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

Los filtros son muy populares y ampliamente utilizados en la secuencia de receptores y transmisores en la comunicación inalámbrica. Además, los sensores de gas, biosensores y sensores de temperatura son la aplicación más popular. Estos filtros de alta exigencia deben fabricarse en el proceso CMOS MEMS para respaldar tanto una fabricación más confiable como un diseño de señal de bajo ruido al eliminar los cables adicionales entre dos chips separados.

Aquí, CMOS significa semiconductor de óxido metálico complementario y MEMS significa sistemas y sensores microelectromecánicos. Además, el proceso posterior debe diseñarse de manera que se evite la fricción durante el proceso de fabricación. Un método bien conocido para medir la resonancia de los resonadores MEMS es el uso de un analizador de red, pero no es un método tan poderoso como la técnica del vibrómetro láser doppler debido a las siguientes razones.

Uno de los grandes desafíos con el método del analizador de redes es eliminar la capacitancia parásita. Veo que se utilizó una herramienta de diseño para aumentar la respuesta de frecuencia y fase del circuito equivalente para un haz de 120 micras de largo. Estos dos vatios de valor pico a pico disminuyeron drásticamente de 6 dB a 0,34 dB, incluso cuando la capacitancia parásita aumentó de un femtofaradio a 20 femtofaradios.

Es por eso que esto requiere un diseño de chip para disparar justo al lado de los resonadores máximos. El vibrómetro láser doppler es otro método que utiliza un láser para detectar la vibración de los haces cuando resuenan. A diferencia del analizador de redes, la técnica de vibrómetro láser Doppler elimina el problema de la capacitancia parásita.

Además, puede detectar una resonancia de modo más alto que aporta muchas ventajas en diferentes áreas de investigación, como aplicaciones biosensibles, y puede caracterizar resonadores mucho más pequeños en contraste con el analizador de redes. Esto permite la creación rápida de prototipos y resonadores más sensibles y precisos, especialmente en aplicaciones biosensibles. El objetivo de este estudio es proporcionar una guía para demostrar después del diseño, medir la sintonización de frecuencia, ajustar la capacidad de sintonización, evitar el haz fijo-fijo de doble ficción mediante el uso de vibrómetro láser doppler.

El proceso comienza con la búsqueda de la estructura óptima. Seleccione un haz fijo-fijo en la segunda sintonización de frecuencia de amplio rango porque el haz fijo-fijo en comparación con otros candidatos permite un ajuste de amplio rango cuando se calienta debido a su gran coeficiente de temperatura de frecuencia y constante de expansión térmica individual. Diseñe un haz más largo si el propósito es una mejor eficiencia de ajuste.

Diseñe un haz más corto si el propósito es el salto de frecuencia o las aplicaciones de seguimiento de señales. Diseñar y crear el modelo 3D para el alimentador MEMS en un programa basado en elementos finitos. Vuelva a construir el mismo diseño en una herramienta de diseño de circuitos integrados capa por capa para crear el archivo GDS.

Envíe este archivo GDS a la fundición CMOS para su fabricación. En este caso, utilizamos la tecnología CMOS de 0,6 micras. Una vez completado el proceso CMOS, los chips deben venir con capas de polisilicio, aluminio y óxido.

El siguiente paso es llevar a cabo los pasos posteriores al proceso. Lleve a cabo el proceso de grabado en seco CHF302 a través de un sistema ICPH, que es dióxido de silicio entre capas de aluminio para formar los haces en la relación de aspecto de 5,7. Para este proceso, utilice los siguientes parámetros.

CHF3 a 40 sccm, oxígeno a 5 sccm, presión a 0,5 pascales, potencia ICP a 500 vatios, potencia de muestra a 100 vatios con el tiempo total de grabado de 56 minutos. Aplique el proceso de grabado de fluoruro de xenón en el sustrato de silicio para crear una cavidad de nueve micrómetros de profundidad debajo de las vigas. Para este proceso, utilice el sistema de grabado de fluoruro de xenón durante tres ciclos a tres torr durante 60 segundos por ciclo.

Caracterice los dispositivos bajo ECM para asegurarse de que se fabrican correctamente. Para este paso, cambie el voltaje de aceleración del haz a 2,58 kilovoltios y la distancia de trabajo a 9,5 milímetros. La prueba del dispositivo consta de muchos pasos, incluida la prueba de calentamiento en joule y la prueba de respuesta de frecuencia.

Ubique la cámara térmica en la parte superior del chip y pruebe los calentadores ambientales para asegurarse de que calientan los haces. Conecte la fuente de alimentación al paquete de chips para aplicar un voltaje de CC en calentadores integrados entre 0 voltios y 5.7 voltios con pequeños incrementos para aumentar la temperatura en todos los haces. Registre el perfil de temperatura en todo el paquete de chips con su cámara térmica durante el proceso de calentamiento y guarde los resultados en un programa de finalización numérico y trace el perfil de calentamiento.

Ubique el láser en la parte superior de los haces de 120 micrómetros de largo. Conecte la fuente de alimentación entre los dos haces de 120 micras de largo para aplicar aproximadamente siete voltios de CC de siete voltios y tres voltajes de CA para la operación de resonancia. Conecte el voltaje de polarización de CC adicional a los calentadores integrados con un máximo de 5.7 voltios para aplicar calentamiento en joule a los haces durante la operación de resonancia.

Mueva el láser a un punto diferente del haz para obtener una deflexión láser más larga. Asegúrese de aumentar la intensidad de la barra azul para disminuir el ruido. Divida la pantalla en varias vistas para calibrar e iniciar la configuración de la medición.

Ve a la configuración de adquisición. Establezca el modo de medición en FFT. No utilice ningún filtro.

Y configura el ancho de banda a dos megahercios. Cambie la velocidad que puede soportar la frecuencia máxima de 2,5 megahercios. Utilice la forma de onda periódica del chip.

Aquí, la amplitud representa el voltaje de CA y el desplazamiento representa el voltaje de CC. Inicie la medición continua con esta nueva configuración. Actualice la configuración de adquisición cambiando el voltaje de CC a un voltio.

Cuando Ref1 muestra una alarma roja, significa que la señal es ruidosa. Disminuya el voltaje de polarización aplicado en la ventana de configuración de adquisición para solucionar el problema. Mueva el láser a diferentes puntos del haz para obtener un mayor aumento en la relación señal/ruido.

A veces puede encontrar puntos defectuosos en el haz que provoquen una alarma roja en la barra de vibración. Solo sigue buscando el mejor lugar en la viga. Seleccione el filtro MEMS de 68 micras de largo para la prueba.

Aplique un voltaje de CC de 25 voltios y un voltaje de CA de cinco voltios juntos entre las dos vigas adyacentes de 68 micras de largo. Aquí, el voltaje de CC proporciona bandas y el voltaje de CA permite la operación de resonancia. Aplique un voltaje de CC adicional a los calentadores integrados ubicados en el haz de 68 micras de largo y aumente el voltaje de cero voltios a 5.7 voltios con pequeños incrementos escalonados.

Esto proporcionará un ajuste de frecuencia basado en el calentamiento de julios. Observe y registre la frecuencia de resonancia y la respuesta de fase con respecto al voltaje de polarización aplicado en cada paso y resuma los resultados en una tabla. Aquí, el ajuste de frecuencia total para esta muestra es de alrededor de 874 kilohercios cuando se aplica un voltaje de CC de 5,7 voltios al calentador integrado.

Presione el botón A / D para ir a la ventana de configuración de adquisición que se muestra en la sección de configuración de prueba y calibración de LDV y cambie la velocidad que puede soportar frecuencias muy altas. Mide el primer y el segundo modo con su fase. Aplique una señal de onda cuadrada de un hercio para resolver el problema de fricción resultante de una carga de velocidad de dos haces adyacentes.

Ve a la pestaña del generador y selecciona una forma de onda cuadrada en el menú desplegable de forma de onda. Vaya a la caja de compensación y configure el voltaje de CC a un voltio. Vaya al cuadro de frecuencia y establezca la frecuencia en un hercio.

Active y aplique esta nueva configuración en las vigas. Observa la separación de las vigas. Utilice una muestra adicional para la prueba de estrés térmico.

Aumente el voltaje de polarización aplicado en el calentador integrado con un pequeño incremento para encontrar el voltaje máximo permitido antes de que falle el dispositivo debido a un alto estrés térmico. Aplique un voltaje de CC de 25 voltios y un voltaje de CA de cinco voltios juntos entre dos haces adyacentes de 68 micras mientras aumenta el voltaje de polarización aplicado en el calentador integrado de 0 voltios a 5.7 voltios para obtener un cambio de frecuencia total de 661 kilohercios. Aumente el voltaje de polarización aplicado de 25 voltios a 35 voltios para agregar un efecto de ablandamiento adicional entre los dos haces adyacentes de 68 micras de largo mientras aplica un voltaje de CA de un voltio y mantiene la misma configuración de voltaje de polarización en los calentadores integrados.

Registre la mejora del 32% en el cambio de frecuencia total, ya que debería aumentar de 661 kilohercios a 875 kilohercios proveniente de este efecto de suavizado adicional. El ajuste de frecuencia de amplio rango con la aplicación de voltaje de polarización aplicado a los calentadores integrados se logra y verifica con vibrómetro láser doppler. La medición de resonancias de mayor voltaje es muy crucial para los resonadores, ya que ofrece resultados prometedores para los biosensores de alta sensibilidad y precisión.

El vibrómetro láser Doppler permite la medición de alto voltaje que casi no es posible leer con el analizador de red. El 5º modo se midió con vibrómetro láser doppler midiendo múltiples puntos en cada haz. La forma del modo medido para afectar coincide con los resultados del programa basados en el análisis de elementos finitos que se muestran en la esquina derecha.

Este video enseña cómo diseñar, fabricar y caracterizar filtros MEMS CMOS sintonizables de amplio rango y ondas largas. Los filtros MEMS sintonizables de amplia gama son muy exigentes, especialmente en aplicaciones de seguimiento de señal y salto de frecuencia. Es por eso que después de aumentar el rango de afinación y evitar la falla, se demuestra con éxito, es fácil de aplicar y repetible.

Los métodos para evitar problemas comunes como la combustión y la fricción se demuestran con éxito en aras de la confiabilidad y la fabricación de bajo costo. Con fines de caracterización, se demuestra con éxito la superioridad del vibrómetro láser doppler o del analizador de red. no solo para habilitar el rayado de quinto modo, sino también para habilitar la tecnología de vanguardia para biosensores portátiles y para el diagnóstico temprano, como el VIH.