Méthodologie de conception et caractérisation pour filtres MEMS Tunable efficace Wide Range

Les filtres sont très populaires et largement utilisés dans la séquence de récepteurs et d’émetteurs dans la communication sans fil. De plus, les capteurs de gaz, les biocapteurs et les capteurs de température sont les applications les plus populaires. Ces filtres très exigeants doivent être fabriqués dans le processus CMOS MEMS pour prendre en charge à la fois une fabrication plus fiable et une conception de signal à faible bruit en éliminant les fils supplémentaires entre deux puces distinctes.

Ici, CMOS est l’abréviation de semi-conducteur à oxyde métallique complémentaire et MEMS est l’abréviation de systèmes et capteurs microélectromécaniques. De plus, le post-traitement doit être conçu de manière à éviter les frottements pendant le processus de fabrication. Une méthode bien connue pour mesurer la résonance des résonateurs MEMS est l’utilisation d’un analyseur de réseau, mais ce n’est pas une méthode aussi puissante que la technique du vibromètre laser Doppler pour les raisons suivantes.

L’un des grands défis de la méthode d’analyse de réseau est d’éliminer la capacité parasite. Je vois que l’outil de conception a été utilisé pour faire exploser la réponse en fréquence et en phase du circuit équivalent pour un faisceau de 120 microns de long. Ces deux watts crête à crête ont considérablement diminué, passant de 6 dB à 0,34 dB, même lorsque la capacité parasite est passée d’un femtofarad à 20 femtofarad.

C’est pourquoi cela nécessite une puce pour tirer juste à côté des résonateurs maximum. Le vibromètre laser Doppler est une autre méthode qui utilise un laser pour détecter les vibrations des faisceaux lorsqu’ils résonnent. Contrairement à l’analyseur de réseau, la technique du vibromètre laser Doppler élimine le problème de capacité parasite.

De plus, il peut détecter une résonance de mode supérieur qui apporte de nombreux avantages dans différents domaines de recherche tels que les applications biosensibles et peut caractériser des résonateurs beaucoup plus petits par rapport à l’analyseur de réseau. Cela permet un prototypage rapide et des résonateurs plus sensibles et plus précis, en particulier dans les applications biosensibles. Le but de cette étude est de fournir une ligne directrice pour démontrer après la conception, mesurer l’accord de fréquence, régler la capacité d’accordage, éviter le double faisceau fixe à l’aide d’un vibromètre laser Doppler.

Le processus commence par la recherche de la structure optimale. Sélectionnez, faisceau fixe-fixe sur le deuxième réglage de fréquence à large plage, car le faisceau fixe par rapport à d’autres candidats permet un réglage à large plage lorsqu’il est chauffé en raison de son coefficient de température élevé et de sa constante de dilatation thermique individuelle. Concevez un faisceau plus long si le but est une meilleure efficacité de réglage.

Concevez un faisceau plus court si l’objectif est des applications de saut de fréquence ou de suivi de signal. Concevez et créez le modèle 3D pour le chargeur MEMS dans un programme basé sur des éléments finis. Reconstruisez la même disposition dans un outil de conception de circuit intégré couche par couche pour créer le fichier GDS.

Soumettez ce fichier GDS à la fonderie CMOS pour fabrication. Ici, nous utilisons la technologie CMOS 0,6 micron. Une fois le processus CMOS terminé, les puces devraient être livrées avec des couches de polysilicium, d’aluminium et d’oxyde.

L’étape suivante consiste à effectuer les étapes de post-traitement. Effectuez le processus de gravure à sec CHF302 via un système ICPH, qui consiste en du dioxyde de silicium entre des couches d’aluminium pour former les faisceaux dans un rapport d’aspect de 5,7. Pour ce processus, utilisez les paramètres suivants.

CHF3 à 40 sccm, oxygène à 5 sccm, pression à 0,5 pascal, puissance ICP à 500 watts, puissance d’échantillonnage à 100 watts avec le temps de gravure total de 56 minutes. Appliquez le processus de gravure au fluorure de xénon dans le substrat de silicium pour créer une cavité de neuf micromètres de profondeur sous les faisceaux. Pour ce processus, utilisez le système de gravure au fluorure de xénon pendant trois cycles à trois torr pendant 60 secondes par cycle.

Caractérisez les appareils sous ECM pour vous assurer qu’ils sont correctement fabriqués. Pour cette étape, modifiez la tension d’accélération du faisceau à 2,58 kilovolts et la distance de travail à 9,5 millimètres. Le test de l’appareil se compose de nombreuses étapes, notamment le test de chauffage par effet Joule et le test de réponse en fréquence.

Placez la caméra thermique sur le dessus de la puce et testez les radiateurs ambiants pour vous assurer qu’ils chauffent les faisceaux. Connectez l’alimentation au boîtier de puce pour appliquer une tension continue sur les éléments chauffants intégrés entre 0 volts et 5,7 volts avec de petits incréments pour augmenter la température dans tous les faisceaux. Enregistrez le profil de température tout au long du boîtier de puce avec votre caméra thermique pendant le processus de chauffage et enregistrez les résultats dans le programme de complétion numérique et tracez le profil de chauffage.

Localisez le laser au-dessus des faisceaux de 120 micromètres de long. Connectez l’alimentation entre les deux faisceaux de 120 microns de long pour appliquer environ sept tensions de sept volts en courant continu et trois en courant alternatif pour le fonctionnement en résonance. Connectez une tension de polarisation CC supplémentaire aux éléments chauffants intégrés avec un maximum de 5,7 volts pour appliquer un chauffage par effet joule aux faisceaux pendant le fonctionnement de résonance.

Déplacez le laser à un autre endroit du faisceau pour obtenir une déviation laser longue et réduite. Assurez-vous d’augmenter l’intensité de la barre bleue pour diminuer le bruit. Divisez l’écran en plusieurs vues pour calibrer et démarrer la configuration de la mesure.

Allez dans les paramètres d’acquisition. Réglez le mode de mesure sur FFT. N’utilisez aucun filtre.

Et réglez la bande passante sur deux mégahertz. Modifiez la vitesse qui peut prendre en charge la fréquence maximale de 2,5 mégahertz. Utilisez une forme d’onde de puce périodique.

Ici, l’amplitude représente la tension alternative et l’offset la tension continue. Démarrez la mesure continue avec cette nouvelle configuration. Mettez à jour les paramètres d’acquisition en changeant la tension continue à un volt.

Lorsque Ref1 affiche une alarme rouge, cela signifie que le signal est bruyant. Diminuez la tension de polarisation appliquée dans la fenêtre des paramètres d’acquisition pour résoudre le problème. Déplacez le laser à un autre endroit du faisceau pour obtenir une augmentation supplémentaire du rapport signal/bruit.

Parfois, vous pouvez trouver des points défectueux sur le faisceau qui provoquent une alarme rouge sur la barre vibrante. Continuez simplement à chercher le meilleur endroit sur le faisceau. Sélectionnez le filtre MEMS de 68 microns de long pour le test.

Appliquez une tension de 25 volts c.c. et une tension de cinq volts c.a. entre les deux faisceaux adjacents de 68 microns de long. Ici, la tension continue fournit des bandes et la tension alternative permet le fonctionnement par résonance. Appliquez une tension continue supplémentaire aux éléments chauffants intégrés situés dans le faisceau de 68 microns de long et augmentez la tension de zéro volt à 5,7 volts par petits incréments.

Cela permettra un réglage de fréquence basé sur le chauffage par effet Joule. Observer et consigner la fréquence de résonance et la réponse en phase par rapport à la tension de polarisation appliquée à chaque étape et résumer les résultats dans un tableau. Ici, le réglage total de la fréquence de cet échantillon est d’environ 874 kilohertz lorsqu’une tension de 5,7 volts CC est appliquée au chauffage intégré.

Appuyez sur le bouton A/N pour accéder à la fenêtre des paramètres d’acquisition illustrée dans la section de configuration de l’étalonnage du LDV et du test et modifiez la vitesse qui peut prendre en charge les très hautes fréquences. Mesurez le premier et le deuxième mode avec leur phase. Appliquez un signal d’onde carrée d’un hertz pour résoudre le problème de frottement résultant d’une charge de vitesse de deux faisceaux adjacents.

Allez dans l’onglet générateur et sélectionnez une forme d’onde carrée dans le menu déroulant de la forme d’onde. Allez dans la boîte de décalage et réglez la tension continue sur un volt. Allez dans la boîte de fréquence et réglez la fréquence sur un hertz.

Activez et appliquez ces nouvelles configurations sur les poutres. Observez la séparation des faisceaux. Utilisez un échantillon supplémentaire pour le test de résistance thermique.

Augmentez la tension de polarisation appliquée sur le chauffage intégré avec un petit incrément pour trouver la tension maximale admissible avant la défaillance du dispositif due à une contrainte thermique élevée. Appliquez une tension de 25 volts c.c. et une tension de cinq volts c.a. entre deux faisceaux adjacents de 68 microns tout en augmentant la tension de polarisation appliquée sur le chauffage intégré de 0 volt à 5,7 volts pour obtenir un décalage de fréquence total de 661 kilohertz. Augmentez la tension de polarisation appliquée de 25 volts à 35 volts pour ajouter un effet d’adoucissement supplémentaire entre les deux faisceaux adjacents de 68 microns de long tout en appliquant une tension alternative d’un volt et en conservant la même tension de polarisation sur les éléments chauffants intégrés.

Enregistrez l’amélioration de 32 % du décalage de fréquence total alors qu’il devrait passer de 661 kilohertz à 875 kilohertz en raison de cet effet adoucissant supplémentaire. Un réglage de fréquence à large plage avec l’application d’une tension de polarisation appliquée aux éléments chauffants intégrés est réalisé et vérifié avec un vibromètre laser Doppler. La mesure de la résonance de volts plus élevés est très cruciale pour les résonateurs, car elle offre des résultats prometteurs pour les biocapteurs très sensibles et précis.

Le vibromètre laser Doppler permet la mesure de haute tension qui n’est presque pas possible à lire avec un analyseur de réseau. Le 5ème mode a été mesuré avec un vibromètre laser Doppler en mesurant plusieurs points sur chaque faisceau. La forme du mode mesuré pour affecter les correspondances avec l’analyse par éléments finis basée sur les résultats du programme affichés dans le coin droit.

Cette vidéo explique comment concevoir, fabriquer et caractériser des filtres MEMS CMOS accordables à ondes longues et à large plage. Les filtres MEMS réglables à large gamme sont très exigeants, en particulier dans les applications de suivi de signal et de saut de fréquence. C’est pourquoi, après avoir augmenté la plage de réglage tout en évitant l’échec, il est démontré avec succès, facile à appliquer et reproductible.

Les méthodes permettant d’éviter les problèmes courants tels que la combustion et le frottement sont démontrées avec succès dans un souci de fiabilité et de fabrication à faible coût. À des fins de caractérisation, la supériorité du laser Doppler, du vibromètre ou de l’analyseur de réseau est démontrée avec succès. non seulement pour permettre l’entrelacement en cinquième mode, mais aussi pour activer la technologie de pointe pour les biocapteurs portables et pour le diagnostic précoce tel que le VIH.