Design und Charakterisierung Methodik für effiziente Weitbereichs-abstimmbaren MEMS-Filter

Summary

Ein Protokoll für eine feste-feste Strahl-Design mit einem Laser Doppler Vibrometer (LDV), einschließlich der Messung der Frequenz tuning, Modifikation des Tunings-Fähigkeit und Vermeidung von Geräteausfall und Stiction, wird vorgestellt. Die Überlegenheit der LDV-Methode über die Netzwerk-Analyzer ist aufgrund seiner höheren Modus Fähigkeit unter Beweis gestellt.

Abstract

Hier zeigen wir die Vorteile der Laser-Doppler-Vibrometer (LDV) über konventionelle Techniken (Netzwerk-Analyzer) sowie die Techniken, um eine anwendungsorientierte mikroelektromechanische Systeme (MEMS) Filter wie es effizient zu nutzen () erstellen und d. h., tuning tuning-Funktion und Fehler und Stiction zu vermeiden). LDV ermöglicht wichtige Messungen, die mit der Netzwerk-Analyzer, wie höhere Modus Erkennung (hochempfindliche Biosensor-Anwendung) und Resonanz-Messung für sehr kleine Geräte (schnelles Prototyping) nicht möglich sind. Dementsprechend wurde LDV verwendet, um die tuning Frequenzbereich und die Resonanzfrequenz in verschiedenen Modi der MEMS-Filter für diese Studie gebaut charakterisieren. Diese breite Palette Frequenz tuning Mechanismus basiert einfach auf Joule Beheizung von eingebetteten Heizungen und relativ hohe thermische Belastung in Bezug auf die Temperatur eines Balkens fest fixiert. Wir zeigen jedoch, dass eine weitere Einschränkung dieser Methode ist die daraus resultierende hohe thermische Belastung, die die Geräte verbrennen kann. Weitere Verbesserung wurde erreicht und erstmals in dieser Studie gezeigt, so dass die Tune-Funktion durch eine Erhöhung der angewandten DC Bias-Spannung (25 V bis 35 V) zwischen zwei benachbarten Strahlen 32 % erhöht wurde. Diese wichtige Erkenntnis entfallen zusätzliche Erhitzung bei der breiteren Frequenzbereich tuning Joule. Ein weiteres mögliches Scheitern ist durch Stiction und Anforderung der Strukturoptimierung: Wir bieten eine einfache und leichte Technik der niederfrequenten Rechtecksignal Signal Anwendung, kann erfolgreich die Balken trennen und eliminiert die Notwendigkeit für mehr, anspruchsvolle und komplizierte Methoden in der Literatur gegeben. Die vorstehenden Feststellungen erfordern eine Design-Methodik, und so bieten wir auch eine anwendungsorientierte Design.

Introduction

Es gibt eine wachsende Nachfrage für MEMS-Filter durch ihre hohe Zuverlässigkeit, geringer Stromverbrauch, kompakte Bauweise, hohen Qualitätsfaktor und niedrigen Kosten. Sie sind weit verbreitet als Sensoren und als zentrale Bestandteile in der drahtlosen Kommunikation. Temperatur-Sensoren¹, Bio-Sensoren^2,3, Gas-Sensoren⁴, Filter^5,6,7und Oszillatoren sind die beliebtesten Anwendungsbereiche. Die beliebtesten elektrostatische MEMS-Filter sind fest fixiert Strahl^5,8, Freischwinger², Stimmgabel⁶, frei-freie Träger^6,7, Biege-Disk Design⁷, und quadratische Form Design⁹.

Es gibt viele wichtige Schritte bei der Realisierung von eines MEMS-Filters, wie Design-Methodik (anwendungsorientierte Strukturoptimierung, breites Spektrum Frequenz Abstimmbereich und Ausfälle vermeiden) und Charakterisierung (schnelles Prototyping, Vermeidung von parasitären Kapazitäten und Erkennung von höheren Modi). Frequenz tuning Funktion ist erforderlich, um für jede Frequenzänderungen aufgrund Herstellung Toleranzen oder Umgebungstemperatur Variationen zu kompensieren. Verschiedene Techniken^10,11,12 wurde in der Literatur berichtet, um dieser Anforderung zu entsprechen; Sie haben jedoch einige Nachteile wie begrenzten Frequenz tuning Fähigkeit, niedrige Mittenfrequenz, zusätzliche Post-processing-Anforderungen und externe Heizung^10,11.

In dieser Studie präsentieren wir Ihnen breite Palette Frequenz tuning von Joule Heizung Methode^5,13 über einen begrenzten Frequenz Abstimmbereich über einen Elastizitätsmodul ändern¹² (Erhöhung der DC-Bias-Spannung zwischen zwei benachbarten Strahlen) und eine Material phase Übergang Methode^10,11. Darüber hinaus wurden der Auswahl optimaler Struktur und die anwendungsorientierte Gestaltung in göktas und Zaghloul¹³zusammengefasst. Hier zeigen wir wie Tune die Resonanzfrequenz eines Balkens fest fixiert durch Erhöhung der DC-Spannung auf die integrierte Heizung mit Hilfe der LDV angewendet. Die finite-Elemente-Analyse (FEM)-Simulation wird mit der LDV-Messung im selben Frame aus Gründen der Visualisierung des tuning-Mechanismus synchronisiert. Dazu gehören das Joule Heiz- und Profil in die Balken biegen.

Wir präsentieren auch die mögliche Ausfälle (verbrannten Geräten und Stiction) und ihre Lösungsvorschläge. Heizung-Methode in Kombination mit der hohen thermischen Belastung des Trägers fest fixiert Joule bietet zahlreiche tuning-Frequenz aber zur gleichen Zeit kann verbrannten Geräten auf einem bestimmten Temperaturniveau führen. Dies ist zurückzuführen auf die hohe thermische Belastung zwischen verschiedenen Materialien¹⁴. Die Lösung ist die Gleichspannung zwischen zwei benachbarten Strahlen, die wiederum erhöht den Abstimmbereich (32 %), und eliminiert die Notwendigkeit für hohe Temperatur zu erhöhen. Diese "tuning tuning-Bereich" Methode wurde zuerst demonstrierten in göktas und Zaghloul⁵göktas und Zaghloul¹³näher erläutert und neu vorgestellten. Stiction, kann auf der anderen Seite während der Fertigung Prozess oder Resonanz-Operation erfolgen. Es wurden viele Techniken zur Bewältigung dieses Problems wie die Anwendung Oberflächenbeschichtung zur Verringerung der Adhäsion Energie^15,16, zunehmender Oberflächenrauheit¹⁷und der Laser Reparatur Prozess¹⁸vorgeschlagen. Im Gegensatz dazu stellen wir eine einfache Technik, wo ein Niederfrequenz-Rechtecksignal zwischen zwei angeschlossenen Balken angewendet wurde und die Trennung wurde erfolgreich von LDV aufgezeichnet. Diese Methode beseitigen kann zusätzliche Kosten und Komplexität zu reduzieren.

Ein weiterer wichtiger Schritt beim Aufbau eines State-Of-The-Art-MEMS-Filters ist Charakterisierung und Verifizierung. Charakterisierung mit einem Netzwerk-Analyzer ist eine der beliebtesten und am weitesten verbreiteten Methoden; Es hat jedoch einige Nachteile. Auch kleine parasitäre Kapazität kann das Signal zu töten und so dies in der Regel eine Verstärker-Schaltung^3,6,8 für Lärm Beseitigung erfordert, und es nur erste Modus Resonanz erkennt. Auf der anderen Seite Charakterisierung mit LDV ist frei von dieser parasitäre Kapazität Frage und viel kleinerem Hubraum zu erkennen. Dies ermöglicht schnelles Prototyping, wodurch die Notwendigkeit für Verstärker-Design. Darüber hinaus erkennt LDV höheren Modus Resonanz der MEMS-Filter. Diese Funktion ist sehr vielversprechend, vor allem im Bereich der hochempfindliche Biosensoren. Ein höherer Cantilever-Modus bieten viel mehr Sensibilität¹⁹. Die höheren Modus Messung eines Balkens fest fixiert mit LDV gezeigt und auf FEM-Simulation-Messung angewendet. Die vorzeitige Ergebnisse aus der FEM-Simulation bieten bis zu 46 Mal Verbesserung in der Empfindlichkeit im Vergleich zu den ersten Modus des Strahls fest fixiert.

Protocol

1. Auswahl und Gestaltung einer optimalen Struktur

1. Wählen Sie den fest fixierten Träger für breites Spektrum tuning Frequenz (im Vergleich zu anderen Kandidaten, es ermöglicht breites Spektrum tuning, wenn es, aufgrund seiner großen Temperaturkoeffizienten der Frequenz (TCF) und vernachlässigbar Wärmeausdehnung konstante erhitzt wird).
2. Entwerfen Sie einen längeren Lichtkegel, wenn der Zweck Effizienzsteigerung tuning ist. Entwerfen Sie einen kürzere Balken, wenn der Zweck Frequenzsprung oder Signal tracking-Anwendungen ist.

2. Modellierung und Fertigung in komplementären Metal-Oxide Semiconductor (CMOS)

1. Entwerfen Sie und erstellen Sie das 3D-Modell für die MEMS-Filter in einem FEM-basierten Programm.
2. Rekonstruieren Sie das gleiche Layout in einem integrierten Schaltkreis (IC)-Design-Tool, Schicht für Schicht die Gds-Datei erstellt.
3. Senden Sie dieses Gds-Datei der CMOS-Gießerei für die Fertigung (Wir verwendeten CMOS 0,6 µm-Technologie).
4. Fahren Sie mit Post-processing-sobald die CMOS-Prozess abgeschlossen ist (beachten Sie, dass die Chips Polysilizium, Aluminium und Oxid-Schichten haben sollte).
   1. Verhalten der CHF3/o₂ trocknen Ätzprozess über eine Induktiv gekoppelte Plasma (ICP) Ätzen System. Ätzen Sie der SiO₂ zwischen Aluminiumschichten und bilden Sie die Balken auf das Seitenverhältnis von 5,7. Dabei verwenden Sie die folgenden Parameter: CHF₃ 40 Sccm, O₂ bei 5 Sccm, Druck bei 0,5 Pa, ICP macht bei 500 W und Probe macht bei 100 W mit 56 min. Total etch Zeit.
   2. Gelten die XeF₂ Ätzprozess in der Silizium-Substrat einen 9 µm Tiefe Hohlraum unter den Balken zu erstellen. Dabei verwenden Sie die XeF₂ Ätzen System für 3 Zyklen bei 3 t, für 60 s/Zyklus.
5. Charakterisieren Sie die Geräte mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM), um sicherzustellen, dass sie ordnungsgemäß hergestellt werden. In diesem Schritt ändern die Beschleunigung Spannung auf 2,58 Strahl kV und der Arbeitsabstand bis 9,5 mm.

3. Gerät testen

Hinweis: Test Geräte bestehen aus vielen Stufen einschließlich Heizung und Frequenz Response Test Joule.

1. Wärmebildkamera Test für eingebettete Heizungen
   1. Positionieren Sie die Wärmebildkamera auf dem Chip zu und testen Sie die eingebettete Heizungen um sicherzustellen, dass sie die strahlen Wärme.
   2. Schließen Sie das Netzteil an die Chip-Package und wenden Sie eine Gleichspannung auf die eingebetteten Heizungen von 0 V bis 5,7 V in kleinen Schritten, die zur Erwärmung in die Balken.
   3. Notieren Sie den Temperaturverlauf in der Chip-Paket über eine Wärmebildkamera während der Aufheizvorgang. Speichern Sie die Ergebnisse in einem numerischen EDV-Programm und das Heizprofil plot.
2. Kalibrierung der LDV und Test-setup
   1. Positionieren Sie den Laser auf die 120 µm langen Balken.
   2. Schließen Sie das Netzteil zwischen den zwei 120 µm langen Balken sowohl 7 V DC anwenden und 3 V Wechselspannung für den Resonanz-Betrieb. Verbinden Sie eine zusätzliche DC-Bias-Spannung mit der eingebetteten Heizungen mit maximal 5,7 V Joule Heizung auf den Balken bei der Resonanz-Operation anwenden.
   3. Den Laser an eine andere Stelle auf dem Balken eine rauscharme Laser Reflexion zu bewegen. Achten Sie darauf, erhöhen Sie die Intensität des blauen Balkens um den Lärm zu verringern.
   4. Teilen Sie den Bildschirm in mehrere Ansichten zu kalibrieren und starten Sie den Messaufbau.
   5. Übernahme Einstellungen Sie, setzen Sie den Messmodus, FFT, nicht verwenden Sie jeder Filter, und stellen Sie die Bandbreite bis 2 MHz.
   6. Ändern Sie die Geschwindigkeit, so dass es eine maximale Frequenz von 2,5 MHz unterstützen kann.
   7. Verwenden Sie die periodische Chirp-Wellenform.
      Hinweis: Hier Amplitude steht für Wechselspannung und Offset für Gleichspannung.
   8. Starten Sie die Messung mit diesem neuen Setup.
   9. Aktualisieren Sie die Übernahme Einstellungen, indem Sie ändern die DC-Spannung 1 V.
   10. Die angewandte Vorspannung im Erwerb Einstellungsfenster zu verringern, wenn die Ref1 die rote Alarm (Dies bedeutet zeigt, dass das Signal laut ist).
   11. Bewegen Sie den Laser an eine andere Stelle auf dem Balken, das Signal-Rausch-Verhältnis weiter zu erhöhen. Gelegentlich, liegt möglicherweise schlechte Flecken auf dem Balken, der die rote Alarm auf die Vibration verursacht; in diesem Fall weiterhin für den besten Platz zu suchen.
3. Testen von 68 µm lange MEMS-Filter über LDV
   1. Wählen Sie den 68 µm lange MEMS-Filter zum testen.
   2. 25 V Gleichspannung und 5 V Wechselspannung zwischen den zwei 68 µm lange angrenzenden Balken zusammen anwenden. Hier die DC-Spannung bietet biegen und die Wechselspannung ermöglicht den Resonanz-Betrieb.
   3. Anwenden einer zusätzlichen Gleichspannung, die eingebettete Heizungen in den 68 µm langen Balken gelegt, und erhöhen die Spannung von 0 V bis 5,7 V in kleinen Schritten. Dieses versieht Frequenz tuning basierend auf Joule Heizung.
   4. Beobachten und notieren Sie die Resonanzfrequenz und Phasengang in Bezug auf die angewandte Vorspannung bei jedem Schritt und fasst die Ergebnisse in einer Tabelle. Die Gesamthäufigkeit tuning für dieses Beispiel ist hier etwa 874 kHz bei 5,7 V Gleichspannung auf die integrierte Heizung angewendet wird.
      Hinweis: Simulationen (auf der rechten Seite) und realen Messung (auf der linken Seite) sind synchronisiert.
4. Höhere Modi Messung
   1. Drücken Sie die A/D-Taste, um zum Erwerb Einstellungsfenster demonstrierten in Abschnitt 3.2 gehen und ändern Sie die Geschwindigkeit zu, so dass es zu sehr hohen Frequenzen unterstützen kann.
   2. Messen Sie der erste und der zweite Modus mit ihrer Phase.
      Hinweis: Ist die primäre Resonanz Verschiebung in Y-Richtung für Modus-1 und Mode 2 in Z-Richtung (das auf dem Mikroskop) obliegt.

4. Vermeidung von Geräteausfall

1. Niederfrequenz Rechtecksignal Signal Anwendung Stiction zu lösen
   1. Anwenden einer 1Hz Rechtecksignal das Stiction Problem zu lösen, das durch elektrostatische Aufladung zwischen den zwei benachbarten Balken entsteht.
   2. Gehen Sie zum Feld Offset und die DC-Spannung auf 1 V, unter Beibehaltung der AC-Spannung 1 V.
   3. Gehen Sie zum Feld Frequenz und stellen Sie die Frequenz von 1 Hz.
   4. Aktivieren Sie und wenden Sie dieser neuen Einrichtung auf die Balken an.
   5. Die Trennung der Balken beobachtest.
2. Hohe thermische Belastung und brennen
   1. Verwenden Sie eine zusätzliche Probe für den thermischen Stress-Test.
   2. Erhöhen Sie die angewandte Vorspannung auf dem embedded-Heizung von kleinen Schritten, die maximale zulässige Spannung zu finden, bevor das Gerät aufgrund der hohen thermischen Belastung ausfällt.

5. Förderung der Tuning Funktion

1. Wenden Sie 25 V Gleichspannung und 5 V Wechselspannung zwischen den zwei 68 µm angrenzenden Balken und erhöht die angewandte Vorspannung auf die eingebetteten Heizung von 0 V bis 5,7 V, für eine insgesamt 661 kHz Frequenzverschiebung zusammen an.
2. Erhöhen Sie die angewandte Bias-Spannung von 25 V bis 35 V eine Zusatzfeder Erweichung Effekt zwischen den beiden 68 µm lange angrenzenden Balken, beim Anlegen einer 1 V AC-Spannung und halten die gleiche Vorspannung-Setup auf die eingebetteten Heizungen hinzufügen.
3. Notieren Sie die 32 % Verbesserung in insgesamt Frequenzverschiebung, da es von 661 kHz bis 875 kHz aus dieser Zusatzfeder Erweichung Wirkung erhöhen sollte.
   Hinweis: Nach bestem Wissen und Gewissen, ändern die Tune Fähigkeit der MEMS-Resonatoren zum ersten Mal in diesem Werk gelang.

Results

Stiction wurde durch die Anwendung niederfrequenter Rechtecksignal vermieden und dies wurde verifiziert, indem LDV (Abbildung 1). Mögliches Scheitern aufgrund der hohen thermischen Belastung¹⁴ bei der Anwendung relativ höhere DC Vorspannung auf den eingebetteten Heizelementen ergab sich unter Mikroskop (Abbildung 2). Das FEM-Programm wurde verwendet, um die höheren Modi für den Strahl (

Discussion

Die entscheidenden Schritte beim Aufbau von MEMS-Filter soll die Geräte basierend auf den Einsatzbereich zu entwickeln. Der Strahl sollte länger oder dünner für bessere Stimmung Effizienz (ppm/mW), aber kürzer oder dünner für Frequenzsprung oder Signal tracking-Anwendungen. In der gleichen Weise ist klares Signalerkennung über LDV in Gerät testen, weshalb es besser ist, den Strahl mit mindestens 3-4 µm Dicke zu entwerfen. Sonst wird das Signal laut, sogar mit einer 100 X Objektiv, und es dauert mehrere Punkte, die Tests ...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Laser-Doppler-Vibrometer	Polytec Polytec	MSA-500
Rasterelektronenmikroskop	Zeiss
Wärmebildkamera	X
Netzteil	Egilent	(E3631A)
Microscope	X
Coventor	Coventor		Simulationswerkzeug
Kadenz Virtuoso	Kadenz
Simulationswerkzeug Multisim	Multisim		Simulationswerkzeug