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

Filter sind sehr beliebt und werden häufig in der Empfänger- und Sendersequenz in der drahtlosen Kommunikation verwendet. Darüber hinaus sind Gassensoren, Biosensoren und Temperatursensoren die beliebtesten Anwendungen. Diese anspruchsvollen Filter sollten im CMOS-MEMS-Prozess hergestellt werden, um sowohl eine zuverlässigere Fertigung als auch ein rauscharmes Signaldesign zu unterstützen, indem die zusätzlichen Drähte zwischen zwei separaten Chips eliminiert werden.

CMOS steht dabei für komplementäre Metalloxid-Halbleiter und MEMS für mikroelektromechanische Systeme und Sensoren. Darüber hinaus sollte der Nachbearbeitungsprozess so gestaltet werden, dass eine Haftreibung während des Herstellungsprozesses vermieden wird. Eine bekannte Methode zur Messung der Resonanz der MEMS-Resonatoren ist die Verwendung von Netzwerkanalysatoren, aber es ist aus folgenden Gründen nicht so leistungsfähig wie die Laser-Doppler-Vibrometer-Technik.

Eine der großen Herausforderungen bei der Netzwerkanalysatormethode besteht darin, die parasitäre Kapazität zu eliminieren. Ich sehe, dass das Design-Tool verwendet wurde, um den Frequenz- und Phasengang der Ersatzschaltung für einen 120 Mikrometer langen Strahl zu vergrößern. Diese zwei Watt Spitze-zu-Spitze-Wert sanken drastisch von 6 dB auf 0,34 dB, selbst wenn die parasitäre Kapazität von einem Femtofarad auf 20 Femtofarad anstieg.

Aus diesem Grund ist ein Chip-up-to-Fire-Design nur knapp neben den maximalen Resonatoren erforderlich. Das Laser-Doppler-Vibrometer ist eine weitere Methode, bei der ein Laser verwendet wird, um die Schwingung der Strahlen zu erfassen, wenn sie in Resonanz stehen. Im Gegensatz zu Netzwerkanalysatoren beseitigt die Laser-Doppler-Vibrometer-Technik das Problem der parasitären Kapazität.

Darüber hinaus kann es eine Resonanz höherer Moden detektieren, was viele Vorteile in verschiedenen Forschungsbereichen wie z.B. biosensitiven Anwendungen mit sich bringt und im Gegensatz zu Netzwerkanalysatoren viel kleinere Resonatoren charakterisieren kann. Dies ermöglicht ein schnelles Prototyping und empfindlichere und genauere Resonatoren, insbesondere in biosensiblen Anwendungen. Das Ziel dieser Studie ist es, eine Richtlinie zu erstellen, um nach dem Design zu demonstrieren, die Frequenzabstimmung zu messen, die Abstimmfähigkeit abzustimmen und den dualen festen und festen Strahl durch die Verwendung von Laser-Doppler-Vibrometern zu vermeiden.

Der Prozess beginnt mit der Suche nach der optimalen Struktur. Ausgewählter, fester/fester Strahl bei der zweiten Weitbereichs-Frequenzabstimmung, da der feste/feste Strahl im Vergleich zu anderen Kandidaten aufgrund seines großen Temperaturkoeffizienten der Frequenz und der individuellen Wärmeausdehnungskonstante eine Weitbereichsabstimmung ermöglicht, wenn er erhitzt wird. Entwerfen Sie einen längeren Strahl, wenn der Zweck darin besteht, die Effizienz besser abzustimmen.

Entwerfen Sie einen kürzeren Strahl, wenn es sich um Frequenzsprung- oder Signalverfolgungsanwendungen handelt. Entwerfen und erstellen Sie das 3D-Modell für den MEMS-Feeder in einem auf Finite-Elementar-Basis basierenden Programm. Rekonstruieren Sie das gleiche Layout in einem Designtool für integrierte Schaltkreise Schicht für Schicht, um die GDS-Datei zu erstellen.

Senden Sie diese GDS-Datei zur Fertigung an die CMOS-Gießerei. Hier verwenden wir die CMOS 0,6 Mikron Technologie. Sobald der CMOS-Prozess abgeschlossen ist, sollten die Chips mit Polysilizium-, Aluminium- und Oxidschichten versehen sein.

Der nächste Schritt besteht darin, die Nachbearbeitungsschritte durchzuführen. Führen Sie den CHF302-Trockenätzprozess über ein ICPH-System durch, bei dem Siliziumdioxid zwischen Aluminiumschichten angeordnet wird, um die Balken im Seitenverhältnis von 5,7 zu bilden. Verwenden Sie für diesen Vorgang die folgenden Parameter.

CHF3 bei 40sccm, Sauerstoff bei 5sccm, Druck bei 0,5 pascal, ICP-Leistung bei 500 Watt, Probenleistung bei 100 Watt mit der Gesamtätzzeit von 56 Minuten. Wenden Sie das Xenonfluorid-Ätzverfahren auf das Siliziumsubstrat an, um einen neun Mikrometer tiefen Hohlraum unter den Strahlen zu erzeugen. Verwenden Sie für diesen Prozess ein Xenonfluorid-Ätzsystem für drei Zyklen bei drei Torr für 60 Sekunden pro Zyklus.

Charakterisieren Sie die Geräte unter ECM, um sicherzustellen, dass sie ordnungsgemäß hergestellt sind. Ändern Sie für diesen Schritt die Beschleunigungsspannung des Strahls auf 2,58 Kilovolt und den Arbeitsabstand auf 9,5 Millimeter. Die Geräteprüfung besteht aus vielen Schritten, einschließlich des Joule-Erwärmungstests und des Frequenzgangtests.

Platzieren Sie die Wärmebildkamera auf dem Chip und testen Sie die Umgebungsheizungen, um sicherzustellen, dass sie die Strahlen erwärmen. Schließen Sie das Netzteil an das Chipgehäuse an, um eine Gleichspannung zwischen 0 Volt und 5,7 Volt an eingebettete Heizungen mit kleinen Schritten anzulegen, um die Temperatur in den Strahlen zu erhöhen. Zeichnen Sie mit Ihrer Wärmebildkamera während des Heizvorgangs das Temperaturprofil im gesamten Chipgehäuse auf und speichern Sie die Ergebnisse in einem numerischen Vervollständigungsprogramm und zeichnen Sie das Heizprofil auf.

Platzieren Sie den Laser auf den 120 Mikrometer langen Strahlen. Verbinden Sie das Netzteil zwischen den beiden 120 Mikrometer langen Strahlen, um etwa sieben, sieben Volt Gleich- und drei Wechselspannung für den Resonanzbetrieb anzulegen. Schließen Sie zusätzliche DC-Bias-Spannung mit maximal 5,7 Volt an die eingebetteten Heizelemente an, um während des Resonanzbetriebs eine Joule-Erwärmung an die Strahlen anzulegen.

Bewegen Sie den Laser an eine andere Stelle auf dem Strahl, um eine lange weniger Laserablenkung zu erhalten. Stellen Sie sicher, dass Sie die Intensität des blauen Balkens erhöhen, um das Rauschen zu verringern. Teilen Sie den Bildschirm in mehrere Ansichten, um die Messeinrichtung zu kalibrieren und zu starten.

Gehen Sie zu den Akquisitionseinstellungen. Stellen Sie den Messmodus auf FFT ein. Verwenden Sie keinen Filter.

Und stellen Sie die Bandbreite auf zwei Megahertz ein. Ändern Sie die Geschwindigkeit, die die maximale Frequenz von 2,5 Megahertz unterstützen kann. Verwenden Sie die periodische Chip-Wellenform.

Dabei steht Amplitude für Wechselspannung und Offset für Gleichspannung. Starten Sie die kontinuierliche Messung mit diesem neuen Setup. Aktualisieren Sie die Erfassungseinstellungen, indem Sie die Gleichspannung auf ein Volt ändern.

Wenn Ref1 roten Alarm anzeigt, bedeutet dies, dass das Signal verrauscht ist. Verringern Sie die angelegte Vorspannung im Fenster mit den Erfassungseinstellungen, um das Problem zu beheben. Bewegen Sie den Laser an einen anderen Punkt des Strahls, um das Signal-Rausch-Verhältnis weiter zu erhöhen.

Manchmal können Sie schlechte Stellen auf dem Balken finden, die einen roten Alarm auf der Vibrationsleiste auslösen. Suchen Sie einfach weiter nach der besten Stelle auf dem Balken. Wählen Sie den 68 Mikrometer langen MEMS-Filter für die Prüfung aus.

Legen Sie 25 Volt Gleichspannung und fünf Volt Wechselspannung zusammen zwischen den beiden 68 Mikrometer langen benachbarten Strahlen an. Hier sorgt die Gleichspannung für die Bandbildung und die Wechselspannung für den Resonanzbetrieb. Legen Sie eine zusätzliche Gleichspannung an die eingebetteten Heizelemente an, die sich im 68 Mikrometer langen Strahl befinden, und erhöhen Sie die Spannung in kleinen Schritten von null Volt auf 5,7 Volt.

Dies ermöglicht eine Frequenzabstimmung auf der Grundlage der Joule-Erwärmung. Beobachten und notieren Sie die Resonanzfrequenz und den Phasengang in Bezug auf die angelegte Vorspannung bei jedem Schritt und fassen Sie die Ergebnisse in einer Tabelle zusammen. Hier beträgt die Gesamtfrequenzabstimmung für diese Probe etwa 874 Kilohertz, wenn 5,7 Volt Gleichspannung an die eingebettete Heizung angelegt werden.

Drücken Sie die A/D-Taste, um zum Fenster mit den Erfassungseinstellungen zu gelangen, das im Abschnitt Kalibrierung von LDV und Test-Setup gezeigt wird, und ändern Sie die Velocity, die sehr hohe Frequenzen unterstützen kann. Messen Sie den ersten und den zweiten Modus mit ihrer Phase. Anlegen eines Rechtecksignals von einem Hertz, um das Haftungsproblem zu lösen, das sich aus einer Geschwindigkeitsaufladung von zwei benachbarten Strahlen ergibt.

Gehen Sie zur Registerkarte "Generator" und wählen Sie eine Rechteckwellenform im Dropdown-Menü "Wellenform" aus. Gehen Sie zur Offset-Box und stellen Sie die Gleichspannung auf ein Volt ein. Gehen Sie zur Frequenzbox und stellen Sie die Frequenz auf ein Hertz ein.

Aktivieren Sie diese neuen Einstellungen, und wenden Sie sie auf die Balken an. Beobachten Sie den Abstand der Balken. Verwenden Sie eine zusätzliche Probe für den thermischen Belastungstest.

Erhöhen Sie die angelegte Vorspannung an der eingebetteten Heizung in kleinen Schritten, um die maximal zulässige Spannung zu finden, bevor das Gerät aufgrund hoher thermischer Belastung ausfällt. Legen Sie eine Gleichspannung von 25 Volt und fünf Volt Wechselspannung zusammen zwischen zwei benachbarten Strahlen von 68 Mikrometern an, während Sie die angelegte Vorspannung an der eingebetteten Heizung von 0 Volt auf 5,7 Volt erhöhen, um eine Frequenzverschiebung von insgesamt 661 Kilohertz zu erhalten. Erhöhen Sie die angelegte Vorspannung von 25 Volt auf 35 Volt, um einen zusätzlichen Erweichungseffekt zwischen den beiden 68 Mikrometer langen benachbarten Strahlen hinzuzufügen, während Sie eine Wechselspannung von einem Volt anlegen und die gleiche Vorspannungseinstellung an den eingebetteten Heizelementen beibehalten.

Erfassen Sie die Verbesserung der Gesamtfrequenzverschiebung um 32 %, da sie von 661 Kilohertz auf 875 Kilohertz ansteigen sollte, die durch diesen zusätzlichen Weichmachereffekt entsteht. Eine Weitbereichsfrequenzabstimmung mit dem Anlegen einer angelegten Bias-Spannung an die eingebetteten Heizelemente wird erreicht und mit einem Laser-Doppler-Vibrometer verifiziert. Die Resonanzmessung mit höherer Spannung ist für die Resonatoren von entscheidender Bedeutung, da sie vielversprechende Ergebnisse für die hochempfindlichen und genauen Biosensoren liefert.

Das Laser-Doppler-Vibrometer ermöglicht die Hochvoltmessung, die mit einem Netzwerkanalysator fast nicht abgelesen werden kann. Der 5. Modus wurde mit einem Laser-Doppler-Vibrometer gemessen, indem mehrere Punkte auf jedem Strahl gemessen wurden. Die gemessene Modusform zur Beeinflussung von Übereinstimmungen mit den auf der Finite-Elemente-Analyse basierenden Programmergebnissen, die in der rechten Ecke angezeigt werden.

In diesem Video erfahren Sie, wie Sie langwellige, abstimmbare CMOS-MEMS-Filter mit großem Bereich entwerfen, herstellen und charakterisieren. Abstimmbare MEMS-Filter mit großem Bereich sind sehr anspruchsvoll, insbesondere bei der Signalverfolgung und bei Frequenzsprunganwendungen. Aus diesem Grund wird nach der Erhöhung des Abstimmbereichs bei gleichzeitiger Vermeidung des Ausfalls erfolgreich demonstriert, ist es einfach anzuwenden und wiederholbar.

Methoden zur Vermeidung häufiger Probleme wie Brennen und Haftreibung werden im Interesse der Zuverlässigkeit und kostengünstigen Herstellung erfolgreich demonstriert. Zur Charakterisierung wird die Überlegenheit von Laser-Doppler-Vibrometern oder Netzwerkanalysatoren erfolgreich demonstriert. um nicht nur das Striping im fünften Modus zu ermöglichen, sondern auch die Spitzentechnologie für tragbare Biosensoren und für die Früherkennung von HIV zu ermöglichen.