实时直流偏置的动态法切换时间改善严重欠阻尼边缘化场静电MEMS致动器

摘要

当执行使用传统的一步偏置开关操作的边缘电场静电MEMS驱动器会导致固有的低挤压膜阻尼条件和长期稳定时间坚固的设备设计。实时的切换时间的改善，提供直流动态波形降低了边缘场的建立时间之间的转换时，MEMS致动器向上到向下和向下到向上的状态。

摘要

机械欠静电边缘场的MEMS致动器响应于一个单位阶跃输入偏置电压众所周知的快速切换操作。然而，在权衡了改进的开关性能是一个相对长的稳定时间，以达到每个间隙高度响应于各种应用的电压。瞬时偏压波形用来帮助减少开关次数静电边缘场MEMS致动器具有高的机械品质因数。去除边缘场致动器的底部衬底将创建的低机械阻尼环境必要有效测试的概念。下层基板的除去也有在装置的问候失败由于静摩擦的可靠性性能显着改善。虽然直流偏置动力是提高稳定时间是有用的，所需的压摆率典型的MEMS器件可以放置在充电p咄咄逼人的要求UMPS的完全集成的芯片设计。此外，可能存在挑战整合基板去除步骤到后端-行的商业的CMOS处理步骤。相比常规步骤施力结果制成致动器的实验验证表明了50倍的切换时间的改善。相较于理论计算，实验结果有较好的一致性。

引言

微机电系统（MEMS）利用几个致动机构来实现机械位移。最流行的是热，压电，磁和静电。对于短的切换时间，静电致动是最流行 ​​的技术^1，2。在实际应用中，临界阻尼的机械设计提供初始上升时间和稳定时间之间的最佳折衷。在施加直流偏压和致动膜片向下朝下拉电极，所述沉降时间是不是一个显著问题作为膜将抓拍下来并粘附到介电涂层的致动电极。几个应用都得益于上述静电驱动设计^{3 - 8。}然而，电介质涂覆的下拉电极的存在下，使致动器易于介电充电和静摩擦。

MEMS膜可以利用一条underdamped机械设计，实现了快速的初始上升时间。欠阻尼的机械设计的一个例子是静电边缘场致动（EFFA）的MEMS。这种拓扑结构中表现出了远远低于易受困扰静电基础的设计^9-20典型的失效机理。不存在平行对置电极，因此在平行电场的是为什么这些MEMS被适当地称为"边缘场"致动（ 图1）。为EFFA设计，​​下拉电极被分成两个单独的电极被定位侧向偏移到所述移动膜，完全消除了装置的可动部件和固定部件之间的重叠。然而，从可动膜下方的去除衬底显著降低了挤压膜阻尼部件从而增加了稳定时间。 图2B是所述沉降时间响应于STANDAR一例D的步骤偏置。瞬态，或直流动力施加在实时的偏压可用于提高所述沉降时间^20-26。 图2C和2D....

方案

1 EFFA制作的MEMS固定 - 固定梁（参见图3总结过程）

1. 紫外线光刻和二氧化硅用缓冲的氢氟酸（注意^27）的化学湿法腐蚀。
   1. 使用的氧化，低电阻率硅衬底。
   2. 填用丙酮^28（足以淹没的样品）的玻璃烧杯中，将样品中的丙酮填充的烧杯中，并超声处理5分钟，在水浴中超声发生器。
   3. 不进行干燥，直接将样品从丙酮的烧杯中转移到在水浴超声波仪装有异丙醇²⁹和超声处理5分钟的烧杯中。
   4. 用氮气干燥的样品（不容许的异丙醇以从表面蒸发）。
   5. 干燥（脱水烘焙）的加热板上设定为150℃，10分钟的样品。使样品达到室温，一旦脱水烘烤完毕。
   6. 将样品在一个旋转涂胶机的吸盘。移液管和分配1毫升六甲基二硅氮烷（HMDS），每个直径25 mm的（注意^30）。旋涂在3500 rpm离心30秒。移液管和分配1毫升每25mm直径的（注意^31）正性光刻胶。旋涂的样品在3500 rpm离心30秒。 Softbake光致抗蚀剂90秒，在105 °C下置于烤盘。
   7. 使用掩模对准到样品的UV辐射暴露和350-450纳米的波长。使用391兆焦耳/ ^平方厘米（注意^32）曝光能量。
   8. 充满TMAH的开发商（注意^33）玻璃烧杯中，并用足以淹没....

结果

图4中的设置是用来捕获偏转与微机电桥时代特征。通过使用在其连续测量模式下，激光多普勒振动计，精确的电压和时间的参数，可以发现以产生最小的光束的振动所期望的间隙高度， 图5示出了对应于60伏间隙高度，例如电子束偏转。可以看出，几乎所有的振荡的被除去。不仅是动态波形的一个间隙高度有用的，但对于所有的间隙尽可能的高度。这表现在图6和图7为两个下拉和释放的操作，分别。用于实现在前面的图中的测量值的计算值与实测动态波形示于图8和图9。

ALT ="图1"SRC ="/文件/ ftp_upload / 51251 / 51251fig1highres.jpg"/>
在本研究.......

讨论

低残余应力Au膜的沉积和干燥的释放与XeF的_2个在该装置的制造成功至关重要的组件。时相比，平行板场致动器静电边缘场致动器提供相对低的力。 > 60兆帕典型的MEMS薄膜应力将导致过高的驱动电压，其可以潜在地危及EFFA MEMS的可靠性。由于这个原因，电镀配方仔细特征在于，得到的薄膜具有低的双向轴向平均应力。此外，在本研究中，需要热循环的处理步骤使用硅作为牺牲层的类型，由于其相对缺乏的膨胀和收缩（相对于光致抗蚀剂）组成。最后，氟化氙₂干释放一步从根本上消除黏附有利于高收益处理。

所需的光束间隙高度对应于上冲间隙高度（ 图2B ）响应于所述第一步骤偏压^20。一旦光束达到的过冲/下所需的间隙高度的第二步骤偏压（ 图2C）被施加到保持在该位置上的光束。通过了解所述MEMS桥的机械品质因数（其可以被测量或计算的），过冲百分数和达到过冲间隙高度的时间可以计算出来。这些参数被用来确定输入电压的幅度和定时。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
Chemicals
缓冲氧化物蚀刻剂	Mallinckrodt Baker	1178	二氧化硅蚀刻，钛蚀
丙酮	Mallinckrodt Baker	5356	晶圆清洁
异丙醇	霍尼韦尔	BDH-140	晶圆清洁
六甲基二硅油	Mallinckrodt Baker	5797	附着力促进剂
Microposit SC 1827 正性光刻胶	Shipley Europe Ltd	44090	图形，电镀
Microposit MF-26A 显影剂	Shipley Europe Ltd	31200	开发 SC 1827
四甲基氢氧化铵	Sigma-Aldrich	334901	块硅蚀刻
硫酸	Sciencelab.com	SLS2539	晶片清洁
过氧化氢	Sciencelab.com	SLH1552	晶片清洁
亚硫酸盐金 TSG-250	Transense	110-TSG-250	Au 电镀液
Baker PRS-3000 正性光刻胶剥离剂	Mallinckrodt Baker	6403	光刻胶剥离剂
金蚀刻剂型 TFA	Transense	060-0015000	Au etch
设备
掩模对准器		Karl Suss MJB-3	图案光刻胶
溅射镀膜机		Perkin Elmer 2400 溅射机	沉积金属
热氧化炉		热相氧化炉	生长二氧化硅
离子蚀刻		等离子体技术 RIE	等离子灰
氟化氙干法蚀刻机		Xactix 二氟化氙刻蚀机	选择性干法各向同性硅刻蚀
表面轮廓仪		Alpha-Step IQ	阶梯高度测量
环		Signatone	固定直流探针机械手
直流机械手		Signatone S-900 系列微定位器	将电位差应用于设备
激光多普勒测振仪		Polytec OFV-551/MSA-500 微系统分析仪	开关时间测量
数字函数发生器		Agilent E4408B 函数发生器	创建直流动态波形
高压线性放大器		单通道高压线性放大器 A400	促进高压
数字示波器		Agilent DS05034A 数字示波器	验证动态波形参数