash imkonini beradi.

Tajribalarda bitta piksel uchun normallashtirilgan bosim sezgirligi 0,0013 kPa⁻¹, normallashtirilgan kesish sezgirligi esa taxminan 2,6 × 10⁻³ kPa⁻¹ bo‘lgan. Tadqiqotchilarning tajribada tasdiqlangan piksel modeli asosida qilgan masshtablash hisobiga ko‘ra, 1 cm² maydonda 29 × 29 piksel parallel ulangan massivda boshlang‘ich sig‘im taxminan 640 pF, bosim sezgirligi 0,841 pF/kPa va differensial kesish sezgirligi 2,859 pF/kPa bo‘lishi mumkin. Biroq ushbu oxirgi massiv qiymatlari to‘liq masshtabli mexanik o‘lchovlarning bevosita natijalari emas, balki dastlabki massiv tavsifi va tasdiqlangan piksel modeliga asoslangan prognozlardir.

Tadqiqotning muhim jihati faqat yuqori sezgirlik emas. Sensor klassik kremniy MEMSlarning qattiqligi bilan ko‘plab egiluvchan polimer sensorlarning maxsus va masshtablash qiyin bo‘lgan ishlab chiqarish usullari o‘rtasidagi bo‘shliqni bartaraf etishga qaratilgan. Yupqa poliimid folga ustida standart sirt mikroishlov berish bosqichlari bilan yaratilgan tuzilma egri sirtlarni qoplash imkoniyatini va katta maydonli ommaviy ishlab chiqarishga mos mikroishlab chiqarish yondashuvini bir platformada birlashtirishni maqsad qiladi.

Turkiya nuqtai nazaridan texnologiya robotik tutqichlar, elektron teri, protez va ekzoskelet interfeyslari, sanoat inson-mashina o‘zaro ta’siri hamda egiluvchan elektronika tadqiqotlari uchun e’tiborga molik muhandislik yondashuvidir. Biroq tadqiqotda Turkiyadagi biror FPD yoki MEMS ishlab chiqarish liniyasida qo‘llash imkoniyati baholanmagan. PECVD, DRIE, metall yotqizish, kritik nuqtada quritish va lazer lift-off kabi mikroishlab chiqarish infratuzilmalari mahalliy ishlab chiqarish sharoitlarida alohida baholanishi kerak.

Nega uch o‘qli va egiluvchan kuch sensori kerak?

Sirtga faqat perpendikulyar yo‘nalishda berilgan bosimni bilish haqiqiy teginish va ushlash xatti-harakatini to‘liq tushuntirmaydi. Robot barmog‘i predmetni ushlaganda yoki protez gilzasi inson to‘qimasi bilan kontaktda bo‘lganda bir vaqtning o‘zida ham normal bosim, ham sirtga parallel kesish kuchlanishlari paydo bo‘lishi mumkin. Predmet sirpanishni boshlaydimi, kontakt xavfsizmi yoki foydalanuvchi terisining ma’lum qismida yuk to‘planadimi — bularning barchasi ushbu uch o‘lchovli kuch maydoni bilan bog‘liq.

Klassik yuqori samarali sig‘imli uch o‘qli kuch sensorlari asosan kremniy MEMS texnologiyasiga asoslanadi. Ular mikroishlab chiqarish nuqtai nazaridan aniq bo‘lishi mumkin, ammo qattiq tuzilishi sabab keng va egri sirtlarga bevosita moslashishda qiynaladi. Egiluvchan sensorlarda esa elastomer quyish, maxsus 3B bosilgan qoliplar yoki qatlamma-qatlam laboratoriya yig‘ish kabi usullar tez-tez qo‘llanadi. Tadqiqotchilar bu usullar katta maydonli standart ommaviy ishlab chiqarish nuqtai nazaridan cheklovlarga ega ekanini va elastomerlar creep, harorat, namlik yoki uzluksiz deformatsiya ostida signal barqarorligi muammolarini keltirib chiqarishi mumkinligini ta’kidlaydi.

Tadqiqot nishonga olgan bo‘shliq aynan shu yerda: mikroishlab chiqarishning nozik geometrik nazoratini saqlagan holda qurilmaning hammasini egiluvchan folga ustida va FPD ishlab chiqarish bilan mos jarayon orqali yaratish.

Sensorning asosiy birligi qanday loyihalangan?

1-shaklda sensor yamoqchasi va bitta mikro sensor pikselining qatlamli tuzilishi ko‘rsatilgan. Piksel egiluvchan poliimid (PI) taglik ustiga joylashtirilgan. Markaziy sezish elementi to‘rtta ko‘prik bilan ushlab turiladigan Si₃N₄ kapalak shaklidagi osma MEMS plastinasidir. Plastina ustida Ti/Pt yuqori elektrod, ostida esa to‘rtta alohida Ti/Pt quyi elektrod joylashadi.

Bu tuzilma to‘rtta mustaqil kondensator hosil qiladi:

• C₁₁
• C₁₂
• C₂₁
• C₂₂

Kapalak plastinaning markazidagi DFR asosidagi bo‘rtiq ayniqsa sirtga parallel kuchlarni MEMS tuzilmasiga uzatishga yordam beradi. Uning ustidagi SINR siloksan asosidagi yumshoq qoplama tashqi yuk uzatiladigan himoya kontakt qatlamini hosil qilish bilan birga MEMSni suyuqlik va changdan ham himoyalashni maqsad qiladi.

Bosim bilan kesish kuchi bir-biridan qanday ajratiladi?

Normal bosim qo‘llanganda markaziy bump pastga harakat qiladi va kapalak tuzilmasining qanotlari quyi elektrodlarga yaqinlashadi. Kondensator bo‘shliqlari o‘xshash tarzda kichraygani uchun C₁₁, C₁₂, C₂₁ va C₂₂da bir xil ishorali sig‘im o‘zgarishlari yuz beradi. Ushbu simmetrik javob normal bosimni o‘lchashning asosidir.

Kesish kuchida esa bump sirtga parallel yo‘nalishda harakatlanadi va kapalak plastina egilib, bir tomonga buriladi. Masalan, x yo‘nalishidagi kesishda bir tomondagi C₁₂ va C₂₂ bo‘shliqlari kichrayganda, qarama-qarshi tomondagi C₁₁ va C₂₁ bo‘shliqlari kattalashishi mumkin. Shunday qilib, bir kondensator juftining signali oshganda boshqasiniki kamayadi. Differensial o‘qish kesish komponentini normal bosimdan ajratishni osonlashtiradi.

Bu mexanizm ayrim elastomer asosli sensorlarda uchraydigan istalmagan katta gorizontal siljishni kamaytirish jihatidan muhimdir. MEMS ko‘prik geometriyasi tekislik ichidagi harakat bilan tekislikdan tashqaridagi egilishni mexanik ravishda boshqarish imkonini beradi.

90 nanometrlik bo‘shliq nega muhim?

Sig‘imli sensorlarda elektrodlar orasidagi masofa kamaygani sari kichik mexanik harakatlarning sig‘imga ta’siri kattalashishi mumkin. Tadqiqotda havo bo‘shlig‘i atigi 90 nm qilib loyihalangan. Bu qiymat tadqiqotchilarning yuqori sezgirlik maqsadining muhim tarkibiy qismlaridan biridir.

Biroq bunday yupqa bo‘shliq ishlab chiqarishdan kelib chiqadigan qoldiq kuchlanishlarga ham juda sezgir. Haqiqiy qurilma dastlab ideal tekis emas: Si₃N₄ va metall qatlamlardagi cho‘zilish/siqilish qoldiq kuchlanishlari kapalak plastinaning to‘rtta qanotini yuqoriga egadi va markaziy hududni pastga siljitib, taglikka qisman tegishiga olib keladi. Shu sababli faqat ideal tekis plastina nazariyasi bilan sensor xatti-harakatini to‘g‘ri bashorat qilish mumkin emas.

FPD ishlab chiqarish bilan moslik qanday ta’minlandi?

Ishlab chiqarish imecning Leuvendagi toza xona infratuzilmasida, ishlab chiqish maqsadida 500 µm qalinlikdagi standart 150 mm shisha tashuvchi ustida amalga oshirilgan. Egiluvchan poliimid avval vaqtinchalik shisha tashuvchiga qoplangan va 450 °C da qotirilgan. Keyin FPD ishlab chiqarishda qo‘llanishi mumkin bo‘lgan sirt mikroishlov berish usullari bilan MEMS qatlamlari yaratilgan.

2-shaklda ishlab chiqarish zanjiri bosqichma-bosqich ko‘rsatilgan. Jarayonda asosan quyidagi amallar mavjud:

1. Shisha tashuvchi ustida PI egiluvchan taglikni tayyorlash.
2. TFT elektronikasiga mos metall yo‘naltirish qatlamlarini yaratish.
3. PECVD orqali Si₃N₄ dielektrik qatlamini yotqizish.
4. Ti/Pt quyi elektrodlarini yaratish.
5. Xrom qurbon qatlamini yotqizish.
6. Yuqori dielektrik va Ti/Pt yuqori elektrodini yaratish.
7. Konstruktiv Si₃N₄ qatlamini PECVD orqali yotqizish.
8. DFR markaziy bump tuzilmasini laminatsiya qilish va naqshlash.
9. Qurbon qatlamga kirish kanallarini DRIE yordamida ochish.
10. Xrom qurbon qatlamini ho‘l etch orqali olib tashlash.
11. Kapillyar yopishishni oldini olish uchun CO₂ kritik nuqtada quritish.
12. SINR himoya elastomerini laminatsiya va fotonaqshlash.
13. Lazer lift-off orqali egiluvchan tuzilmani shisha tashuvchidan ajratish.

SINR laminatsiyasi 100 kPa bosim va 80 °C haroratda bajarilgan, fotonaqshlashdan so‘ng 110 °C da post-exposure bake qo‘llangan. Xrom qurbon qatlamini olib tashlash uchun tuzilma taxminan to‘rt soat etchant ichida ushlab turilgan.

Haqiqiy sensor yamoqchalari ishlab chiqarildimi?

Ha. 3-shaklda 150 mm shisha tashuvchi ustida tayyorlangan turli sensor yamoqchalari va turli piksel geometriyalari ko‘rsatilgan. Tadqiqotchilar 2,7 × 2,7 cm² va 2 × 1 cm² kabi turli yamoq o‘lchamlarini ishlab chiqargan. Shuningdek, 300 × 300 µm², 150 × 150 µm² va 90 × 90 µm² darajadagi turli MEMS geometriyalarini ishlab chiqarish mumkinligi ko‘rsatilgan.

4-shaklda shisha tashuvchidan ajratilgan to‘liq egiluvchan yamoqchalar ko‘rinadi. 2,7 × 2,7 cm² tuzilma to‘rtta 68 pinli egiluvchan ulanish bilan, 2 × 1 cm² tuzilma esa bitta egiluvchan ulanish orqali tashqi elektronika bilan bog‘langan. Bu natija sensorlar nafaqat bitta laboratoriya MEMS sifatida, balki ko‘p sonli piksellarni o‘z ichiga olgan egiluvchan yamoqchalar ko‘rinishida ham ishlab chiqarilishi mumkinligini ko‘rsatadi.

Biroq “FPD ishlab chiqarish bilan mos” degan ibora bilan “tijoriy FPD panel liniyasida to‘liq maydonli ommaviy ishlab chiqarish amalga oshirilgan” degan ibora bir xil emas. Tadqiqotning fizik demonstratsiyasi 150 mm tashuvchi ustida amalga oshirilgan; kattaroq FPD panel masshtabiga o‘tish ushbu ishda ishlab chiqarish kampaniyasi bilan ko‘rsatilmagan.

3B chekli element modeli nega zarur edi?

Haqiqiy MEMS dastlab qoldiq kuchlanishlar sabab deformatsiyalangan va ayrim joylari taglik bilan kontaktda bo‘lgani uchun tadqiqotchilar COMSOL Multiphysics 5.6 da to‘liq uch o‘lchovli chekli element modelini yaratgan. Model qatlamlarning elastik xususiyatlarini, ishlab chiqarishdan kelib chiqqan boshlang‘ich kuchlanishlarni, SINRning deyarli siqilmaydigan xatti-harakatini va MEMS-taglik kontaktini birgalikda hisobga oladi.

Chekli element tarmog‘i ikkinchi tartibli 18 tugunli wedge elementlardan tashkil topgan. Jami 21.336 element va taxminan 185.556 erkinlik darajasi ishlatilgan. Kontakt muammosi penalty usuli bilan yechilgan.

Osma plastinaning pastki sirti bilan egiluvchan taglik orasidagi kontakt sharti manbada quyidagi munosabat bilan ifodalangan:

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

Bu yerda \(w_{\mathrm{but}}\) kapalak tuzilmaning, \(w_{\mathrm{sub}}\) egiluvchan taglikning vertikal siljishini va \(g_{\mathrm{cavity}}\) boshlang‘ich bo‘shliqni bildiradi.

Sig‘im qanday hisoblanadi?

Elektrodlar orasidagi o‘zgaruvchan havo oralig‘ining sig‘imga hissasi quyidagicha hisoblanadi:

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

Yuqori elektrod bilan havo bo‘shlig‘ini ajratadigan Si₃N₄ qatlamining sig‘imi esa:

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

ko‘rinishida berilgan. Ikki hissa ketma-ket ulangan ekvivalent sig‘im sifatida baholanadi:

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

Seziladigan elektr o‘zgarish:

\[ \Delta C=C-C_0 \]

ifodasi bilan ta’riflanadi. Bu yerdagi \(C_0\) faqat ideal geometriyadan hisoblangan emas, balki ishlab chiqarishdan kelib chiqqan boshlang‘ich deformatsiyani ham o‘z ichiga oluvchi haqiqiy boshlang‘ich sig‘imdir.

Model haqiqiy boshlang‘ich deformatsiyani to‘g‘ri bashorat qildimi?

6-shaklda optik mikroskop, raqamli golografik profilometriya va FEM natijalari taqqoslangan. Tajribada kapalak qanotlari burchaklaridagi o‘rtacha maksimal yuqoriga siljish taxminan 807 nm o‘lchangan. Model xuddi shu hududda 793 nm maksimal siljishni hisoblagan.

Ushbu yaqinlik ishlab chiqarishdan kelib chiqadigan qoldiq kuchlanishlarni modelga qo‘shish zarurligini tasdiqlovchi muhim natijalardan biridir. Keyin 10–90 µN oralig‘ida nuqtaviy vertikal yuk qo‘llanib, tajribaviy kuch–siljish egri chizig‘i model natijasi bilan taqqoslangan va tadqiqotchilar ikki egri chiziq o‘rtasida kuchli moslik kuzatgan.

Elektr boshlang‘ich sig‘imi model bilan mos keldimi?

Elektrostatik tavsiflashda yuqori elektrodga 0–8 V oralig‘ida DC kuchlanish berilgan va tashqaridan mexanik yuk bermasdan sig‘im o‘lchangan. O‘lchangan boshlang‘ich sig‘im 0,76 pF, 3B FEM modelining prognozi esa 0,764 pF bo‘lgan.

Kuchlanish oshgani sari elektrostatik tortish kapalak qanotlarini taglikka yaqinlashtirgan va sig‘im oshgan. 35 V gacha o‘tkazilgan to‘yinish sinovida havo bo‘shlig‘i katta darajada yopilishi bilan sig‘im o‘zgarishi taxminan 6 pF darajasida to‘yingan.

Bosim tajribasida qanday natijalar olindi?

Bosim tavsiflashda 25 µm radiusli olmos prob markaziy bump ustiga vertikal kuch qo‘llagan. Ishlatilgan kuchlar 30–141 µN oralig‘ida. Shu bilan bir vaqtda Keysight E4980A LCR metr orqali sig‘im o‘zgarishi o‘lchangan va tajribalar 3B model bilan qayta hisoblangan.

Tajriba va simulyatsiya egri chiziqlari mos kelgach, model qurilmaning butun bosim diapazonini baholash uchun ishlatilgan. Hisoblangan to‘yinish bosimi taxminan 1800 kPa. 0–300 kPa oralig‘i inson teginish sezgisi bilan bog‘liq qo‘llanmalar uchun alohida ko‘rib chiqilgan.

150 kPa atrofida bitta piksel bosim sezgirligi:

1 × 10⁻³ pF/kPa

deb hisoblangan. Boshlang‘ich sig‘imga normallashtirilganda:

0,0013 kPa⁻¹

qiymati olingan.

Tadqiqotchilar bu qiymatni avvalgi sig‘imli egiluvchan uch o‘qli sensorlar bilan taqqoslaydi va o‘z qurilmasi yuqoriroq normallashtirilgan sezgirlikni taklif qilishini ta’kidlaydi. Biroq turli nashrlardagi geometriyalar, ish diapazonlari va sinov sharoitlari bir xil bo‘lmagani uchun bu taqqoslash mutlaq mahsulot reytingi sifatida talqin qilinmasligi kerak.

Bosimda MEMSning fizik harakati qanday bo‘ladi?

175 kPa bosim ostidagi FEM natijasi dastlab taglik bilan qisman kontaktda bo‘lgan markaziy hudud yukni kapalak qanotlariga uzatishini va to‘rtta qanot simmetrik ravishda pastga egilishini ko‘rsatadi. Kondensator bo‘shliqlarining kichrayishi to‘rtta sig‘imning ham ortishiga olib keladi.

1800 kPa dagi to‘yinish sharoitida osma tuzilmaning havo bo‘shlig‘i to‘liq yopiladi. Konstruktiv Si₃N₄ qatlamida hisoblangan maksimal bo‘ylama cho‘zilish kuchlanishi taxminan 0,25 GPa. Maqola ushbu qiymatni adabiyotda bildirilgan taxminan 6 GPa CVD Si₃N₄ plyonka mustahkamligidan ancha past deb baholaydi.

Kesish kuchi qanday sinovdan o‘tkazildi?

Kesish tajribasida markaziy bumpning yon tomoniga gorizontal harakat qo‘llaydigan lateral prob ishlatilgan. Bumpning gorizontal siljishi mikroskop tasvirlaridan aniqlangan, to‘rtta kondensatordagi o‘zgarishlar esa LCR metr bilan o‘lchangan.

x yo‘nalishida harakat qo‘llanganda C₁₂ va C₂₂ tomonidagi qanotlar pastga harakat qilib sig‘imni oshirgan, C₁₁ va C₂₁ tomoni esa yuqoriga harakat qilib sig‘imni kamaytirgan. Shu tariqa kesish yo‘nalishi qarama-qarshi ishorali elektr signallari orqali aniqlanishi mumkin.

Tajribaviy natijalar 3B FEM modeli bilan yaxshi moslik ko‘rsatgan. Model keyin taxminan 1400 kPa gacha bo‘lgan kesish yuki uchun ishlatilgan.

Taxminan 40 kPa kesish sharoitida normallashtirilgan kesish sezgirligi 2,6 × 10⁻³ kPa⁻¹ deb hisoblangan.

Soddalashtirilgan analitik model nega yetarli bo‘lmadi?

Tadqiqotchilar kesish xatti-harakati uchun soddalashtirilgan analitik ifodalarni ham keltirib chiqargan. Biroq ushbu model kapalak plastina boshlang‘ich holatda butunlay tekis va taglik bilan kontaktsiz deb faraz qiladi. Aslida ishlab chiqarishdan kelib chiqadigan kuchlanishlar sabab boshlang‘ich kontakt mavjudligi harakatni cheklaydi.

9g-shaklda analitik model sig‘im o‘zgarishini sezilarli darajada ortiqcha baholashi ko‘rsatilgan. Taxminan 40 nm gorizontal siljishdan yuqorida analitik yondashuv fizik jihatdan ham yaroqsiz bo‘lib qoladi. Bu natija tadqiqotning eng muhim modellashtirish saboqlaridan biridir: nanometr masshtabidagi bo‘shliqlarda haqiqiy ishlab chiqarish deformatsiyasi va kontakt muammosi e’tibordan chetda qolsa, oddiy analitik formulalar chalg‘itishi mumkin.

Taxminan 110 million siklli sinov nimani ko‘rsatdi?

Barqarorlik sinovida MEMS tuzilmalari rezonans chastotasida taxminan 4 nm tebranish amplitudasi bilan taxminan 110 million sikl ishlatilgan. Tadqiqotchilar sinovdan keyin rezonans chastotasida o‘zgarish kuzatmagan; xuddi shuningdek amplituda/kuchlanish javobida o‘lchanadigan yomonlashuvni ham qayd etmagan.

Mualliflar 4 nm amplituda taxminan 175 kPa bosimga, ya’ni o‘zlarining taktil tasnifida “firm grip” sharoitiga mos kelishini; 110 million sikl esa soniyasiga bir marta ushlaydigan robot uchun taxminan bir yillik foydalanish miqyosiga tengligini bildiradi.

Bu natija kuchli charchash/kuchlanish relaksatsiyasi ko‘rsatkichidir, ammo haqiqiy robotik muhitda bir yillik dala sinovi emas. O‘zgaruvchan harorat, namlik, uzluksiz egilish, zarba, ifloslanish va turli yuk kombinatsiyalari bir xil tajribada sinovdan o‘tkazilmagan.

Massiv holida ishlashi mumkinmi?

Tadqiqotda nafaqat bitta MEMS pikseli, balki 9 × 9 pikseldan iborat massivlar ham elektr jihatdan tavsiflangan. Piksel sig‘imlarini parallel ulash orqali umumiy sig‘im piksel soni bilan taxminan masshtablanishi kuzatilgan. Tadqiqotchilar buni pikseldan pikselga javob izchilligining dastlabki dalili sifatida baholaydi.

Qo‘shni piksellar orasidagi o‘zaro ta’sirni baholash uchun crosstalk sinovlari o‘tkazilgan. Elektrostatik qo‘zg‘atishda elektr va mexanik ta’sirlarni birgalikda o‘z ichiga oluvchi o‘rtacha crosstalk qiymatlari 5 fFdan oshmagan. Bir pikselga mexanik bosim yoki kesish qo‘llanib, qo‘shni piksel yuksiz qoldirilganda mexanik crosstalk sababli o‘rtacha sig‘im o‘zgarishlari esa 3 fFdan past bo‘lgan.

Bu natija sensor kontakt qaysi hududda sodir bo‘layotganini fazoviy ajratish salohiyatini qo‘llab-quvvatlaydi. Biroq tadqiqotchilar massiv tavsifi hali dastlabki bosqichda ekanini alohida ta’kidlaydi.

1 cm² sensor uchun prognoz qilingan ishlash

Piksel oralig‘i va mavjud ishlab chiqarish geometriyasi hisobga olinganda tadqiqotchilar 1 cm² ichiga 29 × 29, ya’ni 841 piksel joylashtirish mumkinligini hisoblagan. Parallel elektr ulanish bilan har bir mustaqil kondensator kanali uchun boshlang‘ich sig‘im taxminan 640 pF bo‘lishi prognoz qilingan.

Barmoq bilan bajarilgan qo‘llash tajribasi nimani ko‘rsatadi?

12-shaklda sensor massiviga haqiqiy taktil kontakt qo‘llanib, vaqtga bog‘liq sig‘im o‘zgarishlari qayd etilgan. Ushbu signallar keyinchalik normal bosim va x yo‘nalishidagi kesish kuchlanishiga aylantirilgan. Shu tariqa tizim haqiqiy teginish paytida ikki xil mexanik komponentni vaqt qatori sifatida ajrata olishi dastlabki darajada ko‘rsatilgan.

Biroq bu tajriba to‘liq masshtabli 29 × 29 massivning kalibrlangan taqsimlangan yuk tasdig‘i emas. Maqola yanada keng qamrovli massiv o‘lchovlari kelajakda o‘tkazilishini aniq bildiradi.

Tadqiqotning kuchli jihatlari

• Egiluvchan folga ustida haqiqiy MEMS sensor ishlab chiqarilgan.
• Bosim va kesishni mustaqil/differensial aniqlash imkonini beradigan to‘rtta kondensatorli simmetrik tuzilma ishlab chiqilgan.
• 90 nm yupqa kondensator bo‘shlig‘i yuqori sezgirlik maqsadini qo‘llab-quvvatlaydi.
• Ishlab chiqarishdan kelib chiqadigan qoldiq kuchlanishlar va MEMS-taglik kontaktini o‘z ichiga oluvchi 3B FEM modeli tajribalar bilan tasdiqlangan.
• Mexanik, elektrostatik, bosim va kesish tavsiflari bir-birini to‘ldiradi.
• Turli piksel va yamoq o‘lchamlarini ishlab chiqarish mumkinligi ko‘rsatilgan.
• Taxminan 110 million siklli dinamik barqarorlik sinovi o‘tkazilgan.
• 9 × 9 massiv va qo‘shni-piksel crosstalk tajribalari bajarilgan.

Tadqiqotning cheklovlari

• Katta maydonli FPD ishlab chiqarish bilan moslik ko‘rsatilgan bo‘lsa-da, to‘liq o‘lchamdagi tijoriy FPD panel liniyasida ommaviy ishlab chiqarish demonstratsiyasi o‘tkazilmagan.
• 29 × 29, 1 cm² massiv uchun berilgan sezgirliklar to‘liq masshtabli mexanik massiv o‘lchovi emas, balki model va dastlabki tavsifga asoslangan prognozlardir.
• Haqiqiy foydalanishda harorat, namlik, zarba va uzluksiz makroskopik egilishning birgalikdagi ta’siri keng qamrovda sinovdan o‘tkazilmagan.
• Uzoq muddatli sinov rezonans sikllariga asoslangan; yillar davom etadigan haqiqiy robotik dala foydalanishining bevosita ekvivalenti emas.
• Barmoq bilan teginish tajribasi qo‘llash salohiyatini ko‘rsatadi, ammo klinik yoki foydalanuvchi tadqiqoti emas.
• Texnologiyaning integratsiyalangan TFT o‘qish elektronikasi bilan to‘liq tizim darajasidagi mahsulot demonstratsiyasi ushbu tadqiqotning asosiy doirasiga kirmaydi.

Ushbu tadqiqot nimani ko‘rsatadi, nimani ko‘rsatmaydi?

Tadqiqot egiluvchan poliimid ustida FPD ishlab chiqarish usullari bilan mos sig‘imli MEMS uch o‘qli sensor ishlab chiqarish mumkinligini, bitta piksel bosim va kesishga sezgirligini, tajribaviy xatti-harakat ishlab chiqarishdan kelib chiqqan qoldiq kuchlanishlarni hisobga oluvchi 3B model bilan tushuntirilishini va ko‘p pikselli massivlarga masshtablash salohiyati mavjudligini ko‘rsatadi.

Bunga qarshi ravishda tadqiqot sensor allaqachon tijoriy robotlar, protezlar yoki iste’molchi displeylarida ommaviy ishlab chiqarishga o‘tganini ko‘rsatmaydi. Xuddi shuningdek, 1 cm² lik 29 × 29 tuzilma uchun hisoblangan sezgirliklar yakuniy mahsulot sertifikatsiyasi yoki katta maydonli ishlab chiqarish samaradorligini anglatmaydi.

Tadqiqot Usuli va Natijalari

Tajribaviy qurilma

Sensorlar imec toza xona infratuzilmasida, 150 mm shisha tashuvchi ustida poliimid egiluvchan folga ishlatib ishlab chiqarilgan. Asosiy MEMS tuzilma Si₃N₄, elektrodlar Ti/Pt, markaziy kuch uzatish elementi DFR va tashqi himoya qatlami SINR asosida.

Asosiy pikselning tomon uzunligi 300 µm va kondensator bo‘shlig‘i 90 nm. To‘rtta mustaqil quyi elektrod bitta yuqori elektrod bilan C₁₁, C₁₂, C₂₁ va C₂₂ kondensatorlarini hosil qiladi.

Ishlab chiqarish

Ishlab chiqarish PI qoplash/qotirish, metall yo‘naltirish, PECVD Si₃N₄, Ti/Pt elektrod ishlab chiqarish, Cr qurbon qatlam, ikkinchi Si₃N₄ qatlamlari, DFR bump, DRIE, xromni ho‘l etch qilish, kritik nuqtada quritish, SINR laminatsiya/naqshlash va lazer lift-off bosqichlaridan iborat.

3B FEM

COMSOL Multiphysics 5.6 modeli ishlab chiqarishdan kelib chiqadigan cho‘zilish va siqilish qoldiq kuchlanishlarini, elastik qatlamlarni, deyarli siqilmaydigan SINR qoplamani va osma MEMS bilan taglik orasidagi kontakt muammosini birgalikda yechadi.

Mexanik tasdiqlash

Raqamli golografik profilometr bilan o‘lchangan maksimal o‘rtacha qanot-burchak ko‘tarilishi 807 nm, FEM natijasi 793 nm bo‘lgan. Keyin 10–90 µN nuqtaviy yuk tajribasida sonli va tajribaviy kuch–siljish xatti-harakati yaqin moslik ko‘rsatgan.

Elektrostatik tasdiqlash

0–8 V statik kuchlanish skanida boshlang‘ich sig‘im tajribada 0,76 pF, modelda 0,764 pF topilgan. 35 V gacha bajarilgan elektrostatik yopilish sinovida taxminan 6 pF to‘yinish sig‘im o‘zgarishi kuzatilgan.

Bosim tavsifi

25 µm radiusli olmos prob bilan 30–141 µN vertikal kuch qo‘llangan. O‘lchangan sig‘im o‘zgarishlari model bilan taqqoslangan; keyin tasdiqlangan model 1800 kPa bo‘shliq yopilish darajasigacha kengaytirilgan.

Kesish tavsifi

Lateral prob bilan markaziy bump gorizontal yo‘nalishda siljitilgan, siljish mikroskop tasvirlaridan va sig‘imlar LCR metr orqali qayd etilgan. C₁₂/C₂₂ va C₁₁/C₂₁ juftlarining qarama-qarshi ishorali o‘zgarishi differensial kesish sezishini hosil qilgan.

Barqarorlik

Polytec MSA-500 vibrometridan foydalanib rezonans chastotasida 4 nm tebranish amplitudasi bilan taxminan 110 million sikl qo‘llangan; rezonans chastotasi va amplituda/kuchlanish javobida sezilarli o‘zgarish kuzatilmagan.

Massiv va crosstalk natijalari

9 × 9 parallel piksel massivlarida umumiy sig‘im piksel soni bilan taxminan masshtablanishi kuzatilgan. Elektrostatik qo‘zg‘atish ostidagi birlashgan elektr/mexanik crosstalk o‘rtachalari 5 fFdan past, bevosita mexanik yuk ostida yuksiz qo‘shni pikselda o‘lchangan crosstalk esa 3 fFdan past bo‘lgan.

1 cm² maydon uchun hisoblangan 29 × 29 parallel piksel arxitekturasida:

• Boshlang‘ich sig‘im: taxminan 640 pF
• Bosim sezgirligi: 0,841 pF/kPa
• Kesish sezgirligi C₁₂/C₂₂, soft grip: 1,682 pF/kPa
• Kesish sezgirligi C₁₂/C₂₂, good grip: 3,364 pF/kPa
• Qarama-qarshi kondensator juftining sezgirligi: −1,177 pF/kPa
• Soft-grip sharoitida birlashgan differensial kesish sezgirligi: 2,859 pF/kPa

Ushbu qiymatlar tajribada yakunlangan 29 × 29 mexanik yuk kampaniyasining natijalari emas. Manbada tushuntirilganidek, tasdiqlangan piksel modeli va dastlabki massiv tavsifidan qilingan masshtablash prognozlaridir.

Qo‘llashni tasdiqlash

Haqiqiy teginish vaqtida sensor massivining sig‘im o‘zgarishlari qayd etilib, ushbu signallardan vaqtga bog‘liq bosim va kesish kuchlanishlari chiqarilgan. Sinov texnologiyaning taktil kuchni sezish uchun ishlashiga oid boshlang‘ich darajadagi amaliy dalildir; keng qamrovli robotik, protez yoki klinik tasdiqlash emas.

Manba va Usul Haqida Izoh

To‘liq asl ish nomi: Fully flexible large-area MEMS-based triaxial force sensor compatible with flat panel display manufacturing

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

Teng hissa/teng birinchi muallif: Manbada teng hissa yoki teng birinchi muallif haqida bayonot yo‘q.

Mas’ul muallif: Gianluca Massimino.

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

Jurnal: Microsystems & Nanoengineering.

Jild / maqola raqami: Volume 12, Article 248.

DOI:10.1038/s41378-026-01256-7

Nashr platformasi / nashriyot: Nature Portfolio / Springer Nature.

Manba turi va taqriz holati: Taqrizdan o‘tgan tadqiqot maqolasi.

Nashr jarayoni: 26 Fevral 2025 da qabul qilingan, 1 Dekabr 2025 da qayta ko‘rib chiqilgan, 8 Mart 2026 da qabul qilingan va 25 Iyun 2026 da chop etilgan.

Rasmiy nashr havolasi:Nature / Microsystems & Nanoengineering maqola qaydi

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

Mualliflik huquqi/vizual izoh: Litsenziya o‘zgartirilgan yoki moslashtirilgan manba materialini tarqatishga ruxsat bermaydi. Shu sabab Verianla bayonida maqolaning asl figuralarining qayta chizilgan hosilalari ishlatilmagan; manba natijalari matn va mustaqil ma’lumot jadvallari bilan tushuntirilgan.

Moliyalashtirish: Manba matnida alohida moliyalashtirish bayonoti yo‘q.

Ma’lumotlar mavjudligi: Ko‘rib chiqilgan manbada alohida Data Availability Statement aniqlanmagan.

Manfaatlar to‘qnashuvi: Mualliflar manfaatlar to‘qnashuvi yo‘qligini bildirgan.

Muallif hissalari: Gianluca Massimino qurilmani konseptual ishlab chiqqan; Gianluca Massimino va Alexey Podkovskiy jarayon oqimini ishlab chiqqan. Gianluca Massimino usul, modellashtirish, simulyatsiya, dizayn, ishlab chiqarish va vizualizatsiyani bajargan. Gianluca Massimino va Samer Houri tajribalar va tadqiqotlarni olib borgan, dastlabki qo‘lyozmani yozgan, ko‘rib chiqish va tahrirlashga hissa qo‘shgan. Veronique Rochus va Jan Genoe ishni nazorat qilgan, simulyatsiya, dizayn, ishlab chiqarish va tavsiflash uchun resurs va uskunalar taqdim etgan.

Asosiy uslubiy chegara: Bitta-piksel bosim va kesish xatti-harakatlari tajribada o‘lchangan va 3B FEM modeli bilan tasdiqlangan. Bunga qarshi ravishda 1 cm², 29 × 29 piksel uchun berilgan sezgirliklar manbada “prediction” deb ta’riflanadi va kengroq taqsimlangan mexanik massiv o‘lchovlari kelajakdagi ishlarga qoldirilgan.

FPD masshtab chegarasi: Ishlab chiqarish oqimi katta maydonli FPD jarayonlari bilan mos bo‘lishi uchun loyihalangan; tadqiqot doirasida haqiqiy sensor ishlab chiqarish 150 mm shisha tashuvchi ustida amalga oshirilgan. Shu sabab natijalar bevosita Gen-11 o‘lchamidagi tijoriy panel ommaviy ishlab chiqarish demonstratsiyasi sifatida talqin qilinmasligi kerak.

Manba ichidagi o‘lcham izohi: Piksel tomoni 300 µm deb berilgan. Kuchga normallashtirilgan sezgirlik hisobidagi maydon ifodasining matn ko‘rinishi noaniq bo‘lsa-da, bildirilgan 14,44 N⁻¹ natijasi (300 µm)² sirt maydoni bilan matematik jihatdan mos. Asl sonli natija o‘zgartirilmagan.

Ilmiy mazmun izohi: Ushbu tushuntirish faqat manba tadqiqotining tajribalari, modellari, tenglamalari, shakllari va natijalariga asoslangan. Robotika, protez yoki elektron teri ilovalariga oid salohiyat tadqiqotchilar muhokama qilgan qo‘llanish sohalari doirasida bayon qilingan; manba ko‘rsatmagan tijoriy yoki klinik muvaffaqiyat da’vosi qo‘shilmagan.