高效宽量程可调谐 MEMS 滤波器的设计与表征方法
2018年2月4日
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。
滤波器非常流行，并广泛用于无线通信中的接收器和发射器序列。此外，气体传感器、生物传感器和温度传感器是最受欢迎的应用。这些高要求的滤波器应采用CMOS MEMS工艺制造，通过消除两个独立芯片之间的额外导线，支持更可靠的制造和低噪声信号设计。
在这里，CMOS 代表互补金属氧化物半导体，MEMS 代表微机电系统和传感器。此外，后处理的设计应避免制造过程中的静摩擦。测量 MEMS 谐振器谐振器谐振的一种众所周知的方法是使用网络分析仪，但由于以下原因，它不如激光多普勒测振仪技术强大。
网络分析仪方法的一大挑战是消除寄生电容。我看到设计工具被用来炸毁 120 微米长光束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 2 瓦的峰峰值也从 6 dB 急剧下降到 0.34 dB。
这就是为什么这需要 max 谐振器旁边的一个芯片 to fire 设计。激光多普勒测振仪是另一种使用激光来感应光束共振时振动的方法。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，它可以检测更高模式的谐振，这在不同的研究领域（如生物敏感应用）中带来了许多优势，并且与网络分析仪相比，它可以表征更小的谐振器。这实现了快速原型设计和更灵敏、更准确的谐振器，尤其是在生物敏感应用中。本研究的目的是为设计后论证提供指导，测量频率调谐，调谐能力，避免使用激光多普勒测振仪进行双静置固定光束。
该过程从找到最佳结构开始。在第二个宽范围频率调谐时选择固定固定光束，因为与其他候选光束相比，固定光束由于其较大的频率温度系数和单独的热膨胀常数，在加热时可以进行宽范围调谐。如果目的是提高调谐效率，则设计更长的波束。
如果目的是跳频或信号跟踪应用，则设计更短的波束。在基于有限元的程序中为 MEMS 馈线设计和创建 3D 模型。在集成电路设计工具中逐层重建相同的布局以创建 GDS 文件。
将此 GDS 文件提交给 CMOS 代工厂进行制造。在这里，我们使用 CMOS 0.6 微米技术。CMOS 工艺完成后，芯片应带有多晶硅、铝和氧化层。
下一步是执行后处理步骤。通过 ICPH 系统进行 CHF302 干法刻蚀工艺，该系统是铝层之间的二氧化硅，形成纵横比为 5.7 的光束。对于此过程，请使用以下参数。
CHF3 为 40sccm，氧气为 5sccm，压力为 0.5 帕斯卡，ICP 功率为 500 瓦，样品功率为 100 瓦，总蚀刻时间为 56 分钟。在硅衬底中应用氟化氙蚀刻工艺，在光束下创建一个 9 微米深的空腔。对于此过程，使用氟化氙蚀刻系统在 3 torr 下进行三个循环，每个循环 60 秒。
在 ECM 下描述器件的特性，以确保它们制造正确。对于此步骤，将光束加速电压更改为 2.58 千伏，将工作距离更改为 9.5 毫米。设备测试包括许多步骤，包括焦耳热测试和频率响应测试。
将热像仪放在芯片顶部并测试环境加热器，以确保它们加热光束。将电源连接到芯片封装，以 0 伏到 5.7 伏的增量在嵌入式加热器上施加直流电压，以提高整个光束的温度。在加热过程中，使用热像仪记录整个芯片封装的温度曲线，并将结果保存在数值完成程序中并绘制加热曲线。
将激光器定位在 120 微米长光束的顶部。在两个 120 微米长的光束之间连接电源，以施加大约 7 个 7 伏直流电压和 3 个交流电压进行谐振作。将额外的直流偏置电压连接到最大 5.7 伏的嵌入式加热器，以在谐振作期间对光束施加焦耳热。
将激光移动到光束上的不同位置，以获得更短的激光偏转。确保增加蓝色条的强度以减少噪点。将屏幕划分为多个视图以校准和开始测量设置。
转到客户获取设置。将测量模式设置为 FFT。不要使用任何过滤器。
并将带宽设置为 2 兆赫兹。更改可支持最大频率 2.5 MHz 的速度。使用周期性芯片波形。
其中 amplitude 代表交流电压，偏移量代表直流电压。使用这种新设置开始连续测量。通过将直流电压更改为 1 伏来更新采集设置。
当 Ref1 显示红色警报时，表示信号有噪音。在采集设置窗口中降低施加的偏置电压以解决此问题。将激光器移动到光束上的不同位置，以进一步提高信噪比。
有时您可能会在横梁上发现不良点，从而导致振动杆出现红色警报。继续寻找横梁上的最佳位置。选择 68 微米长的 MEMS 滤波器进行测试。
在两个 68 微米长的相邻梁之间一起施加 25 伏直流电压和 5 伏交流电压。这里，直流电压提供频带，交流电压使能谐振作。向位于 68 微米长光束中的嵌入式加热器施加额外的直流电压，并以小步长将电压从 0 伏增加到 5.7 伏。
这将提供基于焦耳热的频率调谐。观察并记录每一步相对于施加的偏置电压的谐振频率和相位响应，并将结果总结成表格。当将 5.7 伏直流电压施加到嵌入式加热器时，该示例的总频率调谐约为 874 kHz。
按下 A/D 按钮进入校准 LDV 和测试设置部分中演示的采集设置窗口，并更改可以支持非常高频率的速度。测量第一和第二模式及其相位。施加一个 1 赫兹的方波信号来解决由两个相邻光束的速度充电引起的静摩擦问题。
转到 generator 选项卡，然后在波形下拉菜单下选择方波形式。转到偏移框并将直流电压设置为 1 伏。转到 frequency 框并将频率设置为 1 赫兹。
在横梁上激活并应用这些新设置。观察梁的分离。使用额外的样品进行热应力测试。
以小增量增加嵌入式加热器上施加的偏置电压，以找到器件因高热应力而发生故障之前的最大允许电压。在两个 68 微米的相邻光束之间同时施加 25 伏直流电压和 5 伏交流电压，同时将嵌入式加热器上施加的偏置电压从 0 伏增加到 5.7 伏，以获得总共 661 kHz 的频移。将施加的偏置电压从 25 伏增加到 35 伏，以在两个 68 微米长的相邻梁之间增加额外的软化效果，同时施加 1 伏的交流电压，并在嵌入式加热器上保持相同的偏置电压设置。
记录总频移的 32% 改进，因为这种额外的软化效应应该从 661 kHz 增加到 875 kHz。通过向嵌入式加热器施加偏置电压实现宽范围频率调谐，并使用激光多普勒测振仪进行验证。更高电压的谐振测量对于谐振器来说非常重要，因为它为高灵敏度和准确的生物传感器提供了有希望的结果。
激光多普勒测振仪可实现网络分析仪几乎无法读取的高电压测量。第 5 种模式是用激光多普勒测振仪测量的，通过测量每个光束上的多个点。影响的测得振型与右上角显示的基于有限元分析的程序结果相匹配。
本视频介绍了如何设计、制造和表征长波、宽范围可调谐 CMOS MEMS 滤波器。宽范围可调谐 MEMS 滤波器的要求非常高，尤其是在信号跟踪和跳频应用中。这就是为什么在提高调谐范围同时避免失败后，它被成功证明、易于应用且可重复。
为了可靠性和低成本制造，成功地展示了避免燃烧和静摩擦等常见问题的方法。为了进行表征，成功证明了激光多普勒测振仪或网络分析仪的优越性。不仅支持第五模式条带化，还支持用于便携式生物传感器和 HIV 等早期诊断的尖端技术。
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概述
本文介绍了一种使用激光多普勒测振仪（LDV）进行固定-固定梁设计的协议。它强调了LDV在测量频率调谐和防止设备故障方面相对于传统网络分析仪的优势。
关键研究组成部分
科学领域
- 神经科学
- 微机电系统（MEMS）
- 测振
背景
- 滤波器在无线通信系统中至关重要。
- CMOS MEMS工艺提高了传感器制造的可靠性。
- 制造过程中的静电黏附可能导致设备故障。
- 相比网络分析仪，LDV提供了更优越的测量能力。
研究目的
- 展示LDV在测量MEMS谐振器方面的有效性。
- 修改设备的调谐能力。
- 在制造过程中避免静电黏附和设备故障。
使用的方法
- 固定-固定梁设计协议。
- 激光多普勒测振仪（LDV）测量。
- 频率调谐评估。
- 与网络分析仪方法的比较。
主要结果
- LDV展示了比网络分析仪更高的模态能力。
- 成功实现了频率调谐的测量。
- 有效地实现了调谐能力的修改。
- 在制造过程中成功避免了静电黏附。
结论
- LDV是测量MEMS谐振器的优越方法。
- 该协议可以提高设备的可靠性和性能。
- 未来的应用可能从这种先进的测量技术中受益。
常见问题
Executive Industry Relevance
This methodology enables precise characterization of MEMS-based biosensors by overcoming limitations of conventional network analyzers, particularly in detecting higher vibrational modes critical for sensitive analyte detection. The use of laser Doppler vibrometer (LDV) provides label-free, high-resolution frequency tuning data essential for de-risking biosensor design in early discovery. This supports predictive confidence in translational biomarker applications where resonance shifts correlate with target binding.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of MEMS resonator higher modes for enhanced sensitivity in biosensor applications.
- Operational Value: Facilitates functional validation of MEMS designs through label-free vibration measurement without electrical parasitics.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Provides quantitative resonance frequency and phase response data for assay optimization under varying thermal and electrical conditions.
- Operational Value: Supports standardization of MEMS sensor characterization via LDV, improving reproducibility across development teams.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Enables characterization of MEMS biosensors at higher modes, improving detection limits for low-abundance biomarkers.
- Operational Value: Avoids stiction and thermal failure through simple square wave signaling and bias voltage optimization, enhancing device yield.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into the discovery workflow by enabling reliable MEMS biosensor characterization from design validation through preclinical feasibility, particularly for frequency-hopping and signal-tracking applications.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing via direct measurement of resonant frequency shifts induced by biomolecular interactions.
- Screening: Ensures assay readiness through reproducible frequency tuning and mode characterization using LDV.
- Analytics: Delivers quantitative outputs including resonance frequency, phase response, and tuning range for comparative condition analysis.
- Translational Research: Connects to preclinical continuity by enabling characterization of MEMS devices under biosensing-relevant conditions.
- Enterprise Reuse: Establishes LDV-based characterization as a reusable platform for MEMS biosensor development across projects.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Higher mode detection and wide-range frequency tuning improve predictive confidence in biosensor performance.
- Operational Value: Eliminates need for complex parasitics correction and enables characterization of small-scale MEMS devices.
- Strategic Value: Reduces late-stage failure risk by identifying thermal and stiction limits early in development.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of MEMS biosensor candidates based on validated tuning range and reliability.
Implementation Considerations
- Expertise in laser Doppler vibrometry and MEMS device packaging.
- Access to LDV system with FFT capability and MHz-range bandwidth.
- Standardization of thermal and electrical biasing protocols across teams.
- Adaptation considerations for varying beam lengths and mode targets.
- Limitation: High thermal stress from Joule heating requires bias voltage optimization to avoid device burnout.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:00
Title
2:51
Selecting and Designing Optimum Structure
3:31
Modeling and Fabrication on CMOS
5:39
Device Testing: Thermal Camera Test for Embedded Heaters
6:27
Device Testing: Calibrating LDV and Test Setup
9:19
Device Testing: Testing 68μm Long MEMS Filters via LDV
10:32
Device Testing: Higher Mode Measurement
11:01
Avoiding Device Failures
11:45
Avoiding Failures: High Thermal Stress and Burning
12:10
Boosting The Tuning Capability
13:16
Results
14:07
Conclusion
