Method Article

Progettazione e nella metodologia di caratterizzazione per efficiente ampio intervallo sintonizzabile MEMS filtri

DOI:

10.3791/56371

February 4th, 2018

In This Article

Summary

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Un protocollo per un design fisso-fisso larghezza utilizzando un vibrometro laser Doppler (LDV), compresa la misurazione della frequenza di sintonizzazione, modifica di tuning capacità e l'evitare malfunzionamenti e attrito statico, è presentato. Grazie alla sua superiore capacità di modalità è dimostrata la superiorità del metodo LDV sopra l'analizzatore di rete.

Abstract

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Qui, noi dimostrare i vantaggi del vibrometro di laser Doppler (LDV) sopra le tecniche convenzionali (l'analizzatore di rete), così come le tecniche per creare un filtro di basato sull'applicazione microelectromechanical systems (MEMS) e come usarlo in modo efficiente ( cioè, la capacità di messa a punto di ottimizzazione ed evitando sia guasto e attrito statico). LDV consente misurazioni cruciali che sono impossibili con l'analizzatore di rete, ad esempio superiore modalità rilevamento (applicazione di biosensore altamente sensibile) e la misurazione di risonanza per dispositivi molto piccoli (prototipazione rapida). Di conseguenza, LDV è stato utilizzato per caratterizzare la gamma di sintonizzazione di frequenza e la frequenza di risonanza alle diverse modalità dei filtri MEMS costruiti per questo studio. Questo meccanismo di regolazione frequenza ampia gamma si basa semplicemente sul riscaldamento dal riscaldatori incorporati e stress termico relativamente alto rispetto alla temperatura di un fascio fisso-fisso di Joule. Tuttavia, dimostriamo che un'altra limitazione di questo metodo è la sollecitazione termica alta risultante, che può bruciare i dispositivi. Ulteriore miglioramento è stato realizzato e mostrato per la prima volta in questo studio, in modo tale che la capacità di ottimizzazione è stata aumentata del 32% tramite un aumento nella tensione bias DC applicata (25 V a 35 V) tra i due fasci adiacenti. Questa individuazione importante Elimina la necessità per il Joule extra riscaldamento presso la più ampia gamma di sintonizzazione di frequenza. Un altro possibile guasto è attraverso attrito statico e l'esigenza di ottimizzazione della struttura: proponiamo una tecnica semplice e facile di applicazione di segnale onda quadra di bassa frequenza che può separare correttamente le travi ed elimina la necessità per i più metodi sofisticati e complicati, dati nella letteratura. I risultati di cui sopra richiedono una metodologia di progettazione, e quindi forniamo anche un design basato sull'applicazione.

Introduction

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C'è una crescente domanda per i filtri di MEMS a causa della loro elevata affidabilità, basso consumo energetico, design compatto, fattore di alta qualità e basso costo. Sono ampiamente usati come sensori e come parti fondamentali nella comunicazione senza fili. Temperatura sensori1, bio-sensori2,3, sensori di gas4, filtri5,6,7e oscillatori sono i campi di applicazione più popolari. I più popolari filtri elettrostatici di MEMS sono fascio fisso-fisso5

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Protocol

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1. selezione e progettazione di una struttura ottima

  1. Selezionare il fascio fisso-fisso per vasta gamma di frequenza di sintonizzazione (rispetto ad altri candidati, consente ampia gamma ottimizzazione quando è riscaldata a causa del suo coefficiente di temperatura della frequenza (TCF) e costante di espansione termica trascurabile).
  2. Progettare un fascio più lungo se lo scopo è tuning miglioramento dell'efficienza. Progettare un fascio più corto se lo scopo è salto di frequenza o applicazioni di rilevamento del segnale.

2. modellazione e fabbricazione in Complementary Metal-oxide Semiconductor (CMOS)

  1. Proge....

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Results

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Attrito statico è stato evitato applicando il segnale ad onda quadra a bassa frequenza e questo è stato verificato utilizzando LDV (Figura 1). Possibile guasto a causa di stress termico elevato14 quando si applica tensione DC relativamente più elevati per i riscaldatori incorporati è stata verificata sotto il microscopio (Figura 2). Il programma FEM è stato utilizzato per derivare le modalità superiore per.......

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Discussion

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Uno dei passaggi critici nella costruzione di filtri di MEMS è quello di progettare il dispositivo sulla base dell'area di applicazione. Il raggio dovrebbe essere più lungo o più sottili per la migliore ottimizzazione efficienza (ppm/mW), ma più breve o più sottile per salto di frequenza o segnale di monitoraggio delle applicazioni. Allo stesso modo, rilevamento segnale chiaro via LDV è critico nel dispositivo di test che è perché è meglio progettare la trave con uno spessore di almeno 3-4 µm. In caso contrario, il segna.......

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Disclosures

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Non abbiamo nulla di divulgare.

Acknowledgements

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Questo lavoro è stato supportato da US Army Research Laboratory, Adelphi, MD, USA, sotto Grant W91ZLK-12-P-0447. Le misurazioni di risonanza sono stati condotti con l'aiuto di Michael Stone e Anthony Brock. La misurazione di telecamera termica è stata condotta con l'aiuto di Damon Conover da George Washington University.

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Vibrometro Laser DopplerPolytec PolytecMSA-500
Microscopio Elettronico a ScansioneZeiss
X
Alimentatore Egilent(E3631A)
MicroscopioX
CoventorCoventorStrumento di simulazione
cadenza Virtuososimulazionedella cadenza
Multisimsimulazionemultisim
Termocamera della Strumento di Strumento di

References

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  1. Göktaş, H., Turner, K., Zaghloul, M. Enhancement in CMOS-MEMS Resonator for High Sensitive Temperature Sensing. IEEE Sensors J. 17 (3), 598-603 (2017).
  2. Davila, A. P., Jang, J., Gupta, A. K., Walter, T., Aronson, A., Bashir, R. Microresonator mass sensors for detection of Bacillus anthracis Sterne spores in air and water. Biosens. Bioelectron.

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Tags

MEMS FiltersLaser Doppler VibrometerFrequency TuningJoule HeatingStiction AvoidanceCMOS ProcessThermal StressDC Bias VoltageResonance MeasurementHigher Mode Detection

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