Name: Real-Time DC-dinamica Metodo di polarizzazione per il tempo di commutazione miglioramento Severamente sottosmorzato frangente campo elettrostatico MEMS Attuatori (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-08-15T17:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 44 s
Description: Impara a migliorare i tempi di commutazione degli attuatori MEMS elettrostatici a campo di frangia fortemente sottosmorzati utilizzando forme d'onda di polarizzazione dinamica in tempo reale. Questo metodo ottimizza le prestazioni dei dispositivi microelettromeccanici.

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Gli autori desiderano ringraziare Ryan Tung per la sua assistenza e discussioni tecniche utili. Gli autori desiderano inoltre ringraziare l&#39;assistenza e il supporto dello staff tecnico Birck Nanotechnology Center. Questo lavoro è stato sostenuto dalla Defense Advanced Research Projects Agency sotto la Purdue Microonde riconfigurabile Evanescent-Mode cavità Filtri di studio. E anche da NNSA Centro di Pronostico affidabilità, integrità e capacità di sopravvivenza dei microsistemi e Dipartimento di Energia sotto Award Numero DE-FC5208NA28617. Le opinioni, pareri, e / o risultanze contenute in questo documento / presentazione sono quelle degli autori / presentatori e non devono essere interpretate come rappresentare le opinioni politiche o ufficiali, sia espressa o implicita, della Defense Advanced Research Projects Agency o il Dipartimento della Difesa.

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Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Bassa tensione residua Au deposizione di film e un rilascio secco con XeF 2 sono componenti criticamente nella fabbricazione di successo del dispositivo. Attuatori frangente campo elettrostatico forniscono forze relativamente basse rispetto al parallelo-piastra attuatori di campo. MEMS tipici sottili sollecitazioni a film di&gt; 60 MPa si tradurrà in tensioni elevate dell&#39;azionamento che può potenzialmente compromettere l&#39;affidabilità del EFFA MEMS. Per questo motivo la ricetta galvanica è accuratamen...

Sistemi microelettromeccanici (MEMS) utilizzano diversi meccanismi di attuazione per raggiungere spostamento meccanico. Le più popolari sono termale, piezoelettrico, magnetostatico, ed elettrostatiche. Per tempo di commutazione brevi, attuazione elettrostatica è la tecnica più popolare 1, 2. In pratica, i disegni meccanici critica smorzati offrono il miglior compromesso tra tempo di salita iniziale e tempo di assestamento. Dopo l&#39;applicazione della polarizzazione CC e azionare la membrana verso l&#39;elettrodo di pull-down, il tempo di assestamento non è un problema significativo in quanto la membrana si scatto verso il basso e rispettare l&#39;elettrodo di attuazione rivestito dielettrica. Diverse applicazioni hanno beneficiato del suddetto disegno di attuazione elettrostatica 3 - 8. Tuttavia, la presenza del elettrodo rivestito tendina dielettrico rende l&#39;attuatore suscettibile di ricarica dielettrico e attrito statico. Le membrane MEMS possono utilizzare un uprogettazione meccanica nderdamped per ottenere un veloce tempo di salita iniziale. Un esempio di progettazione meccanica sottosmorzato è il frangente campo elettrostatico azionato (EFFA) MEMS. Questa topologia ha esposto molto meno vulnerabilità di meccanismi di rottura tipici che affliggono i disegni elettrostatici basati 9-20. L&#39;assenza del controelettrodo parallelo e di conseguenza il campo elettrico parallelo e perciò questi MEMS sono naturalmente chiamati &quot;frangente campo&quot; azionato (Figura 1). Per la progettazione EFFA, l&#39;elettrodo di pull-down è suddiviso in due elettrodi separati che sono posizionati lateralmente compensate alla membrana in movimento, eliminando completamente la sovrapposizione tra le parti mobili e fisse del dispositivo. Tuttavia, la rimozione del substrato da sotto la membrana mobile riduce significativamente il film compressione smorzamento componente aumentando così il tempo di assestamento. Figura 2B è un esempio del tempo di assestamento in risposta a standard polarizzazione passo. Transitoria, o DC-dinamica applicate polarizzazione in tempo reale può essere usato per migliorare il tempo di assestamento 20-26. Figure 2C e 2D qualitativamente illustrano come una forma d&#39;onda variabile nel tempo può annullare efficacemente la suoneria. Attività di ricerca precedenti utilizzano metodi numerici per calcolare la tensione precisa e tempi di polarizzazione in ingresso per migliorare il tempo di commutazione. Il metodo in questo lavoro utilizza compatte espressioni in forma chiusa per il calcolo dei parametri della forma d&#39;onda di polarizzazione in ingresso. Inoltre, il lavoro precedente focalizzata sulla piastra di azionamento parallelo. Mentre le strutture sono progettate per essere sottosmorzato, squeeze-film di smorzamento è ancora disponibile in questa configurazione. Il metodo di attuazione presentata in questo lavoro è frangente campo di attuazione. In questa configurazione squeeze-film di smorzamento viene effettivamente eliminato. Questo rappresenta un caso estremo in cui lo smorzamento meccanico della trave MEMS è molto bassa. Questo documento descrive come fabbricare il dev EFFA MEMSgelati ed eseguire la misura per convalidare sperimentalmente il concetto di forma d&#39;onda.

<table><tbody><tr><td colspan="4">Chemicals</td></tr><tr><td>Buffered oxide mordenzante</td><td>Mallinckrodt Baker</td><td>1178</td><td>Silicon acidh, Ti etch</td></tr><tr><td>Acetone</td><td>Mallinckrodt Baker</td><td>5356</td><td>Wafer clean</td></tr><tr><td>Alcool isopropilico</td><td>pulito Honeywell</td><td>BDH-140</td><td>Wafer clean</td></tr><tr><td>Hexamethyldisilizane</td><td>Mallinckrodt Baker</td><td>5797</td><td>Adesione promotore</td></tr><tr><td>Microposit SC 1827 Fotoresist positivo</td><td>Shipley Europe Ltd</td><td>44090</td><td>Modello, galvanica</td></tr><tr><td>Microposit MF-26A sviluppatore</td><td>Shipley Europe Ltd</td><td>31200</td><td>Sviluppo SC 1827</td></tr><tr><td>Idrossido di tetrametilammonio</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>334901</td><td>Incisione all'ingrosso Si</td></tr><tr><td>Acido solforico</td><td>Sciencelab.com</td><td>SLS2539</td><td>Wafer pulito</td></tr><tr><td>Perossido di idrogeno</td><td>Sciencelab.com</td><td>SLH1552</td><td>Wafer pulito</td></tr><tr><td>Transene Solfito Oro TSG-250</td><td>Transense</td><td>110-TSG-250</td><td>Au soluzione galvanica</td></tr><tr><td>Baker PRS-3000 Sverniciatore a resistenza positiva</td><td>Mallinckrodt Baker</td><td>6403</td><td>Sverniciatore fotoresist</td></tr><tr><td>Mordenzante all'oro tipo TFA</td><td>Transense</td><td>060-0015000</td><td>Au etch</td></tr><tr><td colspan="4"> Attrezzatura</td></tr><tr><td>Allineatore</td><td></td> di maschere <td>Karl Suss MJB-3</td><td>Modello fotoresist</td></tr><tr><td>Spalmatore</td><td></td> di polverizzazione <td>Sputter Perkin Elmer 2400 Sputterer</td><td>Deposito di metallo</td></tr><tr><td>Forno</td><td></td> di ossidazione termica <td>Forno di ossidazione pirogenica</td><td>Grow biossido di silicio</td></tr><tr><td>Incisione</td><td></td> ionica reattiva <td>Plasmatech RIE</td><td>Ceneri al plasma</td></tr><tr><td>Difluoruro allo xeno incisore</td> <td>a secco</td><td>Incisore al difluoruro Xenon Xenon</td><td>Incisione selettiva al silicio isotropo secco Profilometro</td></tr><tr><td></td> di superficie <td>Alpha-Step IQ</td><td>Misurazione dell'altezza del gradino</td><td></td></tr><tr>Anello<td>sonda</td><td></td><td>Signatone</td><td>Tiene i manipolatori della sonda CC Manipolatori</td></tr><tr><td>CC Microposizionatore</td><td></td><td>Signatone serie S-900</td><td>Applica la differenza di potenziale al dispositivo</td></tr><tr><td>Vibrometro</td><td></td> <td>laser dopplerPolytec OFV-551/MSA-500 Micro System Analyzer</td><td>Misurazione del tempo di commutazione Generatore</td></tr><tr><td></td><td>di funzioni digitali Generatore di funzioni</td><td>Agilent E4408B</td><td>Crea la forma d'onda dinamica CC</td></tr><tr><td>Amplificatore lineare ad alta tensione Amplificatore</td><td></td><td>lineare ad alta tensione a canale singolo A400</td><td>Facilita</td></tr><tr><td>l'oscilloscopio digitale</td><td>ad alta tensione Oscilloscopio</td><td></td> <td>digitale DS05034A AgilentVerificare i parametri della forma d'onda dinamica</td></tr></tbody></table>

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Real-Time DC-dynamic Biasing Method for Switching Time Improvement in Severely Underdamped Fringing-field Electrostatic MEMS Actuators

Meccanicamente MEMS elettrostatico frangente campo sottosmorzato attuatori sono ben noti per il loro funzionamento commutazione veloce in risposta ad un gradino unitario tensione di polarizzazione in ingresso. Tuttavia, il compromesso per le prestazioni di commutazione migliorata è un tempo relativamente lungo assestamento per raggiungere ogni altezza gap in risposta a varie tensioni applicate. Transient applicata forme d&#39;onda di polarizzazione sono impiegati per facilitare i tempi di commutazione ridotti per elettrostatiche MEMS frangente campo attuatori con fattori di alta qualità meccaniche. Rimozione del substrato sottostante dell&#39;attuatore frangente campo crea l&#39;ambiente a basso smorzamento meccanico necessario per testare efficacemente il concetto. La rimozione del substrato sottostante ha anche un miglioramento sostanziale delle prestazioni affidabilità del dispositivo con riferimento a guasti dovuti a fenomeni di incollaggio. Sebbene polarizzazione DC-dinamica è utile per migliorare il tempo di assestamento, la slew rate richiesti per i dispositivi tipici MEMS possono collocare requisiti aggressivi sulla carica pumps per completamente integrata disegni on-chip. Inoltre, ci possono essere sfide che integrano la rimozione del substrato passo verso la CMOS commerciali fasi di elaborazione back-end-of-line. Validazione sperimentale di attuatori fabbricati dimostra un miglioramento di 50 volte nel tempo di commutazione rispetto al passo polarizzazione risultati convenzionali. Rispetto ai calcoli teorici, i risultati sperimentali sono in buon accordo.

La configurazione in Figura 4 viene utilizzata per catturare la flessione rispetto al momento le caratteristiche dei ponti MEMS. Utilizzando il vibrometro laser Doppler nella sua modalità di misurazione continua, i parametri di tensione e di tempo precisi possono essere risultate una minima oscillazione del fascio per l&#39;altezza desiderata gap. La Figura 5 illustra un esempio di deflessione del fascio corrispondente all&#39;altezza 60 V gap. Si è visto che la quasi totalità delle osc...

Il design robusto dispositivo di frange di campo elettrostatico attuatori MEMS risultati in condizioni di smorzamento squeeze film intrinsecamente bassi e lunghi tempi di assestamento durante l&#39;esecuzione di operazioni di commutazione con passo polarizzazione convenzionale. Commutazione miglioramento del tempo con forme d&#39;onda DC-dinamici in tempo reale riduce il tempo di assestamento di frange campo MEMS attuatori durante le transizioni tra up-to-down e down-to-up Stati.

Real-Time DC-dinamica Metodo di polarizzazione per il tempo di commutazione miglioramento Severamente sottosmorzato frangente campo elettrostatico MEMS Attuatori

Mechanically underdamped electrostatic fringing-field MEMS actuators are well known for their fast switching operation in response to a unit step input ...

L'obiettivo generale del seguente esperimento è migliorare il tempo di assestamento degli attuatori microelettromeccanici a campo elettrostatico con effetto di bordo fortemente sottosmorzati. Questo risultato si ottiene mediante la microfabbricazione dell'attuatore MEMS elettrostatico. Come secondo passo, il substrato sottostante l'attuatore viene selettivamente inciso, riducendo in modo significativo lo smorzamento da film viscoso e accentuando le condizioni di forte sottosmorzamento. Successivamente, forme d'onda di polarizzazione dinamica vengono impiegate in tempo reale al fine di determinare i parametri ottimali della forma d'onda per un rapido tempo di assestamento.Vengono ottenuti risultati che mostrano un significativo miglioramento del tempo di commutazione, in base al confronto con una tipica polarizzazione a gradino unitario. Sebbene il metodo sia utilizzato per migliorare il tempo di commutazione degli attuatori a campo elettrostatico di tipo fringing, può essere applicato anche ad altri ambiti, come la micro-metrologia, per estrarre parametri di film sottili come il modulo di Young, il rapporto di Poisson e la tensione di trazione biaxiale. Il primo passo nella fabbric

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