Name: 高效宽量程可调谐 MEMS 滤波器的设计与表征方法 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-02-04T13:00:00.000+00:00
Duration: 15 min 25 s
Description: 学习使用激光多普勒测振仪设计和表征宽量程可调谐CMOS MEMS滤波器的方法。本方案演示如何通过固定-固定梁结构实现频率调谐，同时避免制造过程中的粘附失效问题，提升器件可靠性。

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

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。

1. 选择并设计最优结构
<ol>
	<li>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）。</li>
	<li>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。</li>
</ol>
2. 互补金属氧化物半导体（CMOS）中的建模与制造
<ol>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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）。</li>
	<li>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）。
	<ol>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>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。</li>
</ol>
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。
<ol>
	<li>嵌入式加热器的热成像测试
	<ol>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>LDV及测试系统的校准
	<ol>
		<li>将激光对准120 µm长的悬臂梁上方。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>将屏幕划分为多个视图，用于校准并启动测量系统。</li>
		<li>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。</li>
		<li>调整速度设置，使其支持最高2.5 MHz的频率。</li>
		<li>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。</li>
		<li>使用此新设置开始测量。</li>
		<li>通过将直流电压更改为1 V来更新采集设置。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>通过LDV测试68 µm长的MEMS滤波器
	<ol>
		<li>选择待测试的68 µm长MEMS滤波器。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>高阶模态测量
	<ol>
		<li>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。</li>
		<li>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）。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
4. 避免设备故障
<ol>
	<li>应用低频方波信号解决粘连问题
	<ol>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>进入频率设置框，将频率设为1 Hz。</li>
		<li>激活并应用此新设置到梁上。</li>
		<li>观察梁的分离情况。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>高热应力与烧毁
	<ol>
		<li>使用额外的样品进行热应力测试。</li>
		<li>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。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
5. 提升调谐能力
<ol>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
</ol>

<ol><li>Göktaş, H., Turner, K., Zaghloul, M. <a target="_blank" href="http://ieeexplore.ieee.org/document/7762782/">Enhancement in CMOS-MEMS Resonator for High Sensitive Temperature Sensing.</a> IEEE Sensors J. 17 (3), 598-603 (2017).</li>
<li>Davila, A. P., Jang, J., Gupta, A. K., Walter, T., Aronson, A., Bashir, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microresonator+mass+sensors+for+detection+of+Bacillus+anthracis+Sterne+spores+in+air+and+water%5BTitle%5D)+AND+%22Biosens.+Bioelectron%22%5BJournal%5D)">Microresonator mass sensors for detection of Bacillus anthracis Sterne spores in air and water.</a> Biosens. Bioelectron. 22 (12), 3028-3035 (2007).</li>
<li>Lee, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Suspended+microchannel+resonators+with+piezoresistive+sensors%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+Chip%22%5BJournal%5D)">Suspended microchannel resonators with piezoresistive sensors.</a> Lab Chip. 11 (4), 645-651 (2011).</li>
<li>Arash, H., Pourkamali, S. <a target="_blank" href="http://ieeexplore.ieee.org/document/6111426/">Fabrication and Characterization of MEMS-Based Resonant Organic Gas Sensors.</a> IEEE Sensors J. 12 (6), 1958-1964 (2012).</li>
<li>Göktaş, H., Zaghloul, M. <a target="_blank" href="http://ieeexplore.ieee.org/document/6985576/">Tuning In-Plane Fixed-Fixed Beam Resonators with Embedded Heater in CMOS Technology.</a> IEEE Electron Device Lett. 36 (2), 189-191 (2015).</li>
<li>Li, C. S., Hou, L. J., Li, S. S. <a target="_blank" href="http://ieeexplore.ieee.org/document/6112657/">Advanced CMOS-MEMS Resonator Platform.</a> IEEE Electron Device Lett. 33 (2), 272-274 (2012).</li>
<li>Li, M. H., Chen, W. C., Li, S. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mechanically+Coupled+CMOS-MEMS+Free-Free+Beam+Resonator+Arrays+With+Ehanced+Power+Handling+Capability%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans.+Ultrason.+Ferroelect.+Freq.+Control%22%5BJournal%5D)">Mechanically Coupled CMOS-MEMS Free-Free Beam Resonator Arrays With Ehanced Power Handling Capability.</a> IEEE Trans. Ultrason. Ferroelect. Freq. Control. 59 (3), 346-357 (2012).</li>
<li>Lopez, J. L., et al. <a target="_blank" href="http://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/5109806/">A CMOS-MEMS RF-Tunable Bandpass Filter Based on Two High-Q 22-MHz Polysilicon Clamped-Clamped Beam Resonators.</a> IEEE Electron Device Lett. 30 (7), 718-720 (2009).</li>
<li>Khine, L., Palaniapan, M. <a target="_blank" href="http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0960-1317/19/1/015017/meta">High-Q bulk-mode SOI square resonator with straight-beam anchors.</a> J. Micromech. Microeng. 19 (1), (2009).</li>
<li>Manca, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Programmable+mechanical+resonances+in+MEMS+by+localized+joule+heating+of+phase+change+materials%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Mater%22%5BJournal%5D)">Programmable mechanical resonances in MEMS by localized joule heating of phase change materials.</a> Adv. Mater. 25 (44), 6430-6435 (2013).</li>
<li>Rúa, A., et al. <a target="_blank" href="http://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.4716191?journalCode=jap">Phase transition behavior in microcantilevers coated with M1-phase VO2 and M2-phase VO2:Cr thin films.</a> J. Appl. Phys. 111 (10), 104502(2012).</li>
<li>Remtema, T., Lin, L. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0924424701006033">Active frequency tuning for micro resonators by localized thermal stressing effects.</a> Sens. Actuators A, Phys. 91 (3), 326-332 (2001).</li>
<li>Göktaş, H., Zaghloul, M. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2015RS005893/abstract">The Implementation of Low Power and Wide Tuning Range MEMS filters for Communication Applications.</a> Radio Sci. 51 (10), 1636-1644 (2016).</li>
<li>Göktaş, H., Zaghloul, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+Novel+Microhotplate%3A+A+Design+Featuring+Ultra+High+Temperature%2C+Ultra+Low+Thermal+Stress%2C+Low+Power+Consumption+and+Small+Response+Time%5BTitle%5D)+AND+%22Sensor+Comm%22%5BJournal%5D)">The Novel Microhotplate: A Design Featuring Ultra High Temperature, Ultra Low Thermal Stress, Low Power Consumption and Small Response Time.</a> Sensor Comm. , (2013).</li>
<li>Kushmerick, J. G., et al. <a target="_blank" href="https://link.springer.com/article/10.1023/A%3A1009082530479">The influence of coating structure on micromachine stiction.</a> Tribol Lett. 10 (1), (2001).</li>
<li>Kim, J. M., et al. <a target="_blank" href="http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0960-1317/12/5/327/meta">Continuous anti-stiction coatings using self-assembled monolayers for gold microstructures.</a> J. Micromech. Microeng. 12 (5), 688-695 (2002).</li>
<li>Bhattacharya, E., et al. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/pssa.200461149/abstract">Effect of porous silicon formation on stiction in surface micromachined MEMS structures.</a> Phys. Stat. Sol. (A). 202 (8), 1482-1486 (2005).</li>
<li>Koppaka, S. B., Phinney, L. M. <a target="_blank" href="http://ieeexplore.ieee.org/document/1416917/">Release Processing Effects on Laser Repair of Stiction-Failed Microcantilevers.</a> J. Microelectromech. Syst. 14 (2), 410-418 (2005).</li>
<li>Ghatkesar, M. K., et al. <a target="_blank" href="https://www.semanticscholar.org/paper/Higher-modes-of-vibration-increase-mass-sensitivit-Ghatkesar-Barwich/b50ed2d5233ea10271788baa70517f97d465d3aa">Higher modes of vibration increase mass sensitivity in nanomechanical microcantilevers.</a> Nanotechnology. 18 (44), 445502(2007).</li>
<li>Göktaş, H., Mona, Z. <a target="_blank" href="http://ieeexplore.ieee.org/document/6688202/">High Sensitivity CMOS Portable Biosensor with Flexible Microfluidic Integration.</a> IEEE SENSORS. , (2013).</li>
</ol>

我们没有需要披露的内容。

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...

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。

<table><tbody><tr><td>激光多普勒测振仪</td><td>Polytec</td><td>Polytec MSA-500</td><td></td></tr><tr><td>扫描电子显微镜</td><td>Zeiss</td><td></td><td></td></tr><tr><td>热成像仪</td><td>X</td><td></td><td></td></tr><tr><td>电源&amp;nbsp;</td><td>Egilent</td><td>(E3631A)</td><td></td></tr><tr><td>显微镜</td><td>X</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Coventor</td><td>Coventor</td><td></td><td>仿真工具</td></tr><tr><td>Cadence Virtuoso</td><td>Cadence</td><td></td><td>仿真工具</td></tr><tr><td>Multisim</td><td>Multisim</td><td></td><td>仿真工具</td></tr></tbody></table>

高效宽调谐范围mems滤波器的设计与表征方法

Design and Characterization Methodology for Efficient Wide Range Tunable MEMS Filters

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。

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）程序推导该梁的高阶模态（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），实现了调谐能力的变化（提高32%）5 借助LDV（激光多普勒测速仪）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。所测得的模态振型与有限元模拟（FEM）结...

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。

高效宽调谐范围MEMS滤波器的设计与表征方法

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）以及其他技术的优势……

滤波器在无线通信的接收和发射电路中非常流行且应用广泛。此外，气体传感器、生物传感器和温度传感器是最常见的应用。这些高性能滤波器应采用CMOS MEMS工艺制造，以实现更可靠的制造过程，并通过消除两个独立芯片之间的额外连线，支持低噪声信号设计。此处，CMOS 代表互补金属氧化物半导体，MEMS 代表微机电系统与传感器。此外，后处理工艺应设计为能够避免在制造过程中发生粘连。测量 MEMS 谐振器谐振频率的一种常用方法是使用网络分析仪，但由于以下原因，该方法的性能不及激光多普勒测振技术。网络分析仪方法面临的主要挑战之一是消除寄生电容。我看到使用了设计工具来放大120微米长梁的等效电路的频率和相位响应。即使寄生电容从1飞法增加到20飞法，这两个瓦特峰峰值也从6 dB显著下降至0.34 dB。因此，这需要一个芯片，其激励设计紧邻最大共振器。激光多普勒测振仪是另一种方法，它利用激光来检测梁在共振时的振动。与网络分析仪相比，激光多普勒测振仪技术消除了寄生电容问题。此外，它能够检测高阶模态共振，这在生物传感等不同研究领域中具有诸多优势，并且相较于网络分析仪，可表征尺寸更小的谐振器。这使得快速原型制作成为可能，并实现更高灵敏度和更精确的谐振器，尤其是在生物传感应用中。本研究的目标是提供一种指导方法，用于在设计完成后，利用激光多普勒测振仪测量频率调谐、优化调谐能力，并避免双粘附型固支梁的产生。该过程首先从寻找最优结构开始。在第二种宽范围频率调谐中选择两端固支梁，因为与其他候选结构相比，两端固支梁在受热时能够实现更宽范围的调谐，这是由于其具有较大的频率温度系数和独立的热膨胀常数。若目标是实现更高的调谐效率，则应设计更长的梁。如果目的是用于跳频或信号跟踪应用，则设计较短的梁。在基于有限元的程序中设计并创建MEMS馈电结构的3D模型。在集成电路设计工具中逐层重建相同布局，以生成GDS文件。将此 GDS 文件提交至 CMOS 代工厂进行制造。此处我们采用 CMOS 0.6 微米工艺。一旦 CMOS 工艺完成，芯片应包含多晶硅、铝和氧化物层。下一步是进行后处理步骤。通过ICPH系统执行CHF302干法刻蚀工艺，该工艺用于在铝层之间刻蚀二氧化硅，以形成高宽比为5.7的悬臂梁结构。该工艺使用以下参数。CHF3 流量为 40 sccm，氧气流量为 5 sccm，压力为 0.5 帕斯卡，ICP 功率为 500 瓦，样品功率为 100 瓦，总刻蚀时间为 56 分钟。在硅衬底上应用四氟化氙刻蚀工艺，以在悬臂梁下方形成深度为九微米的空腔。该工艺采用四氟化氙刻蚀系统，共进行三个循环，每个循环压力为三托，持续时间为 60 秒。在电子显微镜下表征器件，以确保其正确制备。在此步骤中，将电子束加速电压调整为 2.58 kilovolts，工作距离调整为 9.5 毫米。器件测试包含多个步骤，包括焦耳加热测试和频率响应测试。将热成像相机置于芯片顶部，并测试环境加热器，确保其能够加热悬臂梁。将电源连接至芯片封装，以在嵌入式加热器上施加0伏至5.7伏之间的直流电压，通过小幅度递增电压来逐步升高悬臂梁各部分的温度。在加热过程中，使用热成像相机记录芯片封装内的温度分布，并将结果保存至数值处理程序中，绘制加热曲线图。在长度为120微米的梁上方定位激光。在两条长120微米的梁之间连接电源，施加约7.7伏直流电压和交流电压，以实现共振操作。通过最大5.7伏的附加直流偏置电压连接至嵌入式加热器，在共振操作期间对梁施加焦耳热。将激光移动到光束上的不同位置，以获得更小的激光偏转。务必增加蓝色条的强度以降低噪声。将屏幕划分为多个视图，用于校准并启动测量设置。进入采集设置。将测量模式设为FFT。不要使用任何滤波器。将带宽设置为 2 兆赫。调整速度，使其支持最高 2.5 兆赫的频率。使用周期性码片波形。此处，幅值代表交流电压，偏移量代表直流电压。使用此新设置开始连续测量。通过将直流电压更改为1伏特来更新采集设置。当Ref1显示红色警报时，表示信号存在噪声。请在采集设置窗口中降低施加的偏置电压以解决此问题。将激光移动到光束上的不同位置，以进一步提高信噪比。有时您可能会发现光束上存在不良位置，导致振动条出现红色警报。请继续在光束上寻找最佳位置。选择长度为 68 微米的 MEMS 滤光片进行测试。在两根68微米长的相邻梁之间同时施加25伏直流电压和5伏交流电压。此处，直流电压用于产生静电偏压，交流电压用于激发共振。向位于68微米长梁内的嵌入式加热器施加额外的直流电压，并以小步进方式将电压从0伏逐步增加至5.7伏。这将基于焦耳热效应提供频率调谐。在每一步中，观察并记录施加偏置电压下的共振频率和相位响应，并将结果汇总于表格中。在此样品中，当向嵌入式加热器施加5.7伏直流电压时，总频率调谐量约为874千赫兹。按下 A/D 按钮进入采集设置窗口（该窗口在激光多普勒测振仪校准与测试设置部分已演示），并调整为支持极高频率的速度模式。测量第一和第二阶模态及其相位。施加一个 1 赫兹的方波信号，以解决由于两个相邻光束间速度充电引起的静摩擦问题。转到发生器选项卡，在波形下拉菜单中选择方波。进入偏移量设置框，将直流电压设为1伏特。进入频率设置框，将频率设为1赫兹。激活并应用这些新设置到光束上。观察光束的分离情况。使用额外的样品进行热应力测试。逐步小幅增加嵌入式加热器的施加偏置电压，以确定器件因高热应力失效前的最大允许电压。在两个间距为68微米的相邻悬臂梁之间同时施加25伏直流电压和5伏交流电压，同时将嵌入式加热器的施加偏置电压从0伏逐步增加至5.7伏，从而获得总计661千赫兹的频率偏移。随后，在保持嵌入式加热器偏置电压设置不变的前提下，将施加的偏置电压从25伏增加至35伏，同时施加1伏交流电压，以进一步增强两个长度为68微米的相邻悬臂梁之间的软化效应。记录总频率偏移量的32%提升，该值应从661千赫兹增加至875千赫兹，这是由额外的软化效应引起的。通过向嵌入式加热器施加偏置电压，实现了宽范围的频率调谐，并利用激光多普勒测振仪进行了验证。对于谐振器而言，高频共振测量至关重要，因为它为高灵敏度和高精度生物传感器的应用提供了有前景的结果。激光多普勒测振仪能够实现高频测量，而这种测量几乎无法通过网络分析仪读取。通过在每根梁上测量多个点，使用激光多普勒测振仪测得了第五阶模态。所测得的振型与右下角所示基于有限元分析程序的结果相吻合。本视频介绍了如何设计、制备和表征长波、宽调谐范围的CMOS MEMS滤波器。宽调谐范围的MEMS滤波器在信号跟踪和跳频应用中具有很高的需求。因此，在扩大调谐范围的同时避免器件失效，其成功实现具有易于应用和可重复的优点。为了实现可靠且低成本的制造，成功展示了避免烧蚀和粘连等常见问题的方法。在表征方面，成功验证了激光多普勒测振仪和网络分析仪的优越性，不仅能够实现第五阶模态条纹，还可推动便携式生物传感器及早期诊断（如艾滋病病毒检测）等前沿技术的发展。

design-characterization-methodology-for-efficient-wide-range-tunable

Research

科研

JoVE Journal

Engineering

工程

高效宽量程可调谐 MEMS 滤波器的设计与表征方法

利用微机电系统（MEMS）开发诊断工具

我们介绍了使用二氧化碳激光回流技术制备二氧化硅谐振腔的方法，包括自支撑微球和片上微环腔。该回流工艺可消除表面缺陷，从而在两种器件中实现较长的光子寿命。所制得的器件具有极高的品质因数，可应用于从光通信到生物检测等多个领域。...

二氧化硅超高品质因子微谐振器的制备

本方案概述了太赫兹超材料吸收器的模拟、制备与表征。此类吸收器若与适当的传感器结合，可应用于太赫兹成像与光谱学。...

太赫兹超材料吸收体的仿真、制备与表征

边缘场静电微机电系统执行器的坚固器件设计在使用传统阶跃偏置进行开关操作时，会导致固有的低挤压膜阻尼条件和较长的稳定时间。采用直流动态波形实现实时开关时间优化，可缩短边缘场微机电系统执行器在从上至下和从下至上状态切换过程中的稳定时间。...

严重欠阻尼边缘场静电MEMS执行器中用于改善开关时间的实时直流动态偏置方法

最近，通过光辐射压力和受激布里渊散射，已在微流控光力学谐振器中实验验证了参量型光力学激发。本文描述了这些微流控谐振器的制备方法，以及产生和验证光力学振荡的技术方案。...

微流控光机械振荡器的制备与测试

超导微波谐振器在光探测、量子计算应用和材料表征方面具有重要意义。本文介绍了一种用于制备和表征超导微波谐振器散射参数的详细实验方法。...

超导谐振器的制备与表征

基于电容式微加工超声换能器（CMUT）技术的新型超声（US）探头研发，需要在早期对成像能力进行真实可靠的评估。本文描述了一种可重复的实验方案，用于超声图像的采集，并与磁共振图像进行对比，使用一个 离体...

一种用于评估基于CMUT技术新型超声探头在脑部成像应用中性能的实验方案

介绍了一种利用双频激励在微流控通道中操控微粒的实验方案。...

双频激励下利用驻波表面声波操控微粒

增材制造聚合物已广泛用于制备弹性超材料。然而，这些聚合物在超声频率下的粘弹性行为仍缺乏深入研究。本研究报道了一种用于估算3D打印聚合物粘弹性特性的实验方案，并展示了如何利用该方法分析超材料的动力学行为。...

表征通过增材制造制备的耗散弹性超材料

本文追踪了氮化硅薄膜谐振器的生命周期，从设计、制备到表征的全过程。...

高Q值氮化硅薄膜谐振器的制备与表征

学习使用激光多普勒测振仪设计和表征宽量程可调谐CMOS MEMS滤波器的方法。本方案演示如何通过固定-固定梁结构实现频率调谐，同时避免制造过程中的粘附失效问题，提升器件可靠性。

高效宽调谐范围MEMS滤波器的设计与表征方法

探索更多视频