Name: デザインと効率的な広帯域波長可変 MEMS フィルター特性評価手法 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-02-04T13:00:00.000+00:00
Duration: 15 min 25 s
Description: 学ぶレーザードップラ振動計を用いたMEMS共振器の周波数チューニング測定手法。固定支持ビーム設計と製造プロセスを含む完全なプロトコルで、ネットワークアナライザより高精度な高次モード検出とスティクション防止を実現する。

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この作品は、米国陸軍研究所、アデルフィ、MD、米国、グラント W91ZLK-12-P-0447 下によって支えられました。ミハエル石とアンソニー ・ ブロックの助けを借りて共鳴測定を行った。ジョージ ・ ワシントン大学からデイモン コノバーの助けを借りて、サーマル カメラ計測を行った。

1. 選択と最適構造の設計
<ol><li>広い範囲の周波数の固定固定ビームを選択 (他の候補者と比較して、それにより様々 なチューニングの周波数 (TCF) とごくわずかの熱膨張係数の大きな温度係数のため加熱時)。</li>
	<li>目的は効率化のチューニングの場合は、長い梁を設計します。目的が周波数ホッピングまたは信号追跡アプリケーションの場合は、短いビームをデザインします。</li>
</ol>2. モデリングと相補型金属酸化膜半導体 (CMOS) の製作
<ol><li>設計し、有限要素法プログラムで MEMS フィルターの 3 D モデルを作成します。</li>
	<li>集積回路 (IC) のデザイン ツールは、gds ファイルを作成する層で同じレイアウトを再構築します。</li>
	<li>この gds ファイルを作製 (我々 は 0.6 μ m cmos を使用) の CMOS 鋳造を提出します。</li>
	<li>CMOS プロセスが完了したら、後処理で続行 (チップは、多結晶シリコン、アルミニウムおよび酸化物の層があるに注意してください)。<ol>
<li>行為 CHF3/O2ドライ エッチング プロセスを介して誘導結合プラズマ (ICP) etch システム。アルミ層間 SiO2をエッチングし、5.7 のアスペクト比のビームを形成します。このプロセスは、次のパラメーターを使用して: CHF3 40 sccm、O2 5 sccm で、0.5 圧力 Pa、500 W、ICP パワーと 56 分の合計で 100 W でサンプル パワー エッチング時間。</li>
		<li>適用、XeF2梁下 9 μ m 深さキャビティを作成するシリコン基板のエッチングします。このプロセスでは、60 秒/サイクルの 3 t、3 サイクルのエッチング装置 XeF2を使用します。</li>
	</ol>
</li>
	<li>走査型電子顕微鏡 (SEM) 正しく作製したことを確認するとデバイスを特徴付けます。この手順変更 2.58 に加速電圧ビーム kV と 9.5 mm の作動距離。</li>
</ol>3. デバイスのテスト
メモ: デバイスのテスト ジュール加熱試験および周波数応答試験を含む多くの手順で構成されます。
<ol><li>
埋め込みヒーター用サーマル カメラ テスト
	<ol>
<li>チップの上にサーマル カメラを置き、彼らはビームを加熱できるように埋め込みヒーターをテストします。</li>
		<li>チップ パッケージに電源を接続し、ビーム全体の温度上昇を少しずつ 5.7 V を 0 V から埋め込みヒーターの DC 電圧を適用します。</li>
		<li>暖房プロセスの間に熱カメラを介してチップ パッケージ全体の温度プロファイルを記録します。数値計算プログラムの結果を保存し、加熱プロファイルをプロットします。</li>
	</ol>
</li>
	<li>
レーザドップラ振動計とテストのセットアップを調整
	<ol>
<li>120 μ m の長い梁の上にレーザーを配置します。</li>
		<li>両方の 7 V DC を適用する 2 つの 120 μ m の長い梁と共鳴操作の 3 V AC 電圧の電源を接続します。追加の DC バイアス電圧を最大 5.7 ジュール共鳴操作中に梁に熱を適用する V の埋め込みヒーターに接続します。</li>
		<li>低ノイズ レーザーの反射を取得するビームにレーザーを別の場所に移動します。雑音を低減する青色のバーの強度を増加することを確認します。</li>
		<li>画面を調整し、測定のセットアップを開始する複数のビューに分割します。</li>
		<li>取得設定に移動、FFT に測定モードを設定、任意のフィルターを使用していない 2 つの mhz の帯域幅を設定します。</li>
		<li>2.5 MHz の最大周波数をサポートできますよう、速度を変更します。</li>
		<li>定期的なチャープ波形を使用します。 注: ここでは、振幅は AC 電圧の略し、オフセット電圧の略します。</li>
		<li>この新しい設定は、測定を開始します。</li>
		<li>直流電圧を 1 V に変更することで取得設定を更新します。</li>
		<li>代入は、Ref1 を示す赤い警報 (つまり信号が騒々しいということ) とき取得設定ウィンドウでバイアス印加電圧が低下します。</li>
		<li>さらに信号対雑音比を高めるビームにレーザーを別の場所に移動します。時折、可能性があります悪いスポット振動バーに赤い警報を引き起こすビームこの場合は、最高のスポットを検索し続けます。</li>
	</ol>
</li>
	<li>
LDV による 68 μ m 長い MEMS フィルターのテスト
	<ol>
<li>テスト用 68 μ m 長い MEMS フィルターを選択します。</li>
		<li>25 V の直流電圧と 5 V AC 電圧 2 68 μ m 長い隣接する梁の間に適用されます。ここでは、DC 電圧は、曲げと AC 電圧共振操作が可能します。</li>
		<li>68 μ m の長いビームは、埋め込みヒーターに追加の DC 電圧を適用し、少しずつ 5.7 V を 0 V から電圧を高めます。これは加熱周波数チューニング ジュールに基づいて提供されます。</li>
		<li>観察し共振周波数と各ステップで応用バイアス電圧に対する位相応答を記録およびテーブルの結果を集計します。ここでは、このサンプルの全周波数チューニングです 874 kHz 付近 5.7 V の DC 電圧が埋め込みヒーターに適用されます。 注: (右側) のシミュレーションと実測 (レフト側) が同期されます。</li>
	</ol>
</li>
	<li>
高いモード測定
	<ol>
<li>セクション 3.2 に示す取得設定ウィンドウに移動する/D ボタンを押すし、それは非常に高い周波数をサポートできるように、速度を変更します。</li>
		<li>最初のフェーズと 2 番目のモードを測定します。 注: 主共振変位モード 1 の Y 方向は、モード 2 の Z 方向 (つまり顕微鏡の方で) です。</li>
	</ol>
</li>
</ol>4. デバイスの障害を回避します。
<ol><li>
ヘッドス ライダーを解決するために低周波の方形波信号のアプリケーション
	<ol>
<li>2 つの隣接するビーム間静電充電に起因する粘着の問題を解決する 1 Hz 方形波信号を適用します。</li>
		<li>オフセットのボックスに移動し、1 V AC 電圧を維持しながら直流電圧を 1 V に設定します。</li>
		<li>[頻度] ボックスに移動し、周波数を 1 Hz に設定。</li>
		<li>アクティブにし、梁をこの新しい設定を適用します。</li>
		<li>ビームの分離を観察します。</li>
	</ol>
</li>
	<li>
高熱応力と燃焼
	<ol>
<li>熱ストレス テストのため余分なサンプルを使用します。</li>
		<li>高熱応力によるデバイスが失敗する前に最大許容電圧を見つける小さなずつ埋め込みヒーター バイアス印加電圧を増加させます。</li>
	</ol>
</li>
</ol>5. チューニング機能を高める
<ol><li>合計 661 kHz 周波数シフトの 5.7 V を 0 V から埋め込みヒーター バイアス印加電圧を増加させながら 2 つ 68 μ m 隣接する梁の間一緒に 25 V DC 電圧と 5 V AC 電圧を適用されます。</li>
	<li>35 V 1 V AC 電圧を適用する埋め込みヒーターに同じバイアス電圧設定を維持し、ながら、2 つの 68 μ m 長い隣接ビーム間効果を軟化付加ばねを追加する 25 V から応用のバイアス電圧を増加します。</li>
	<li>661 kHz から軟化効果追加今春から 875 の kHz に増やす必要があります合計周波数シフトに 32% の改善を記録します。 注: 我々 の知る限り、この作品で初めて実現した MEMS 共振器のチューニング機能の変更します。</li>
</ol>

<ol><li>Göktaş, H., Turner, K., Zaghloul, M. <a target="_blank" href="http://ieeexplore.ieee.org/document/7762782/">Enhancement in CMOS-MEMS Resonator for High Sensitive Temperature Sensing.</a> IEEE Sensors J. 17 (3), 598-603 (2017).</li>
<li>Davila, A. P., Jang, J., Gupta, A. K., Walter, T., Aronson, A., Bashir, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microresonator+mass+sensors+for+detection+of+Bacillus+anthracis+Sterne+spores+in+air+and+water%5BTitle%5D)+AND+%22Biosens.+Bioelectron%22%5BJournal%5D)">Microresonator mass sensors for detection of Bacillus anthracis Sterne spores in air and water.</a> Biosens. Bioelectron. 22 (12), 3028-3035 (2007).</li>
<li>Lee, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Suspended+microchannel+resonators+with+piezoresistive+sensors%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+Chip%22%5BJournal%5D)">Suspended microchannel resonators with piezoresistive sensors.</a> Lab Chip. 11 (4), 645-651 (2011).</li>
<li>Arash, H., Pourkamali, S. <a target="_blank" href="http://ieeexplore.ieee.org/document/6111426/">Fabrication and Characterization of MEMS-Based Resonant Organic Gas Sensors.</a> IEEE Sensors J. 12 (6), 1958-1964 (2012).</li>
<li>Göktaş, H., Zaghloul, M. <a target="_blank" href="http://ieeexplore.ieee.org/document/6985576/">Tuning In-Plane Fixed-Fixed Beam Resonators with Embedded Heater in CMOS Technology.</a> IEEE Electron Device Lett. 36 (2), 189-191 (2015).</li>
<li>Li, C. S., Hou, L. J., Li, S. S. <a target="_blank" href="http://ieeexplore.ieee.org/document/6112657/">Advanced CMOS-MEMS Resonator Platform.</a> IEEE Electron Device Lett. 33 (2), 272-274 (2012).</li>
<li>Li, M. H., Chen, W. C., Li, S. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mechanically+Coupled+CMOS-MEMS+Free-Free+Beam+Resonator+Arrays+With+Ehanced+Power+Handling+Capability%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans.+Ultrason.+Ferroelect.+Freq.+Control%22%5BJournal%5D)">Mechanically Coupled CMOS-MEMS Free-Free Beam Resonator Arrays With Ehanced Power Handling Capability.</a> IEEE Trans. Ultrason. Ferroelect. Freq. Control. 59 (3), 346-357 (2012).</li>
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<li>Khine, L., Palaniapan, M. <a target="_blank" href="http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0960-1317/19/1/015017/meta">High-Q bulk-mode SOI square resonator with straight-beam anchors.</a> J. Micromech. Microeng. 19 (1), (2009).</li>
<li>Manca, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Programmable+mechanical+resonances+in+MEMS+by+localized+joule+heating+of+phase+change+materials%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Mater%22%5BJournal%5D)">Programmable mechanical resonances in MEMS by localized joule heating of phase change materials.</a> Adv. Mater. 25 (44), 6430-6435 (2013).</li>
<li>Rúa, A., et al. <a target="_blank" href="http://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.4716191?journalCode=jap">Phase transition behavior in microcantilevers coated with M1-phase VO2 and M2-phase VO2:Cr thin films.</a> J. Appl. Phys. 111 (10), 104502(2012).</li>
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<li>Göktaş, H., Zaghloul, M. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2015RS005893/abstract">The Implementation of Low Power and Wide Tuning Range MEMS filters for Communication Applications.</a> Radio Sci. 51 (10), 1636-1644 (2016).</li>
<li>Göktaş, H., Zaghloul, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+Novel+Microhotplate%3A+A+Design+Featuring+Ultra+High+Temperature%2C+Ultra+Low+Thermal+Stress%2C+Low+Power+Consumption+and+Small+Response+Time%5BTitle%5D)+AND+%22Sensor+Comm%22%5BJournal%5D)">The Novel Microhotplate: A Design Featuring Ultra High Temperature, Ultra Low Thermal Stress, Low Power Consumption and Small Response Time.</a> Sensor Comm. , (2013).</li>
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<li>Göktaş, H., Mona, Z. <a target="_blank" href="http://ieeexplore.ieee.org/document/6688202/">High Sensitivity CMOS Portable Biosensor with Flexible Microfluidic Integration.</a> IEEE SENSORS. , (2013).</li>
</ol>

何を開示する必要があります。

MEMS フィルターを構築する上で重要な手順の 1 つアプリケーション領域に基づいてデバイスを設計することです。ビームは、長いまたはシンナーより効率 (ppm/mW)、短いまたは周波数ホッピングまたは信号追跡アプリケーションのシンナーをチューニングします。同じ方法で LDV による明確なシグナル検出は、デバイスのテストは、少なくとも 3-4 μ m の厚みで梁を設計する方が良いが重要です。それ以外の場合信号はノイズの多い、レンズ、X 100 (LDV ソフトウェアに組み込まれた) ノイズ除去に最適な検出を達成するためにテストの複数のポイントを取ります。その大きな TCF のため (カンチレバー、チューニング フォーク、両端自由はり)、他の候補者と比較して、固定固定ビームにより、幅広い周波数チューニング熱せられると。本研究ではジュール加熱埋め込みヒーターとしてポリシリコン層法を使用しました。
粘着を回避する方法。
粘着は静電帯電効果による共鳴操作中に起こることができます。高剛性定数梁の設計、アン...

その高い信頼性、低消費電力、コンパクト設計、高品質係数、低コストによる MEMS フィルターの需要が高まっています。センサーと無線通信のコア部品として広く使用されます。発振器、フィルター5,6、7、ガス センサー4バイオ センサー2,3温度センサー1は、最も人気のあるアプリケーション領域です。静電 MEMS フィルターの最も人気のある、固定固定ビーム5,8、片持ち2、チューニング フォーク6、両端自由はりの6、7、曲げディスク デザイン7と正方形デザインの9。
(アプリケーション ベースの構造最適化、広い範囲の周波数可変範囲、およびエラーの回避) の設計と特性評価 (高速プロトタイピング、寄生を避けるなど、MEMS フィルターを実現するために多くの重要なステップがあります。キャパシタンス、および検出の高次モード)。製作公差または周囲温度の変動による周波数変更を補うために周波数調整機能が必要です。さまざまなテクニック10、11,12は、この要件に対処するため文献で報告されています。しかし、彼らは限られた周波数チューニング機能、低中心周波数、要件、および外部ヒーター10,11追加の後処理など欠点があります。
この研究では限られた周波数チューニング弾性率による距離を加熱方法5,13ジュールで広い範囲の周波数を提案12 (隣接する 2 つのビーム間の DC バイアス電圧の増加) を変更し、材料はフェーズ遷移法10,11です。また、最適構造選択とアプリケーション ベースの設計は Göktaş と Zaghloul の13にまとめた。ここでは、レーザドップラ振動計の助けを借りて埋め込みヒーターに DC 電圧を増やすことによって固定固定梁の共振周波数を調整する方法を示します。有限要素法 (FEM) 解析シミュレーションは、チューニング機構を可視化するために同じ枠で LDV 計測と同期されます。これはジュール加熱と曲げビーム全体のプロファイルが含まれています。
(焦げたデバイスおよびヘッドス ライダー) の障害と彼らの提案された解決策を述べる。ジュール加熱方式固定固定ビームの高熱応力との組み合わせでさまざまな周波数を提供していますが、同時にによって、特定の温度レベルのデバイスが焦げた。これは異なる材料14間高い熱応力に起因します。ソリューションは、順番 (32%) でチューニングの範囲を増加し、高温のための必要性を排除する 2 つの隣接するビーム間の DC 電圧を増やすことです。この「チューニング チューニング範囲」メソッド最初 Göktaş と Zaghloul5で示した Göktaş Zaghloul13, で詳しく説明、再紹介。粘着、その一方で、起こることができる作製プロセスまたは共鳴操作中に。提案する接着エネルギー15,16、増加表面粗さ17、および18レーザー修復プロセスを減らすために表面のコーティングを適用するなど、この問題に対処するための多くの技術がずっとあります。対照的に、低周波の矩形波信号が接続されている 2 つのビーム間適用された、分離正常に LDV による記録された単純な手法を提案する.このメソッドを排除することができます余分なコストし、設計の複雑さを減らします。
最先端の MEMS フィルターを構築する上での重要なステップは、評価と検証。ネットワーク ・ アナライザーの特性は、最も人気のあると広く使用されている方法の 1 つしかし、それはいくつかの欠点があります。小さくても寄生容量が信号を殺すことができるので、これは通常ノイズ除去のアンプ回路3,6,8を必要とし、最初のモードの共振特性を検出できるだけ。その一方で、ldv の特性はこの寄生容量問題から解放され、多くのより小さい変位を検出することができます。高速プロトタイピング、これにより増幅器の設計の必要性を排除できます。さらに、レーザドップラ振動計は、MEMS フィルターの高い共振モードを検出できます。この機能は、非常に有望な高感度バイオ センサーの分野で特に。高いカンチレバー モードより多くの感度19を提供できます。高いモード ldv 固定固定ビーム測定は示す、FEM シミュレーション測定に適用。有限要素法によるシミュレーションの結果から早期固定固定ビームの最初のモードと比較して感度の 46 回改善を提供しています。

<table><tbody><tr><td>レーザードップラー振動計</td><td>ポリテック</td><td>ポリテック MSA-500</td><td></td></tr><tr><td>走査型電子顕微鏡</td><td>ツァイス</td><td></td><td></td></tr><tr><td>サーマルカメラ</td><td>×</td><td></td><td></td></tr><tr><td>電源&nbsp;</td><td>Egilent</td><td>(E3631A)</td><td></td></tr><tr><td>顕微鏡</td><td>×</td><td></td><td></td></tr><tr><td>コベント</td><td>コベントシミュレーション</td><td></td><td>ツール</td></tr><tr><td>ケイデンス・ヴィルトゥオーゾ</td><td>ケイデンス</td><td></td><td>・シミュレーション・ツール</td></tr><tr><td>Multisim</td><td>マルチシミュレーション</td><td></td><td>・ツール</td></tr></tbody></table>

デザインと効率的な広帯域波長可変 mems フィルター特性評価手法

Design and Characterization Methodology for Efficient Wide Range Tunable MEMS Filters

ここでは、従来手法 (ネットワーク アナライザー) として、アプリケーション ・ ベースの微小電気機械システム (MEMS) フィルターと効率的 (それを使用する方法を作成するテクニックをレーザドップラ (LDV) の利点を示すすなわち、チューニング チューニング機能と障害とヘッドス ライダーの両方を回避する)。レーザドップラ振動計は、高いモードの検出 (高感度バイオ センサー アプリケーション) と非常に小さいデバイス (高速プロトタイピング) の共鳴測定など、ネットワーク アナライザーで実行可能な重要で測定できます。したがって、LDV は周波数チューニング レンジと本研究用に構築された MEMS フィルターの異なるモードで共振周波数を特徴付けるために使用されました。この広い範囲の周波数チューニング メカニズムは、単にジュール加熱埋め込みヒーター固定固定はりの温度に対して比較的高い熱応力からに基づいています。ただし、このメソッドの別の制限がデバイスを書き込むことができますその結果高熱応力であることを示します。さらなる改善は実現され、本研究で初めて表示されるチューニング機能を増加させる 2 つの隣接する梁の間に応用 DC バイアス電圧 (35 V を 25 V) 32% 増加したなど。この重要な発見は、余分なジュールより広い周波数チューニング レンジで加熱の必要性を排除します。別の可能な障害は、粘着や構造最適化の要件: 低周波の方形波信号アプリケーション正常にビームを区切ることができますより多くの必要性を排除の簡便な手法を提案します。文献は、洗練された、複雑なメソッド。上記調査結果を必要とする設計手法と、アプリケーション ベースの設計をいたします。

粘着低周波の方形波信号を適用することで回避されましたし、これは LDV (図 1) を使用して検証しました。高熱応力14埋め込みヒーターに比較的高い DC バイアスを適用するときのための可能な障害は、顕微鏡 (図 2) で確認しました。有限要素法プログラムは、ビーム (図 3) 高次モードを派生に使用されました。レーザドップラ振動計 (図 4) の助けを借りて、この仕事の5で初めて 2 つの隣接する梁の間 DC バイアス電圧 (35 V を 25 V) を変更することでチューニング機能 (32% 増) の変更を示した。レーザドップラ振動計による高次モード応答を測定する機能が正常に示したし、有限要素法によるシミュレーションと比較しました。5<s...

レーザドップラ (LDV) は、チューニング、チューニング機能、および装置の故障や、ヘッドス ライダーの回避の修正周波数測定などを用いた固定固定ビーム設計プロトコルが表示されます。その高いモード機能によりネットワーク アナライザーに LDV 法の優位性を発揮します。

デザインと効率的な広帯域波長可変 MEMS フィルター特性評価手法

Here, we demonstrate the advantages of the laser Doppler vibrometer (LDV) over conventional techniques (the network analyzer), as well as the techniques ...

フィルターは非常に人気があり、無線通信の受信機と送信機のシーケンスで広く使用されています。さらに、ガスセンサー、バイオセンサー、温度センサーが最も一般的なアプリケーションです。これらの要求の厳しいフィルタは、CMOS MEMSプロセスで製造し、2つの別々のチップ間の余分なワイヤを排除することにより、より信頼性の高い製造と低ノイズ信号設計の両方をサポートする必要があります。ここで、CMOSは相補型金属酸化膜半導体の略で、MEMSは微小電気機械システムおよびセンサーの略です。さらに、ポストプロセスは、製造プロセス中のスティクションを回避するように設計する必要があります。MEMS共振器の共振を測定する方法はよく知られていますが、以下の理由から、レーザードップラー振動計技術ほど強力な方法ではありません。ネットワークアナライザ方式の大きな課題の1つは、寄生容量をなくすことです。設計ツールを使用して、120ミクロンの長いビームの等価回路の周波数と位相応答を爆破したようです。この 2 ワットの P-P値は、寄生容量が 1 フェムトファラッドから 20 フェムトファラッドに増加しても、6 dB から 0.34 dB に大幅に減少しました。そのため、これには最大共振器のすぐ隣に設計を発射するためのチップが1つ必要です。レーザードップラー振動計は、レーザーを使用してビームが共振するときのビームの振動を感知する別の方法です。ネットワークアナライザとは対照的に、レーザードップラー振動計技術は寄生容量の問題を排除します。さらに、生体感度アプリケーションなどのさまざまな研究分野で多くの利点をもたらす高モード共振を検出でき、ネットワークアナライザとは対照的に、はるかに小さな共振器を特徴付けることができます。これにより、特に生体に敏感なアプリケーションにおいて、迅速なプロトタイピングと、より高感度で正確な共振器が可能になります。この研究の目標は、設計後に実証するためのガイドラインを提供し、周波数チューニングを測定し、チューニング機能を調整し、レーザードップラー振動計を使用して二重のスティクショナル固定-固定ビームを回避することです。このプロセスは、最適な構造を見つけることから始まります。固定ビームは、他の候補と比較して、周波数の温度係数が大きく、個々の熱膨張定数のために加熱されたときに広範囲のチューニングが可能になるため、2番目の広範囲周波数チューニングで固定固定ビームを選択します。目的がより良いチューニング効率である場合、より長いビームを設計します。目的が周波数ホッピングまたは信号追跡アプリケーションである場合は、ビームを短く設計します。有限要素ベースのプログラムでMEMSフィーダーの3Dモデルを設計および作成します。集積回路設計ツールで同じレイアウトをレイヤーごとに再構築して、GDSファイルを作成します。このGDSファイルをCMOSファウンドリに提出して製造します。ここでは、CMOS 0.6ミクロン技術を使用しています。CMOSプロセスが完了すると、チップにはポリシリコン、アルミニウム、および酸化物の層が付属します。次のステップは、後処理ステップを実行することです。CHF302ドライエッチングプロセスは、アルミニウム層間に二酸化ケイ素を挟み込み、アスペクト比5.7のビームを形成するICPHシステムを介して行います。このプロセスでは、次のパラメータを使用します。40sccmのCHF3、5sccmの酸素、0.5パスカルの圧力、500ワットのICP電力、100ワットのサンプル電力、合計56分のエッチング時間。シリコン基板にキセノンフッ化物エッチングプロセスを適用して、ビームの下に9マイクロメートルの深さの空洞を作成します。このプロセスでは、キセノンフッ化物エッチングシステムを3サイクル、3トールで1サイクルあたり60秒間使用します。ECMの下でデバイスを特性評価し、適切に製造されていることを確認します。このステップでは、ビーム加速電圧を 2.58 キロボルトに変更し、作動距離を 9.5 ミリメートルに変更します。デバイステストは、ジュール加熱テストや周波数応答テストなど、多くのステップで構成されています。サーマルカメラをチップの上にある位置に置き、アンビエントヒーターをテストして、ビームが加熱されることを確認します。電源をチップパッケージに接続して、組み込みヒーターに0ボルトから5.7ボルトのDC電圧を少しずつ印加し、ビーム全体の温度を上昇させます。加熱プロセス中にサーマルカメラでチップパッケージ全体の温度プロファイルを記録し、結果を数値完成プログラムに保存して加熱プロファイルをプロットします。120マイクロメートルの長さのビームの上にレーザーを配置します。120ミクロンの長い2本のビームの間に電源を接続して、共振動作のために約7ボルトのDC電圧と3つのAC電圧を印加します。追加のDCバイアス電圧を最大5.7ボルトで組み込みヒーターに接続して、共振動作中にビームにジュール加熱を加えます。レーザーをビーム上の別の場所に移動して、レーザーのたわみを長く抑えます。ノイズを減らすために、青いバーの強度を上げてください。画面を複数のビューに分割して、キャリブレーションを行い、測定セットアップを開始します。取得設定に移動します。測定モードをFFTに設定します。フィルターは使用しないでください。そして、帯域幅を2メガヘルツに設定します。2.5 メガヘルツの最大周波数をサポートできる速度を変更します。周期的なチップ波形を使用します。ここで、振幅はAC電圧を表し、オフセットはDC電圧を表します。この新しいセットアップで連続測定を開始します。DC電圧を1ボルトに変更して、集録設定を更新します。Ref1 に赤いアラームが表示されている場合は、信号にノイズが多いことを意味します。アクイジション設定ウィンドウで印加バイアス電圧を下げて、問題を解決します。レーザーをビーム上の別の場所に移動して、信号対雑音比をさらに増加させます。時々、バイブレーションバーに赤いアラームを引き起こすビームの悪いスポットを見つけることがあります。ビームの最高の場所を探し続けてください。テストには、長さ68ミクロンのMEMSフィルタを選択します。25 ボルトの DC 電圧と 5 ボルトの AC 電圧を、長さ 68 ミクロンの 2 つの隣接するビームの間に一緒に印加します。ここで、DC電圧はバンディングを提供し、AC電圧は共振動作を可能にします。68ミクロンの長いビームにある埋め込みヒーターに追加のDC電圧を印加し、電圧を0ボルトから5.7ボルトに少しステップで増やします。これにより、ジュール加熱に基づく周波数チューニングが提供されます。各ステップで印加されたバイアス電圧に対する共振周波数と位相応答を観察および記録し、結果を表にまとめます。ここで、このサンプルの合計周波数チューニングは、5.7ボルトのDC電圧が埋め込まれたヒーターに印加されたとき、約874キロヘルツです。A/Dボタンを押すと、LDVのキャリブレーションとテストセットアップのセクションで示されたアクイジション設定ウィンドウに移動し、非常に高い周波数をサポートできる速度を変更できます。1 番目と 2 番目のモードを位相で測定します。1ヘルツの方形波信号を適用して、隣接する2つのビームから速度を帯電させることから生じるスティクション問題を解きます。ジェネレータータブに移動し、波形ドロップダウンメニューで矩形波フォームを選択します。オフセットボックスに移動し、DC電圧を1ボルトに設定します。周波数ボックスに移動し、周波数を1ヘルツに設定します。これらの新しい設定をアクティブにして、ビームに適用します。ビームの分離を観察します。熱応力試験に追加のサンプルを使用します。組み込みヒーターに印加されるバイアス電圧を少しずつ増加させて、高い熱ストレスによるデバイスの故障前の最大許容電圧を見つけます。25 ボルトの DC 電圧と 5 ボルトの AC 電圧を 68 ミクロンの隣接する 2 本のビームの間に印加し、内蔵ヒーターに印加されるバイアス電圧を 0 ボルトから 5.7 ボルトに増加させると、合計 661 キロヘルツの周波数シフトが得られます。印加バイアス電圧を25Vから35Vに増やして、68ミクロンの長さの隣接する2つのビーム間にさらなる軟化効果を加えながら、1ボルトのAC電圧を印加し、組み込みヒーターのバイアス電圧設定を同じに保ちます。この追加の軟化効果により、661キロヘルツから875キロヘルツに増加するはずの総周波数シフトが32%改善されたことを記録してください。組み込みヒーターにバイアス電圧を印加して広範囲の周波数チューニングを実現し、レーザードップラー振動計で検証します。高ボルト共振測定は、高感度で正確なバイオセンサーに有望な結果を提供するため、共振器にとって非常に重要です。レーザードップラー振動計は、ネットワークアナライザではほとんど読み取れない高電圧測定を可能にします。5番目のモードは、レーザードップラー振動計で各ビームの複数の点を測定することにより測定されました。影響の計測モード形状は、右隅に示されている有限要素解析ベースのプログラム結果と一致します。このビデオでは、長波の広範囲のチューナブルCMOS MEMSフィルターの設計、製造、および特性評価の方法を学びます。広範囲のチューナブルMEMSフィルタは、特に信号トラッキングおよび周波数ホッピングアプリケーションにおいて非常に要求が厳しいです。そのため、失敗を避けながらチューニング範囲を拡大した後、成功裏に実証され、適用が簡単で、再現性があります。燃焼やスティクションなどの一般的な問題を回避する方法は、信頼性と低コストの製造のために成功裏に実証されています。特性評価の目的で、レーザードップラー振動計またはネットワークアナライザーの優位性が見事に実証されます。これにより、フィフスモードストライピングだけでなく、ポータブルバイオセンサーやHIVなどの早期診断のための最先端技術も可能にします。

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Research

JoVE Journal

Engineering

工学

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