Method Article

高效宽量程可调谐 MEMS 滤波器的设计与表征方法

DOI:

10.3791/56371

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February 4th, 2018

1Department of Electrical and Electronic Engineering, Harran University

In This Article

Summary

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本文提出了一种利用激光多普勒测 (LDV) 进行固定波束设计的协议, 包括频率调谐的测量、调谐能力的修正以及设备故障和迟滞的避免。LDV 方法在网络分析仪上的优越性是由于其较高的模态能力而表现出来的。

Abstract

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在这里, 我们展示了激光多普勒测 (LDV) 优于传统技术 (网络分析仪) 的优势, 以及创建基于应用的机械系统 (MEMS) 过滤器的技术, 以及如何有效地使用它 (即, 调优功能并避免故障和迟滞。LDV 使网络分析仪无法进行关键的测量, 如高模式检测 (高度灵敏的生物传感器应用) 和非常小设备 (快速原型) 的共振测量。因此, LDV 被用来表征的频率调谐范围和谐振频率在不同模式的 MEMS 滤波器为本研究所建立。这种宽范围频率调谐机构是基于从嵌入式加热器的焦耳加热和相对较高的热应力就固定固定梁的温度。然而, 我们证明, 这种方法的另一个限制是产生高的热应力, 它可以燃烧的设备。在这项研究中首次取得了进一步的改进, 并显示了在两个相邻光束之间增加了外加直流偏置电压 (25 伏至35伏), 从而使调谐能力增加了32%。这个重要的发现消除了额外的焦耳加热在更广泛的频率调谐范围的需要。另一个可能的失败是通过迟滞和结构优化的要求: 我们提出了一种简单易行的低频方波信号应用技术, 它能够成功地分离光束, 消除了需要在文献中给出的复杂的方法。上述发现需要设计方法, 因此我们也提供了基于应用程序的设计。

Introduction

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由于其可靠性高、功耗低、设计紧凑、质量因数高、成本低等特点, 对 MEMS 滤波器的需求越来越大。它们在无线通信中被广泛用作传感器和核心部件。温度传感器1、生物传感器2、3、气体传感器4、过滤器5、6、7和振荡器是最受欢迎的应用领域。最流行的静电 MEMS 滤波器有固定固定光束5,8, 悬臂式2, 音叉6, 自由光束6,7, 弯曲磁盘设计7,方形形状设计9。

在实现 MEMS 滤波器时, 有许多关键步骤, 如设计方法 (基于应用的结构优化、宽范围频率调谐范围、避....

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Protocol

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1. 优选结构的选择与设计

  1. 选择用于宽范围频率调谐的固定固定光束 (与其他候选者相比, 它在加热时可以进行宽范围调谐, 因为其温度系数大 (TCF) 和可忽略的热膨胀常数)。
  2. 设计一个更长的光束, 如果目的是调整效率的改善。设计一个较短的光束, 如果目的是跳频或信号跟踪应用。

2. 互补金属氧化物半导体 (CMOS) 的建模和制造

  1. 设计并制作了基于有限元程序的 MEMS 滤波器的3维模型。
  2. 在集成电路 (IC) 设计工具中重建相同的布局, 按层层创建 gds 文件。
  3. 将此 gds 文件提交到 cmos 铸造厂进行制造 (我们使用了 cmos 0.6 µm 技术)。
  4. 在 CMOS 过程完成后继续进行后处理 (请注意, 芯片应该有多晶硅、铝和氧化物层)。
    1. 通过电感耦合等离子体 (ICP) 蚀刻系统进行 CHF3/O2的干式蚀刻过程。在铝层之间蚀刻2 , 并在5.7 的纵横比下形成光束。对于此过程, 请使用以下参数: CHF3 at 40 sccm, O2在 5 sccm, 压力在 0.5 Pa, ICP 电源在 500 w, 采样功率在 100 w 与56分钟总蚀刻时间。
    2. 在硅衬底上应用 XeF....

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Results

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采用低频方波信号, 避免了迟滞, 使用 LDV (图 1) 验证了这一点。在显微镜下 (图 2) 验证了在将相对较高的偏置直流电压应用于嵌入式加热器时, 由于高热应力14可能导致的故障。该有限元程序用于推导光束的更高模式 (图 3)。通过改变两个相邻光束之间的直流偏置电压 (25 v 到 35 v) 来改变调谐能力 (32%), 这是在 LDV (图 4) 的帮助下, 在这项工作中第一次5 。成功地证明了通过 LDV 进行高模态响应的能力, 并与有限元模拟结果进行了比较。5th模式是通过测量每个光束上的多个点来测量 LDV 的。测量的模态形状与有限元模拟完全匹配 (图 5

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Discussion

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建立 MEMS 滤波器的关键步骤之一是设计基于应用领域的设备。为了更好的调谐效率 (ppm/兆瓦), 光束应该更长或更薄, 但对于跳频或信号跟踪应用来说, 更短或更薄。同样地, 通过 LDV 的清晰信号检测是设备测试的关键, 这就是为什么最好设计至少3-4 µm 厚度的光束。否则, 信号将是嘈杂的, 即使是100X 镜头, 它需要多点测试与噪声消除 (嵌入在 LDV 软件), 以达到最佳的检测。由于其大型 TCF, 固定固定梁, 相比其他候选人 (悬臂, 调谐叉, 自由梁), 使宽范围频率调谐时, 它被加热。在这项研究中, 我们使用的焦耳加热法与多晶硅层作为嵌入式加热器。

如何避免迟滞:

迟滞在谐振操作期间可能发生由于静电充电。在文献中提出了许多不同的方法, 如设计高刚度常数的梁, 用反迟滞化学涂敷表面, 并在反方向施加高直流电压。相比之下, 为了进行故障排除, 我们在这里提供了一种替代的简单技术。通过在短时间内使用相对高电压低频 (1 赫兹) 方波信号(图 .......

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Disclosures

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我们没有什么要透露的。

Acknowledgements

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这项工作得到了美国陆军研究实验室的支持, 阿德尔菲, 马里兰州, 美国, 根据赠款 W91ZLK-12-P-0447。共振测量是在迈克尔. 斯通和安东尼. 布洛克的帮助下进行的。热摄相机的测量是在科诺菲尔的帮助下进行的乔治华盛顿大学。

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
激光多普勒测振仪PolytecPolytec MSA-500
扫描电子显微镜蔡司
热像仪X
电源供应器 Egilent（E3631A）
显微镜X
CoventorCoventor仿真工具
Cadence VirtuosoCadence仿真工具
MultisimMultisim仿真工具

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Göktaş, H., Turner, K., Zaghloul, M. Enhancement in CMOS-MEMS Resonator for High Sensitive Temperature Sensing. IEEE Sensors J. 17 (3), 598-603 (2017).
  2. Davila, A. P., Jang, J., Gupta, A. K., Walter, T., Aronson, A., Bashir, R. Microresonator mass sensors for detection of Bacillus anthracis Sterne spores in air and water. Biosens. Bioelectron.

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