eng
Выпуск #2/2024
А.А.Терентьев, А.В.Смирнов
ИССЛЕДОВАНИЯ ВОЗМОЖНОСТИ СОЗДАНИЯ ПЕРЕМЕННЫХ ЕМКОСТЕЙ НА ГИБКОЙ ОСНОВЕ ДЛЯ СИСТЕМ ДИСТАНЦИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ
ИССЛЕДОВАНИЯ ВОЗМОЖНОСТИ СОЗДАНИЯ ПЕРЕМЕННЫХ ЕМКОСТЕЙ НА ГИБКОЙ ОСНОВЕ ДЛЯ СИСТЕМ ДИСТАНЦИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ
Просмотры: 537
Аннотация. Отработана технология напыления кремния, удалось получить прочную поликристаллическую пленку кремния, обладающую хорошей адгезией на подложке ПЭТ толщиной 150…200 нм. С помощью данной технологии был изготовлен опытный образец гибкой переменной емкости. Исследование изменения емкости от изменения воздействующего на него давления имеет линейный вид, что позволяет открывает возможность использования данной технологии для изготовления датчика давления.
Получено: 16.10.2023 г. | Принято: 25.10.2023 г. | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.2.106.112
Научная статья
ИССЛЕДОВАНИЯ ВОЗМОЖНОСТИ СОЗДАНИЯ ПЕРЕМЕННЫХ ЕМКОСТЕЙ НА ГИБКОЙ ОСНОВЕ ДЛЯ СИСТЕМ ДИСТАНЦИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ
А.А.Терентьев1, рук. лаб., ORCID: 0000-0001-8571-2020
А.В.Смирнов1, инж., ORCID: 0000-0003-2424-8142 / fizteh21@yandex.ru
Аннотация. Отработана технология напыления кремния, удалось получить прочную поликристаллическую пленку кремния, обладающую хорошей адгезией на подложке ПЭТ толщиной 150…200 нм. С помощью данной технологии был изготовлен опытный образец гибкой переменной емкости. Исследование изменения емкости от изменения воздействующего на него давления имеет линейный вид, что позволяет открывает возможность использования данной технологии для изготовления датчика давления.
Ключевые слова: тонкопленочные системы, переменная емкость, кремний, давление, растровая микроскопия
Для цитирования: А.А. Терентьев, А.В. Смирнов. Исследования возможности создания переменных емкостей на гибкой основе для систем дистанционного измерения давления. НАНОИНДУСТРИЯ. 2024. Т. 17. № 2. С. 106–112. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.2.106.112
Received: 16.10.2023 | Accepted: 25.10.2023 | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.2.106.112
Original paper
STUDY OF POSSIBILITY OF FLEXIBLE VARIABLE VESSELS FOR REMOTE PRESSURE MEASUREMENT SYSTEMS
A.A.Terentyev1, Head of laboratory, ORCID: 0000-0001-8571-2020
A.V.Smirnov1, Engineer, ORCID: 0000-0003-2424-8142 / fizteh21@yandex.ru
Abstract. The technology of silicon deposition has been developed, and it has been possible to obtain a durable polycrystalline silicon film with good adhesion on a PET substrate with a thickness of 150...200 nm. Using this technology, a prototype of a flexible variable capacitance was prepared. The study of capacitance changes due to changes in pressure acting on it has a linear form, which makes it possible to use this technology for the manufacture of a pressure sensor.
Keywords: thin film systems, variable capacitance, silicon, pressure, scanning microscopy
For citation: A.A. Terentyev, A.V. Smirnov. Study of possibility of flexible variable vessels for remote pressure measurement systems. NANOINDUSTRY. 2024. Vol. 17. No. 2. PP. 106–112. https://doi.org/
10.22184/1993-8578.2024.17.2.106.112
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время наблюдается широкое и интенсивное применение средств автоматизации как в бытовых, так и промышленных сферах. В связи с этим весьма актуальной становится задача разработки различных датчиков, или, как часто принято называть, сенсоров в системах измерения и автоматизации. Применение в электронике гибких электрических схем – технология сборки электронных схем путем установки ее элементов на гибкую пластиковую подкладку, сделанную из полиимидов, полиэфирэфиркетона (ПЭЭК) или прозрачной проводящей полиэфирной пленки – позволяет значительно расширить возможность применения электроники и автоматизации на базе гибких электронных элементов в различных сферах. Например, нашли широкое применение RFID-технологии – на гибкую пластиковую подкладку наносятся токоведущие элементы: контур индуктивности, микрочип или другие электронные элементы. Эта технология, больше известная как РЧ-метки, используется, например, для создания антикражных систем – когда гибкая метка наклеивается на товар в супермаркетах, а также в различных системах идентификации, таких как пропуска, банковские карты и пр. Есть примеры разработки и применения подобной технологии, например для оперативной дистанционной диагностики и контроля самочувствия пациента. Для этого специально изготовленная метка с сенсорами наклеивается на определенные участки тела человека, а считывающее устройство, которое находится неподалеку (например, в кармане одежды пациента или в носимой собой сумочке), оперативно отслеживает состояние пациента и оперативно информирует его в случае отклонения от нормальных показателей.
На рис.1 представлены некоторые типичные образцы различных электронных схем, изготовленных на гибком, полимерном основании [1].
Нашей группой разрабатывается система дистанционного контроля давления воздуха в автомобильных шинах, позволяющих контролировать давление в шинах как во время движения в реальном масштабе времени, так и на стоянке. На данный момент на рынке предлагается только одна система дистанционного контроля давления с прямым измерением текущего давления в колесах, это TPMS (tire pressure monitoring system). Однако данная система имеет довольно сложную электронную начинку самого датчика, измеряющего давления в колесе и передающего данные по радиоканалу на центральный блок, который осуществляет обработку данных и отображение значений на дисплее. В этой системе ключевым элементом является сам датчик с довольно сложной электронной начинкой, к тому же требующий электрического питания, которое осуществляется от гальванических элементов или миниатюрной аккумуляторной батареи. При всех удобствах самой системы, наличие дорогих датчиков, к тому же требующих периодической смены элементов питания, заставляет разработчиков искать альтернативные решения, в которых датчики были бы дешевыми, без использования элементов питания.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Главное отличие в том, что в качестве датчика давления в нашей разработке используется пассивный колебательный контур, резонансная частота которого зависит от давления, оказываемого на обкладки емкости колебательного контура. Емкость в этом случае представляет собой переменный конденсатор с напыленным с обеих сторон упруго-пластичного материала электропроводным материалом (медь, серебро и пр.). В этом случае сам датчик становится очень простым и дешевым (содержащим напыленные индуктивность и переменную емкость), он будет представлять собой гибкую конструкцию (например, на пленочной основе или иной гибкой основе), похожую на стикер, который можно будет просто наклеить внутрь шины. При этом такой датчик, являясь пассивным колебательным контуром, не требует каких-либо элементов питания.
Во время работы такой системы, на датчик направляется короткий пакет модулированного электромагнитного излучения, частота которого меняется в определенном диапазоне. При совпадении частоты электромагнитного излучения с резонансной частотой пассивного колебательного контура датчика, он переизлучает сигнал, который воспринимается антенной излучателя и по частоте этого сигнала определяется величина давления, при котором отклик датчика максимальный. Максимальный отклик возникает при совпадении частоты излучателя с резонансной частотой колебательного контура датчика. Проведено моделирование деформации пленочных материалов в среде COMSOL [2], исследование параметров пленок на растровом микроскопе Fei Phenom, проведено измерение зависимости давления от емкости на макетном образце.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Главное отличие состоит в том, что в качестве датчика давления в нашей разработке используется пассивный колебательный контур, резонансная частота которого зависит от давления, оказываемого на обкладки емкости колебательного контура. Емкость в этом случае представляет собой переменный конденсатор с напыленным с обеих сторон упруго-пластичного материала электропроводным материалом (медь, серебро и пр.). В этом случае сам датчик становится очень простым и дешевым (содержащим напыленные индуктивность и переменную емкость), представляет собой гибкую конструкцию (например, на пленочной основе или иной гибкой основе), похожую на стикер, который можно будет наклеивать внутрь шины. При этом такой датчик, являясь пассивным колебательным контуром, не требует каких-либо элементов питания.
Во время работы такой системы на датчик направляется короткий пакет модулированного электромагнитного излучения, частота которого меняется в определенном диапазоне. При совпадении частоты электромагнитного излучения с резонансной частотой пассивного колебательного контура датчика, он переизлучает сигнал, который воспринимается антенной излучателя и по частоте этого сигнала определяется величина давления, при котором отклик датчика максимальный. Максимальный отклик возникает при совпадении частоты излучателя с резонансной частотой колебательного контура датчика. При разработке данной системы контроля давления важной задачей становится создание переменной емкости, которая должна быть гибкой. Все имеющиеся в настоящее время технологии изготовления гибких электронных конструкций (RFID-технологии) не предполагают использование гибких переменных емкостей, да и задач, где это было бы необходимо, тоже нет. При разработке гибкой переменной емкости, величина которой зависела бы от давления воздуха, было решено использовать параллельно расположенные электропроводящие обкладки, между которыми располагается упруго-пластичный диэлектрик. В этом случае электропроводящие обкладки одновременно играют роль мембраны, на которую воздействует внешнее давление, например воздуха. При этом расстояние между обкладками уменьшается, из-за чего увеличивается емкость конденсатора. При подключении к обкладкам такого конденсатора индуктивности получается колебательный контур с изменяющейся, в зависимости от внешнего давления, резонансной частотой. При выборе упруго-пластичного материала было решено использовать диэлектрик с просверленными отверстиями, в которых находился бы воздух, который, как известно, является изотропным и упругим при оказании давления на определенный его объем. Таким образом, задача свелась к задаче нанесения проводящего слоя на полимерную основу для формирования обкладок переменной емкости, размещения между обкладок диэлектрика с отверстиями для пузырьков воздуха, обеспечения герметизации межобкладочного пространства для предотвращения утечки воздуха из отверстий, в которых он располагается в виде пузырьков.
В качестве основы конденсатора была выбрана пленка лавсана толщиной 23 мкм с односторонней металлизацией (пленка Аl). На неметаллизированную поверхность методом лазерной абляции наносилась наноразмерная кремниевая пленка, которая служит упругим элементом (мембраной) конденсатора.
Лазерная абляция – метод удаления вещества с поверхности лазерным импульсом. При низкой мощности лазера вещество испаряется или сублимируется в виде свободных молекул, атомов и ионов, то есть над облучаемой поверхностью образуется слабая плазма. При плотности мощности лазерного импульса, превышающей порог режима абляции, происходит микровзрыв с образованием кратера на поверхности образца и светящейся плазмы вместе с разлетающимися твердыми и жидкими частицами (аэрозоля), которые оседают на охлаждаемую подложку.
Исследование параметров пленок производилось на растровом электронном микроскопе Fei Phenom (рис.2).
В результате напыления кремния удалось получить прочную поликристаллическую пленку кремния, обладающую хорошей адгезией на подложке ПЭТ толщиной 150…200 нм.
На рис.3–4 представлены фотографии образца с кремниевой пленкой, однако при разрезании образца слой кремния в месте разреза разрушается, что необходимо учитывать при изготовлении элементов на основе напыленной кремниевой пленки.
В соответствии с результатами моделирования в среде COMSOL Multyphysics деформации мембраны конденсатора, которая представляет собой многослойную структуру – Al-полиэтилентерефталат-Si – был проведен расчет и подобрана конструкция датчика давления (рис.5) (эскизный вариант), а также изготовлен макетный образец.
В качестве основания макетного образца датчика был взят металлизированный стеклотекстолит толщиной 0,25 мм. Топология датчика была создана на гравировально-фрезерном станке с ЧПУ по технологии создания макетных печатных плат. В качестве диэлектрика была выбрана полиэтилентерефталат толщиной 12 мкм. Верхняя обкладка конденсатора была изготовлена из металлизированного полиэтилентерефталата толщиной 23 мкм. Толщина металлического слоя Аl составила менее 100 нм.
Все клеевые соединения выполнены эпоксидным двухкомпонентным клеем. Для обеспечения герметичности внутреннего объема конденсатора при отверждении клеевых соединений датчик помещался в вакуумную камеру (давление 10–1 Па) с целью удаления из клеевых соединений пузырьков газа.
На рис.6 показан макетный образец датчика давления в сборе, приклеенный на жесткое основание.
Для проведения испытаний на макетном образце был собран специализированный испытательный стенд. Изменение избыточного давления производилось в диапазоне 0…1 атм.
Результаты испытания приведены на рис.7.
Видно, что изменение емкости переменного конденсатора имеет практически линейный вид в зависимости от изменения давления воздуха в камере. Что является вполне удовлетворительным результатом для использования в качестве датчика давления в автомобильных колесах.
БЛАГОДАРНОСТИ
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 23-29-10211 и Чувашской Республики, https://rscf.ru/project/23-29-10211/
ВЫВОДЫ
Отработана технология напыления кремния, удалось получить прочную поликристаллическую пленку кремния, обладающую хорошей адгезией на подложке ПЭТ толщиной 150…200 нм. С помощью данной технологии был изготовлен опытный образец гибкой переменной емкости. Исследование изменения емкости от изменения воздействующего на него давления имеет линейный вид, что позволяет использовать данную технологию для изготовления датчика давления для решения задач дистанционного контроля давления в автомобильных шинах. В этом случае датчик будет похож на гибкий стикер, который можно будет наклеивать на внутреннюю поверхность шины.
ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Sircar A., Kumar H. An introduction to flexible electronics: Manufacturing techniques, types and future. Journal of Physics Conference Series 1913(1):012047. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1913/1/012047
Park K.K., Khuri-Yakub B.T. et al., Fabrication of Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers via Local Oxidation and Direct Wafer Bonding, Journal of Microelectromechanical Systems, 2011. Vol. 20. No. 1. PP. 95–103.
Научная статья
ИССЛЕДОВАНИЯ ВОЗМОЖНОСТИ СОЗДАНИЯ ПЕРЕМЕННЫХ ЕМКОСТЕЙ НА ГИБКОЙ ОСНОВЕ ДЛЯ СИСТЕМ ДИСТАНЦИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ
А.А.Терентьев1, рук. лаб., ORCID: 0000-0001-8571-2020
А.В.Смирнов1, инж., ORCID: 0000-0003-2424-8142 / fizteh21@yandex.ru
Аннотация. Отработана технология напыления кремния, удалось получить прочную поликристаллическую пленку кремния, обладающую хорошей адгезией на подложке ПЭТ толщиной 150…200 нм. С помощью данной технологии был изготовлен опытный образец гибкой переменной емкости. Исследование изменения емкости от изменения воздействующего на него давления имеет линейный вид, что позволяет открывает возможность использования данной технологии для изготовления датчика давления.
Ключевые слова: тонкопленочные системы, переменная емкость, кремний, давление, растровая микроскопия
Для цитирования: А.А. Терентьев, А.В. Смирнов. Исследования возможности создания переменных емкостей на гибкой основе для систем дистанционного измерения давления. НАНОИНДУСТРИЯ. 2024. Т. 17. № 2. С. 106–112. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.2.106.112
Received: 16.10.2023 | Accepted: 25.10.2023 | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.2.106.112
Original paper
STUDY OF POSSIBILITY OF FLEXIBLE VARIABLE VESSELS FOR REMOTE PRESSURE MEASUREMENT SYSTEMS
A.A.Terentyev1, Head of laboratory, ORCID: 0000-0001-8571-2020
A.V.Smirnov1, Engineer, ORCID: 0000-0003-2424-8142 / fizteh21@yandex.ru
Abstract. The technology of silicon deposition has been developed, and it has been possible to obtain a durable polycrystalline silicon film with good adhesion on a PET substrate with a thickness of 150...200 nm. Using this technology, a prototype of a flexible variable capacitance was prepared. The study of capacitance changes due to changes in pressure acting on it has a linear form, which makes it possible to use this technology for the manufacture of a pressure sensor.
Keywords: thin film systems, variable capacitance, silicon, pressure, scanning microscopy
For citation: A.A. Terentyev, A.V. Smirnov. Study of possibility of flexible variable vessels for remote pressure measurement systems. NANOINDUSTRY. 2024. Vol. 17. No. 2. PP. 106–112. https://doi.org/
10.22184/1993-8578.2024.17.2.106.112
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время наблюдается широкое и интенсивное применение средств автоматизации как в бытовых, так и промышленных сферах. В связи с этим весьма актуальной становится задача разработки различных датчиков, или, как часто принято называть, сенсоров в системах измерения и автоматизации. Применение в электронике гибких электрических схем – технология сборки электронных схем путем установки ее элементов на гибкую пластиковую подкладку, сделанную из полиимидов, полиэфирэфиркетона (ПЭЭК) или прозрачной проводящей полиэфирной пленки – позволяет значительно расширить возможность применения электроники и автоматизации на базе гибких электронных элементов в различных сферах. Например, нашли широкое применение RFID-технологии – на гибкую пластиковую подкладку наносятся токоведущие элементы: контур индуктивности, микрочип или другие электронные элементы. Эта технология, больше известная как РЧ-метки, используется, например, для создания антикражных систем – когда гибкая метка наклеивается на товар в супермаркетах, а также в различных системах идентификации, таких как пропуска, банковские карты и пр. Есть примеры разработки и применения подобной технологии, например для оперативной дистанционной диагностики и контроля самочувствия пациента. Для этого специально изготовленная метка с сенсорами наклеивается на определенные участки тела человека, а считывающее устройство, которое находится неподалеку (например, в кармане одежды пациента или в носимой собой сумочке), оперативно отслеживает состояние пациента и оперативно информирует его в случае отклонения от нормальных показателей.
На рис.1 представлены некоторые типичные образцы различных электронных схем, изготовленных на гибком, полимерном основании [1].
Нашей группой разрабатывается система дистанционного контроля давления воздуха в автомобильных шинах, позволяющих контролировать давление в шинах как во время движения в реальном масштабе времени, так и на стоянке. На данный момент на рынке предлагается только одна система дистанционного контроля давления с прямым измерением текущего давления в колесах, это TPMS (tire pressure monitoring system). Однако данная система имеет довольно сложную электронную начинку самого датчика, измеряющего давления в колесе и передающего данные по радиоканалу на центральный блок, который осуществляет обработку данных и отображение значений на дисплее. В этой системе ключевым элементом является сам датчик с довольно сложной электронной начинкой, к тому же требующий электрического питания, которое осуществляется от гальванических элементов или миниатюрной аккумуляторной батареи. При всех удобствах самой системы, наличие дорогих датчиков, к тому же требующих периодической смены элементов питания, заставляет разработчиков искать альтернативные решения, в которых датчики были бы дешевыми, без использования элементов питания.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Главное отличие в том, что в качестве датчика давления в нашей разработке используется пассивный колебательный контур, резонансная частота которого зависит от давления, оказываемого на обкладки емкости колебательного контура. Емкость в этом случае представляет собой переменный конденсатор с напыленным с обеих сторон упруго-пластичного материала электропроводным материалом (медь, серебро и пр.). В этом случае сам датчик становится очень простым и дешевым (содержащим напыленные индуктивность и переменную емкость), он будет представлять собой гибкую конструкцию (например, на пленочной основе или иной гибкой основе), похожую на стикер, который можно будет просто наклеить внутрь шины. При этом такой датчик, являясь пассивным колебательным контуром, не требует каких-либо элементов питания.
Во время работы такой системы, на датчик направляется короткий пакет модулированного электромагнитного излучения, частота которого меняется в определенном диапазоне. При совпадении частоты электромагнитного излучения с резонансной частотой пассивного колебательного контура датчика, он переизлучает сигнал, который воспринимается антенной излучателя и по частоте этого сигнала определяется величина давления, при котором отклик датчика максимальный. Максимальный отклик возникает при совпадении частоты излучателя с резонансной частотой колебательного контура датчика. Проведено моделирование деформации пленочных материалов в среде COMSOL [2], исследование параметров пленок на растровом микроскопе Fei Phenom, проведено измерение зависимости давления от емкости на макетном образце.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Главное отличие состоит в том, что в качестве датчика давления в нашей разработке используется пассивный колебательный контур, резонансная частота которого зависит от давления, оказываемого на обкладки емкости колебательного контура. Емкость в этом случае представляет собой переменный конденсатор с напыленным с обеих сторон упруго-пластичного материала электропроводным материалом (медь, серебро и пр.). В этом случае сам датчик становится очень простым и дешевым (содержащим напыленные индуктивность и переменную емкость), представляет собой гибкую конструкцию (например, на пленочной основе или иной гибкой основе), похожую на стикер, который можно будет наклеивать внутрь шины. При этом такой датчик, являясь пассивным колебательным контуром, не требует каких-либо элементов питания.
Во время работы такой системы на датчик направляется короткий пакет модулированного электромагнитного излучения, частота которого меняется в определенном диапазоне. При совпадении частоты электромагнитного излучения с резонансной частотой пассивного колебательного контура датчика, он переизлучает сигнал, который воспринимается антенной излучателя и по частоте этого сигнала определяется величина давления, при котором отклик датчика максимальный. Максимальный отклик возникает при совпадении частоты излучателя с резонансной частотой колебательного контура датчика. При разработке данной системы контроля давления важной задачей становится создание переменной емкости, которая должна быть гибкой. Все имеющиеся в настоящее время технологии изготовления гибких электронных конструкций (RFID-технологии) не предполагают использование гибких переменных емкостей, да и задач, где это было бы необходимо, тоже нет. При разработке гибкой переменной емкости, величина которой зависела бы от давления воздуха, было решено использовать параллельно расположенные электропроводящие обкладки, между которыми располагается упруго-пластичный диэлектрик. В этом случае электропроводящие обкладки одновременно играют роль мембраны, на которую воздействует внешнее давление, например воздуха. При этом расстояние между обкладками уменьшается, из-за чего увеличивается емкость конденсатора. При подключении к обкладкам такого конденсатора индуктивности получается колебательный контур с изменяющейся, в зависимости от внешнего давления, резонансной частотой. При выборе упруго-пластичного материала было решено использовать диэлектрик с просверленными отверстиями, в которых находился бы воздух, который, как известно, является изотропным и упругим при оказании давления на определенный его объем. Таким образом, задача свелась к задаче нанесения проводящего слоя на полимерную основу для формирования обкладок переменной емкости, размещения между обкладок диэлектрика с отверстиями для пузырьков воздуха, обеспечения герметизации межобкладочного пространства для предотвращения утечки воздуха из отверстий, в которых он располагается в виде пузырьков.
В качестве основы конденсатора была выбрана пленка лавсана толщиной 23 мкм с односторонней металлизацией (пленка Аl). На неметаллизированную поверхность методом лазерной абляции наносилась наноразмерная кремниевая пленка, которая служит упругим элементом (мембраной) конденсатора.
Лазерная абляция – метод удаления вещества с поверхности лазерным импульсом. При низкой мощности лазера вещество испаряется или сублимируется в виде свободных молекул, атомов и ионов, то есть над облучаемой поверхностью образуется слабая плазма. При плотности мощности лазерного импульса, превышающей порог режима абляции, происходит микровзрыв с образованием кратера на поверхности образца и светящейся плазмы вместе с разлетающимися твердыми и жидкими частицами (аэрозоля), которые оседают на охлаждаемую подложку.
Исследование параметров пленок производилось на растровом электронном микроскопе Fei Phenom (рис.2).
В результате напыления кремния удалось получить прочную поликристаллическую пленку кремния, обладающую хорошей адгезией на подложке ПЭТ толщиной 150…200 нм.
На рис.3–4 представлены фотографии образца с кремниевой пленкой, однако при разрезании образца слой кремния в месте разреза разрушается, что необходимо учитывать при изготовлении элементов на основе напыленной кремниевой пленки.
В соответствии с результатами моделирования в среде COMSOL Multyphysics деформации мембраны конденсатора, которая представляет собой многослойную структуру – Al-полиэтилентерефталат-Si – был проведен расчет и подобрана конструкция датчика давления (рис.5) (эскизный вариант), а также изготовлен макетный образец.
В качестве основания макетного образца датчика был взят металлизированный стеклотекстолит толщиной 0,25 мм. Топология датчика была создана на гравировально-фрезерном станке с ЧПУ по технологии создания макетных печатных плат. В качестве диэлектрика была выбрана полиэтилентерефталат толщиной 12 мкм. Верхняя обкладка конденсатора была изготовлена из металлизированного полиэтилентерефталата толщиной 23 мкм. Толщина металлического слоя Аl составила менее 100 нм.
Все клеевые соединения выполнены эпоксидным двухкомпонентным клеем. Для обеспечения герметичности внутреннего объема конденсатора при отверждении клеевых соединений датчик помещался в вакуумную камеру (давление 10–1 Па) с целью удаления из клеевых соединений пузырьков газа.
На рис.6 показан макетный образец датчика давления в сборе, приклеенный на жесткое основание.
Для проведения испытаний на макетном образце был собран специализированный испытательный стенд. Изменение избыточного давления производилось в диапазоне 0…1 атм.
Результаты испытания приведены на рис.7.
Видно, что изменение емкости переменного конденсатора имеет практически линейный вид в зависимости от изменения давления воздуха в камере. Что является вполне удовлетворительным результатом для использования в качестве датчика давления в автомобильных колесах.
БЛАГОДАРНОСТИ
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 23-29-10211 и Чувашской Республики, https://rscf.ru/project/23-29-10211/
ВЫВОДЫ
Отработана технология напыления кремния, удалось получить прочную поликристаллическую пленку кремния, обладающую хорошей адгезией на подложке ПЭТ толщиной 150…200 нм. С помощью данной технологии был изготовлен опытный образец гибкой переменной емкости. Исследование изменения емкости от изменения воздействующего на него давления имеет линейный вид, что позволяет использовать данную технологию для изготовления датчика давления для решения задач дистанционного контроля давления в автомобильных шинах. В этом случае датчик будет похож на гибкий стикер, который можно будет наклеивать на внутреннюю поверхность шины.
ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Sircar A., Kumar H. An introduction to flexible electronics: Manufacturing techniques, types and future. Journal of Physics Conference Series 1913(1):012047. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1913/1/012047
Park K.K., Khuri-Yakub B.T. et al., Fabrication of Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers via Local Oxidation and Direct Wafer Bonding, Journal of Microelectromechanical Systems, 2011. Vol. 20. No. 1. PP. 95–103.
Отзывы читателей
