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高效宽调谐范围MEMS滤波器的设计与表征方法

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DOI：

10.3791/56371

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2018年2月4日

1Department of Electrical and Electronic Engineering, Harran University

本文内容

摘要

介绍了一种使用激光多普勒测振仪（LDV）进行固定-固定梁设计的实验方案，包括频率调谐的测量、调谐能力的改进，以及器件失效和粘连现象的避免。由于LDV方法具有更高的模态检测能力，其性能优于网络分析仪。

摘要

在此，我们展示了激光多普勒测振仪（LDV）相较于传统技术（网络分析仪）的优势，以及如何构建基于应用的微机电系统（MEMS）滤波器并高效使用该滤波器的方法。即，调节调谐能力，并避免失效和粘连）。LDV能够实现网络分析仪无法完成的关键测量，例如高阶模态检测（高灵敏度生物传感器应用）以及对极小器件的谐振频率测量（快速原型开发）。因此，本研究中采用LDV对所制备MEMS滤波器在不同模态下的频率调谐范围和谐振频率进行了表征。该宽范围频率调谐机制仅基于嵌入式加热器产生的焦耳热，以及固定-固定梁在温度变化下产生的相对较高的热应力。然而，我们证明该方法的另一局限性在于由此产生的高热应力可能导致器件烧毁。本研究首次实现了进一步改进，通过将相邻梁之间的施加直流偏置电压从25 V提高至35 V，使调谐能力提升了32%。这一重要发现消除了在更宽频率调谐范围内额外施加焦耳加热的需求。另一种可能的失效机制是粘连问题，需进行结构优化：我们提出一种简单易行的方法，即施加低频方波信号，可成功分离粘连的梁结构，从而避免了文献中所述更为复杂和精密的处理方法。上述发现要求建立一种设计方法论，因此我们还提供了一种面向应用的设计方案。

引言

由于微机电系统（MEMS）滤波器具有高可靠性、低功耗、结构紧凑、高品質因數和低成本等优点，其需求日益增长。它们被广泛用作传感器以及无线通信中的核心部件。温度传感器1、生物传感器2,3、气体传感器4、滤波器5,6,7以及振荡器是其最主要的应用领域。最常见的静电式MEMS滤波器包括两端固定梁结构5,8、悬臂梁结构2、音叉结构6、自由-自由梁结构6,7、弯曲圆盘结构7以及方形结构9。

实现MEMS滤波器的过程中包含多个关键步骤，例如设计方法（基于应用的结构优化、宽范围频率调谐以及避免失效）和表征（快速原型制备、避免寄生电容以及检测高阶模态）。频率调谐能力对于补偿因制造公差或环境温度变化引起的频率偏移至关重要。文献中已报道了多种技术10,11,12以满足该需求；然而，这些方法存在一些缺点，例如频率调谐范围有限、中心频率较低、需要额外的后处理工艺以及依赖外部加热器10,11。

本研究中，我们展示了通过焦耳热法实现宽频范围的频率调谐5,13，以及在有限频率调谐范围内通过弹性模量变化12（增加相邻两梁之间的直流偏置电压）和材料相变方法10,11实现的频率调谐。此外，Göktaş 和 Zaghloul13已总结了最优结构选择和基于应用的设计方法。本文中，我们展示了如何借助激光多普勒测振仪（LDV），通过增加施加于嵌入式加热器上的直流电压，来调节固定-固定梁的共振频率。有限元分析（FEM）仿真与LDV测量在同一坐标系下同步进行，以直观展示调谐机制，包括梁整体的焦耳热效应和弯曲形貌。

我们还介绍了可能出现的故障（器件烧毁和粘连）及其相应的解决方案。焦耳加热法结合两端固定梁的高热应力可实现较宽的频率调谐范围，但同时在特定温度水平下可能导致器件烧毁。这归因于不同材料之间存在的高热应力14。解决方案是增加两个相邻梁之间的直流电压，从而提高调谐范围（提高32%），并消除对高温的需求。这种“调谐调谐范围”的方法最早在Göktaş和Zaghloul5中得到验证，在Göktaş和Zaghloul13中进行了更详细的解释，本文对此进行了重述。另一方面，粘连可能在制造过程或共振操作期间发生。已有多种技术被提出用于解决这一问题，例如施加表面涂层以降低粘附能15,16、增加表面粗糙度17以及激光修复工艺18。相比之下，我们提出了一种简单的方法：在两个相连的梁之间施加低频方波信号，并通过LDV成功记录到分离现象。该方法可避免额外成本，并降低设计复杂性。

构建先进MEMS滤波器的另一个关键步骤是表征与验证。使用网络分析仪进行表征是最常用且广泛采用的方法之一，但该方法存在一些缺点。即使很小的寄生电容也可能导致信号消失，因此通常需要放大电路3,6,8以消除噪声，且该方法仅能检测到第一阶模态共振。相比之下，使用激光多普勒测振仪（LDV）进行表征则不受寄生电容问题的影响，并且能够检测到更微小的位移。这使得快速原型开发成为可能，同时避免了放大电路的设计需求。此外，LDV还能检测MEMS滤波器的高阶模态共振。这一特性在高灵敏度生物传感器领域具有广阔的应用前景。更高阶的悬臂梁模态可提供更高的灵敏度19。本文展示了利用LDV对固支梁的高阶模态进行测量，并将其应用于有限元方法（FEM）仿真验证。FEM仿真的初步结果表明，相较于固支梁的第一阶模态，其灵敏度最高可提升46倍。

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方案

1. 选择并设计最优结构

  1. 选择两端固定的梁以实现宽频率调谐范围（与其他候选结构相比，由于其具有较大的频率温度系数（TCF）和可忽略的热膨胀常数，加热时可实现更宽的调谐范围）。
  2. 若目标是提高调谐效率，则设计较长的梁；若目标是频率跳变或信号跟踪应用，则设计较短的梁。

2. 互补金属氧化物半导体（CMOS）中的建模与制造

  1. 在基于有限元方法（FEM）的程序中设计并创建MEMS滤波器的3D模型。
  2. 在集成电路（IC）设计工具中逐层重建相同的布局，以生成gds文件。
  3. 将该gds文件提交给CMOS代工厂进行制造（我们采用的是0.6 µm CMOS工艺）。
  4. CMOS工艺完成后，继续进行后处理（注意：芯片应包含多晶硅、铝和氧化物层）。
    1. 通过电感耦合等离子体（ICP）刻蚀系统进行CHF3/O2干法刻蚀工艺。刻蚀铝层之间的SiO2，并形成高宽比为5.7的悬臂梁。该工艺参数如下：CHF3流量为40 sccm，O2流量为5 sccm，气压为0.5 Pa，ICP功率为500 W，样品功率为100 W，总刻蚀时间为56分钟。
    2. 在硅衬底上进行XeF2刻蚀工艺，以在悬臂梁下方形成深度为9 µm的空腔。该工艺使用XeF2刻蚀系统，共进行3个循环，每个循环为3T，持续60秒/循环。
  5. 使用扫描电子显微镜（SEM）对器件进行表征，以确保其正确制造。此步骤中，将电子束加速电压调整为2.58 kV，工作距离调整为9.5 mm。

3. 设备测试

注意：设备测试包含多个步骤，包括焦耳热测试和频率响应测试。

  1. 嵌入式加热器的热成像测试
    1. 将热成像仪置于芯片上方，测试嵌入式加热器，确保其能够对悬臂梁进行加热。
    2. 将电源连接至芯片封装，以小幅度递增方式对嵌入式加热器施加0 V至5.7 V的直流电压，使悬臂梁整体温度逐步升高。
    3. 在加热过程中，通过热成像仪记录芯片封装内的温度分布。将结果保存至数值计算程序中，并绘制加热曲线。
  2. LDV及测试系统的校准
    1. 将激光对准120 µm长的悬臂梁上方。
    2. 在两个120 µm长的悬臂梁之间连接电源，同时施加7 V直流电压和3 V交流电压以实现共振操作。另向嵌入式加热器施加最大5.7 V的额外直流偏置电压，以便在共振操作期间对悬臂梁进行焦耳加热。
    3. 将激光移动至悬臂梁上的不同位置，以获得低噪声的激光反射信号。确保提高蓝色指示条的强度以降低噪声。
    4. 将屏幕划分为多个视图，用于校准并启动测量系统。
    5. 进入采集设置，将测量模式设为FFT，不使用任何滤波器，并将带宽设为2 MHz。
    6. 调整速度设置，使其支持最高2.5 MHz的频率。
    7. 使用周期性啁啾波形。
      注：此处振幅代表交流电压，偏移量代表直流电压。
    8. 使用此新设置开始测量。
    9. 通过将直流电压更改为1 V来更新采集设置。
    10. 当Ref1显示红色警报时（表示信号存在噪声），应降低采集设置窗口中施加的偏置电压。
    11. 将激光移动至悬臂梁上的其他位置，以进一步提高信噪比。有时悬臂梁上可能存在不良位置导致振动条出现红色警报；此时应继续寻找最佳位置。
  3. 通过LDV测试68 µm长的MEMS滤波器
    1. 选择待测试的68 µm长MEMS滤波器。
    2. 在两个相邻的68 µm长悬臂梁之间同时施加25 V直流电压和5 V交流电压。其中，直流电压提供弯曲力，交流电压实现共振操作。
    3. 向位于68 µm长悬臂梁内的嵌入式加热器施加额外的直流电压，并以小幅度递增方式将电压从0 V升至5.7 V。这将基于焦耳热效应实现频率调谐。
    4. 观察并记录每一步施加偏置电压下的共振频率和相位响应，并将结果汇总成表格。在此样品中，当向嵌入式加热器施加5.7 V直流电压时，总频率调谐范围约为874 kHz。
      注：右侧的仿真结果与左侧的实际测量结果同步。
  4. 高阶模态测量
    1. 按下A/D按钮进入第3.2节所示的采集设置窗口，并调整速度设置以支持极高的频率。
    2. 测量第一阶和第二阶模态及其相位。
      注：第一阶模态的主要共振位移方向为Y方向，第二阶模态的主要位移方向为Z方向（即朝向显微镜方向）。

4. 避免设备故障

  1. 应用低频方波信号解决粘连问题
    1. 施加一个1 Hz的方波信号，以解决由于两个相邻梁之间静电荷引起的粘连问题。
    2. 进入偏移设置框，将直流电压设为1 V，同时保持交流电压为1 V。
    3. 进入频率设置框，将频率设为1 Hz。
    4. 激活并应用此新设置到梁上。
    5. 观察梁的分离情况。
  2. 高热应力与烧毁
    1. 使用额外的样品进行热应力测试。
    2. 通过逐步小幅增加嵌入式加热器上的偏置电压，找出器件因高热应力而失效前的最大允许电压。

5. 提升调谐能力

  1. 在两个相邻的68 µm悬臂梁之间同时施加25 V直流电压和5 V交流电压，同时将嵌入式加热器上的偏置电压从0 V逐渐增加至5.7 V，实现总计661 kHz的频率偏移。
  2. 将施加的偏置电压从25 V增加至35 V，以在两个长度为68 µm的相邻悬臂梁之间引入额外的弹簧软化效应，同时施加1 V交流电压，并保持嵌入式加热器上的相同偏置电压设置。
  3. 记录由此额外弹簧软化效应带来的总频率偏移提升32%，即频率偏移应从661 kHz增加至875 kHz。
    注：据我们所知，本研究首次实现了对MEMS谐振器调谐能力的改变。

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结果

通过施加低频方波信号避免了粘滞现象，并使用激光多普勒测振仪（LDV）对此进行了验证图1）。可能因热应力过高而导致失败14 在显微镜下验证了对嵌入式加热器施加相对较高的偏置直流电压时的情况（图2）。采用有限元法（FEM）程序计算该梁的高阶模态（图3）。本研究首次通过改变两个相邻波束之间的直流偏置电压（从25 V增至35 V），实现了调谐能力的改变（提高了32%）。5 在LDV的帮助下（图4）。通过激光多普勒测振仪（LDV）成功实现了对高阶模态响应的测量，并将结果与有限元法（FEM）仿真进行了比较。第5th 通过在每根梁上测量多个点，使用激光多普勒测振仪（LDV）测得模态。所测得的模态形状与有限元仿真（FEM）结果完全吻合。...

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讨论

构建MEMS滤波器的关键步骤之一是根据应用领域来设计器件。为了获得更好的调谐效率（ppm/mW），梁结构应设计得更长或更厚；而对于跳频或信号跟踪应用，则应更短或更薄。同样，在器件测试中，通过激光多普勒测振仪（LDV）实现清晰的信号检测至关重要，因此最好将梁的厚度设计为至少3–4 µm。否则，即使使用100倍物镜，信号仍会受到噪声干扰，必须通过多点测量并结合LDV软件内置的去噪功能，才能实现最佳检测效果。由于固定-固定梁具有较大的频率温度系数（TCF），相较于其他候选结构（如悬臂梁、音叉和自由-自由梁），在加热时可实现更宽范围的频率调谐。在本研究中，我们采用焦耳加热法，并以多晶硅层作为嵌入式加热元件。

如何避免粘滞现象：

由于静电充电，共振操作过程中可能发生粘连现象。文献中已提出多种不同的解决方法，例如设计高刚度系数的梁结构、在表面涂覆抗粘连化学材料，以及施加反向高直流电压。相比之下，本文针对故障排查目的，提出一种替代性的简便技术。通过施加一个相对较高电压、低频（1 Hz）的方波信号，持续较短时...

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披露

我们没有需要披露的内容。

致谢

本研究工作由美国马里兰州阿德尔菲的美国陆军研究实验室资助，项目编号为 W91ZLK-12-P-0447。共振测量得到了 Michael Stone 和 Anthony Brock 的协助。热成像仪测量得到了乔治·华盛顿大学 Damon Conover 的协助。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
激光多普勒测振仪PolytecPolytec MSA-500
扫描电子显微镜Zeiss
热成像仪X
电源 Egilent(E3631A)
显微镜X
CoventorCoventor仿真工具
Cadence VirtuosoCadence仿真工具
MultisimMultisim仿真工具

参考文献

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