Diseño y metodología de caracterización para filtros de MEMS Tunable eficiente toda la gama

Summary

Se presenta un protocolo para un diseño de viga fija fija usando un Vibrómetro Doppler láser (LDV), incluyendo la medición de la frecuencia de sintonización, modificación de ajuste de capacidad y ausencia de fallo del dispositivo y cohesión. Se demuestra la superioridad del método LDV sobre el analizador de red debido a su mayor capacidad de modo.

Abstract

Aquí, demostramos las ventajas del Vibrómetro Doppler láser (LDV) sobre las técnicas convencionales (el analizador de redes), así como las técnicas para crear un filtro de sistemas (MEMS) basado en la aplicación micrométrica y cómo utilizarlo de manera eficiente) es decir, la capacidad de ajuste de ajuste y evitar el fracaso y cohesión). LDV permite medidas cruciales que son imposibles con el analizador de redes, tales como detección de modo mayor (aplicación de biosensores de alta sensibilidad) y medida de la resonancia para dispositivos muy pequeños (prototipado rápido). Por consiguiente, LDV fue utilizado para caracterizar la gama de sintonización de frecuencia y la frecuencia de resonancia en diferentes modos de los filtros de MEMS construidos para este estudio. Este mecanismo de ajuste de frecuencia de amplia gama se basa simplemente en Joule de la calefacción de los calentadores integrados y estrés térmico relativamente alto con respecto a la temperatura de un rayo fijo fijo. Sin embargo, demostramos que otra limitación de este método es la alta tensión térmica resultante, que puede quemar los dispositivos. Otra mejora fue alcanzado y demostrado por primera vez en este estudio, que la capacidad de sintonización se incrementó en un 32% a través de un aumento en el voltaje de bias DC aplicado (25 V a 35 V) entre las dos vigas adyacentes. Este importante hallazgo elimina la necesidad del julio extra de calefacción en la amplia gama de sintonización de frecuencia. Otro posible fallo es a través de la cohesión y el requisito de la optimización de la estructura: se propone una técnica sencilla y fácil de aplicación de señal de onda cuadrada de baja frecuencia que puede separar con éxito las vigas y elimina la necesidad de más métodos sofisticados y complicados dados la literatura. Los resultados anteriores requieren una metodología de diseño, y así también proporcionar un diseño basado en la aplicación.

Introduction

Hay una creciente demanda de filtros MEMS debido a su alta fiabilidad, bajo consumo, diseño compacto, factor de alta calidad y bajo costo. Son ampliamente utilizados como sensores y piezas de la base en comunicación inalámbrica. Sensores de temperatura¹, bio-sensores^2,3, sensores de gas⁴, filtros^5,6,7y los osciladores son las más populares áreas de aplicación. Los más populares Filtros electrostáticos de MEMS son haz fijo-fijo^5,8, voladizo², diapasón⁶, libre de la viga^6,7, diseño a la flexión en disco⁷, y forma cuadrada de diseño⁹.

Hay muchos pasos críticos en la realización de un filtro de MEMS, como metodología de diseño (optimización de la estructura basado en la aplicación, frecuencia de amplia gama de sintonización y evitar los fallos) y caracterización (prototipado rápido, evitar parásitos capacitancias y modos de detección más alto). Capacidad de ajuste de frecuencia es necesaria para compensar los cambios de frecuencia debido a las tolerancias de fabricación, o las variaciones de temperatura ambiente. Diferentes técnicas^10,11,12 se han divulgado en la literatura para abordar este requisito; sin embargo, tienen algunos inconvenientes como la limitada frecuencia de ajuste de capacidad, frecuencia central baja, puesto adicional de procesamiento requisitos y sistema de calentamiento externo^10,11.

En este estudio presentamos la amplia gama de sintonización de frecuencia por el Joule calefacción método^5,13 sobre una limitada frecuencia de afinación rango mediante un módulo de elasticidad cambiar¹² (aumento de la tensión diagonal entre dos vigas adyacentes) y un material de la fase transición método^10,11. Por otra parte, la selección de la estructura y el diseño basado en la aplicación fueron resumidos en el Göktaş y Zaghloul¹³. Aquí, nos enseña a sintonizar la frecuencia de resonancia de un haz de luz fijo-fijo incrementando el voltaje de DC aplicado al calentador integrado con la ayuda de la LDV. La simulación de elementos finitos (FEM) de análisis está sincronizada con la medición de LDV en el mismo marco para visualizar el mecanismo de ajuste. Esto incluye el julio calefacción y perfil a lo largo de la viga de flexión.

También presentamos las posibles faltas (dispositivos quemados y cohesión) y sus soluciones propuestas. El método en combinación con la alta tensión térmica de la viga fijo-fijo de calefacción de julio ofrece amplia gama de sintonización de frecuencias pero al mismo tiempo puede resultar en dispositivos quemados en un cierto nivel de temperatura. Esto se atribuye a la alta tensión térmica entre diferentes materiales¹⁴. La solución es aumentar la tensión entre las dos vigas adyacentes, que a su vez aumenta la gama de ajuste (32%) y elimina la necesidad de alta temperatura. Este método de "ajuste de la gama de adaptación" primero fue demostrado en Göktaş y Zaghloul⁵, explican con más detalle en Göktaş y Zaghloul¹³y representado aquí. Cohesión, por otro lado, puede ocurrir durante la operación de fabricación proceso o resonancia. Ha habido muchas técnicas propuestas para abordar este problema como aplicación de recubrimiento para reducir la adherencia energía^15,16, aumento de rugosidad de la superficie de¹⁷y el láser reparación proceso¹⁸. Por el contrario, presentamos una técnica sencilla donde una señal de onda cuadrada de baja frecuencia se aplicó entre dos vigas de atado y la separación fue grabada con éxito por LDV. Este método puede eliminar extra coste y la complejidad del diseño.

Otro paso fundamental en la construcción de un filtro de MEMS de vanguardia es la caracterización y verificación. Caracterización con un analizador de red es uno de los métodos más populares y ampliamente utilizados; sin embargo, tiene algunas desventajas. Capacitancia parásita pequeña puede matar la señal y esto generalmente requiere un amplificador circuito^3,6,8 para eliminación de ruido, y sólo pueden detectar primera resonancia del modo. Por otro lado, caracterización con LDV está libre de este problema de capacitancia parásita y puede detectar mucho más pequeño desplazamiento. Esto permite el prototipado rápido, eliminando la necesidad de diseño de amplificadores de. Además, LDV puede detectar mayor resonancia modo de filtros de MEMS. Esta característica es muy prometedor, especialmente en el campo de los biosensores de alta sensibilidad. Un modo de voladizo mayor puede proporcionar mucha más sensibilidad¹⁹. La mayor medición de modo de un haz de luz fijo-fijo con LDV se muestra y se aplica a la medida de la Simulación FEM. Los resultados prematuros de la Simulación FEM ofrecen hasta 46 veces mejora en sensibilidad en comparación con el primer modo de la viga fija fija.

Protocol

1. selección y diseño de una estructura

1. Seleccione el rayo fijo-fijo para la sintonización de frecuencia amplia (en comparación con otros candidatos, permite amplia gama ajuste cuando se calienta debido a su coeficiente de temperatura grande de frecuencia (TVC) y la constante expansión térmica insignificante).
2. Diseño de una viga más larga si el objetivo es afinar la mejora de la eficiencia. Diseño de una viga más corta si el propósito es la lupulización de frecuencia o señal de aplicaciones de rastreo.

2. modelado y fabricación de Semiconductor de óxido metálico complementario (CMOS)

1. Diseñar y crear el modelo 3D para el filtro de MEMS en un programa basado en el FEM.
2. Reconstruir el mismo diseño en una herramienta de diseño de circuito integrado (IC), capa por capa para crear el archivo de gds.
3. Enviar este archivo de gds para la fundición CMOS para la fabricación (que utilizan tecnología de 0.6 μm CMOS).
4. Continuar con el procesamiento posterior una vez finalizado el proceso CMOS (nota que las fichas deben tener capas de polisilicio, aluminio y óxido).
   1. Conducta el CHF₃/O₂ seco etch proceso mediante un plasma acoplado inductivamente (ICP) etch sistema. Grabar el SiO₂ entre las capas de aluminio y forma de las vigas en la relación de aspecto de 5.7. Para ello, utilice los siguientes parámetros: CHF₃ en 40 sccm, O₂ a 5 sccm, presión a 0,5 Pa, potencia ICP de 500 W y la potencia de muestra en 100 W con 56 min total etch tiempo.
   2. Aplicar el XeF₂ grabar el proceso en el sustrato de silicio para crear una cavidad de profundidad 9 μm bajo las vigas. Para este proceso, el uso el XeF₂ sistema de grabado de 3 ciclos en 3T, 60 s/ciclo.
5. Caracterizan a los dispositivos con un microscopio electrónico de barrido (SEM) para asegurarse de que están correctamente fabricados. Para este paso, cambiar la viga aceleración de voltaje a 2.58 kV y la distancia de trabajo a 9,5 mm.

3. dispositivo de prueba

Nota: Dispositivo de prueba consisten en muchos pasos entre el julio y frecuencia respuesta prueba de calefacción.

1. Prueba de cámara térmica para calentadores integrados
   1. Colocar la cámara térmica en la parte superior del chip y probar los calentadores integrados para asegurar que los rayos de calor.
   2. Conecte la fuente de alimentación para el paquete de la viruta y aplique un voltaje de DC en los calentadores integrados de 0 V a 5,7 V en incrementos pequeños para aumentar la temperatura a lo largo de las vigas.
   3. Registrar el perfil de temperatura en todo el paquete de la viruta a través de una cámara térmica durante el proceso de calentamiento. Guardar los resultados en un programa de cálculo numérico y trazar el perfil de calefacción.
2. Calibración de la configuración de LDV y prueba
   1. Coloque el láser en la parte superior las vigas largas de 120 μm.
   2. Conecte la fuente de alimentación entre las vigas largas de dos 120 μm para aplicar tanto 7 V DC y 3 tensión de V para el funcionamiento de la resonancia. Conecte una tensión bias DC adicional a los calentadores integrados con un máximo de 5,7 V aplicar Joule a las vigas de la calefacción durante la operación de resonancia.
   3. Mover el láser a un lugar diferente en la viga para obtener una reflexión de láser de bajo nivel de ruido. Asegúrese de aumentar la intensidad de la barra azul para disminuir el ruido.
   4. Dividir la pantalla en varias vistas para calibrar y comenzar la instalación de medición.
   5. Vaya a configuración de la adquisición, el modo de medición a FFT, no usar ningún filtro y el ancho de banda a 2 MHz.
   6. Cambiar la velocidad que puede soportar una frecuencia máxima de 2,5 MHz.
   7. Utilice la forma de onda periódica chirp.
      Nota: Aquí, amplitud significa tensión y Offset de tensión.
   8. Iniciar la medición con esta nueva configuración.
   9. Actualizar los parámetros de adquisición cambiando la tensión de CC a 1 V.
   10. Disminución de la tensión diagonal en la ventana de configuración de la adquisición cuando la referencia1 muestra la alarma roja (esto significa que la señal es ruidosa).
   11. Mover el láser a un lugar diferente en la viga para aumentar la relación señal a ruido. Ocasionalmente, puede haber manchas mal en el rayo que causa la alarma roja en la barra de vibración; en este caso, seguir buscando el mejor lugar.
3. Prueba 68 μm largo MEMS filtros través de LDV
   1. Seleccione el filtro de MEMS largo de 68 μm para las pruebas.
   2. Aplicar 25 voltaje V y 5 V tensión de juntas entre las vigas de largos adyacentes de dos 68 μm. Aquí, la tensión de CC proporciona flexión y la tensión permite el funcionamiento de la resonancia.
   3. Aplicar una tensión adicional a los calentadores embebidos en el haz largo de 68 μm y aumentar el voltaje de 0 V a 5,7 V en pequeños incrementos. Esto dará una sintonización de frecuencias basado en el julio de calefacción.
   4. Observar y registrar la frecuencia de resonancia y la respuesta de fase con respecto a la tensión diagonal en cada paso y resumir los resultados en una tabla. Aquí, la sintonización de frecuencia total de esta muestra es alrededor de 874 kHz cuando se aplica el voltaje de C.C. de V 5.7 el calentador incorporado.
      Nota: Simulaciones (lado derecho) y la medida real (en el lado de izquierdas) se sincronizan.
4. Mayor medida de modalidades
   1. Pulse el botón A/D para ir a la ventana de configuración de adquisición demostrada en la sección 3.2 y cambiar la velocidad que puede soportar muy altas frecuencias.
   2. Medir el primero y el segundo modo con su fase.
      Nota: El desplazamiento de resonancia primaria está en la dirección Y para el modo 1 y es en la dirección Z (que es hacia el microscopio) para modo-2.

4. evitar fallo en el dispositivo

1. Aplicación de señal de onda cuadrada de baja frecuencia para resolver la cohesión
   1. Se aplica una señal de onda cuadrada de 1Hz para resolver el problema de la cohesión que resulta de la carga electrostática entre las dos vigas adyacentes.
   2. Ir a la caja de compensación y fijar el voltaje de CC a 1 V, manteniendo la tensión de 1 V.
   3. Ir al cuadro de frecuencia y establecer la frecuencia de 1 Hz.
   4. Activar y aplicar esta nueva configuración en las vigas.
   5. Observar la separación de las vigas.
2. Alto estrés térmico y la quema
   1. Uso adicional de la muestra para la prueba de estrés térmica.
   2. Aumentar la tensión diagonal en el calentador integrado por incrementos pequeños para encontrar la tensión máxima permitida antes de la falla debido al alto estrés térmico.

5. aumentar la capacidad de sintonización

1. Aplicar una tensión V DC 25 y voltaje de CA de 5 V juntos entre las vigas adyacentes dos 68 μm mientras aumenta la tensión diagonal en el calentador incorporado de 0 V a 5,7 V, para un desplazamiento total de la frecuencia de kHz 661.
2. Aumentar la tensión diagonal de 25 V a 35 V añadir un resorte adicional suavizado efecto entre las vigas adyacentes mucho dos 68 μm, mientras que aplicando una tensión de V 1 y manteniendo la misma configuración de tensión diagonal en los calentadores integrados.
3. Registrar la mejora de 32% en desplazamiento de la frecuencia total ya que debe aumentar de 661 kHz kHz 875 procedentes de esta fuente adicional efecto de ablandamiento.
   Nota: Al mejor de nuestro conocimiento, cambiar la capacidad de sintonización de los resonadores MEMS fue alcanzada por primera vez en este trabajo.

Results

Se evitó la cohesión mediante la aplicación de la señal de onda cuadrada de baja frecuencia y esto fue verificado mediante el uso de LDV (figura 1). Posible fallo debido a la alta tensión termal¹⁴ al aplicar tensión diagonal relativamente mayor a los calentadores integrados se verificó bajo microscopio (figura 2). El programa FEM se utilizó para derivar los modos superiores de la viga (

Discussion

Uno de los pasos críticos en la construcción de filtros de MEMS es diseñar el dispositivo basado en el área de aplicación. La viga debe ser mayor o más fino para templar mejor eficiencia (ppm/mW), pero más cortas y delgadas para la lupulización de frecuencia o señal de aplicaciones de rastreo. De la misma manera, detección de señal clara por LDV es fundamental en el dispositivo de prueba que es por eso que es mejor para el diseño de la viga con al menos 3-4 μm de grosor. De lo contrario la señal de ruido, incluso con un ...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Vibrómetro Doppler láser	Polytec	Polytec MSA-500
Microscopio electrónico de barrido	Zeiss
	Egilent	(E3631A)
Microscopio	X
Coventor	Herramienta de simulación	Coventor
Cadencia Virtuoso	Cadencia		Herramienta
simulación	Multisim	Multisim