Name: 설계 및 효율적인 넓은 범위 가변 MEMS 필터 특성 방법론 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-02-04T13:00:00.000+00:00
Duration: 15 min 25 s
Description: 배우세요 레이저 도플러 진동계를 이용한 CMOS MEMS 공정 기반 고정-고정 빔 필터 설계 및 광범위 주파수 튜닝 방법을. 이 기술은 기생 용량 문제를 해결하고 고차 모드 측정이 가능하여 바이오센서 등에 활용됩니다.

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이 작품은 미국 육군 연구소, Adelphi, 메릴랜드, 미국, 그랜트 W91ZLK-12-P-0447 아래에 의해 지원 되었다. 공명 측정 마이클 돌과 안토니 브록의 도움으로 실시 했다. 열 카메라 측정 조지 워싱턴 대학에서 코노 버는 데이먼의 도움으로 실시 됐다.

1. 선택 하 고 최적 구조 설계
<ol><li>광범위 한 주파수 튜닝에 대 한 고정-고정 빔 선택 (다른 후보에 비해 수 있습니다 광범위 한 튜닝 주파수 (TCF)와 상수 무시할 수 열 확장의 그것의 큰 온도 계수 때문에 열 하는 때).</li>
	<li>목적은 효율성 개선 조정 하는 경우 더 이상 광선 디자인. 목적은 주파수 호핑 또는 신호 응용 프로그램을 추적 하는 경우 더 짧은 빔 디자인.</li>
</ol>2. 모델링 및 상보성 금속 산화물 반도체 (CMOS)에서 제조
<ol><li>디자인 하 고 FEM 기반 프로그램에서 MEMS 필터에 대 한 3D 모델을 만듭니다.</li>
	<li>집적 회로 (IC) 디자인 도구, 레이어, 레이어 gds 파일을 만드는에서 같은 레이아웃을 재구성 합니다.</li>
	<li>(우리는 CMOS 0.6 µ m 기술 사용) 제조에 대 한 CMOS 파운드리이 gds 파일을 제출 합니다.</li>
	<li>계속 후 CMOS 프로세스가 완료 되 면 처리 (칩 폴 리 실리콘, 알루미늄, 및 산화물 레이어 있어야 참고).<ol>
<li>행위 CHF3/O2 드라이 에칭 프로세스는 유도 결합된 플라즈마 (ICP)를 통해 에칭 시스템. 알루미늄 층 사이 SiO2 엣지 고 5.7의 가로 세로 비율에 광선을 형성 한다. 이 프로세스에 대 한 다음 매개 변수를 사용 하 여: CHF3 40 sccm, O2 5 sccm, 0.5에서 압력 Pa, ICP 파워 500 W, 및 56 분 총 100 W에서 샘플 파워 엣지 시간.</li>
		<li>XeF 적용2 엣지 광선 아래 9 µ m 깊이 구멍을 만들려고 실리콘 기판에 과정. 이 프로세스에 대 한 XeF2 60 s/사이클 3T에서 3 사이클 시스템을 에칭을 사용 합니다.</li>
	</ol>
</li>
	<li>스캐닝 전자 현미경 (SEM) 그들은 제대로 조작 되도록 장치 특징. 이 단계에 대 한 변경 광속 가속 전압 2.58 kV와 9.5 m m 작동 거리.</li>
</ol>3. 장치 테스트
참고: 장치 테스트 테스트 및 주파수 응답 시험을 열 줄을 포함 하 여 많은 단계가 이루어져 있다.
<ol><li>
포함 된 히터에 대 한 열 카메라 테스트
	<ol>
<li>칩 위에 열 카메라 놓고 그들은 광선을 열 수 있도록 포함 된 히터를 테스트 합니다.</li>
		<li>칩 패키지에 전원 공급 장치를 연결 하 고 광선에 걸쳐 온도 높이기 위해 작은 단위로 5.7 V 0 V에서에서 포함 된 히터에 DC 전압을 적용 합니다.</li>
		<li>가 열 과정 열 카메라를 통해 칩 패키지에 걸쳐 온도 프로 파일을 기록 합니다. 수치 컴퓨팅 프로그램에 결과 저장 하 고 난방 프로필 플롯.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
LDV 및 테스트 설치를 보정
	<ol>
<li>120 µ m 긴 들보 위에 레이저를 놓습니다.</li>
		<li>모두 7 V DC를 적용할 두 120 µ m 긴 광선 사이의 공명 작업에 대 한 3 V AC 전압 전원 공급 장치를 연결 합니다. 최대 5.7 V 줄 공명 작업 중 광선에 난방을 적용 하려면 포함 된 히터를 추가 DC 바이어스 전압을 연결 합니다.</li>
		<li>저소음 레이저 반사를 빔 레이저 다른 장소로 이동 합니다. 소음 감소를 파란색 막대의 강도 증가 해야 합니다.</li>
		<li>화면 보정 측정 설치 시작 하 다중 뷰 나눕니다.</li>
		<li>수집 설정, FFT 측정 모드 설정, 할 하지 어떤 필터를 사용 하 여 이동한 2 mhz 대역폭을 설정 합니다.</li>
		<li>그것은 2.5 m h z의 최대 주파수를 지원할 수 있도록 속도 변경 합니다.</li>
		<li>정기적인 짹짹 파형을 사용 합니다. 참고: 여기, 진폭 AC 전압에 대 한 의미와 오프셋 DC 전압에 대 한 의미 합니다.</li>
		<li>이 새로운 설치와 함께 측정을 시작 합니다.</li>
		<li>1 V DC 전압을 변경 하 여 수집 설정을 업데이트 합니다.</li>
		<li>Ref1 보여줍니다 빨간 경보 (이 즉 신호는 시끄러운) 인수 설정 창에서 적용 된 바이어스 전압을 감소.</li>
		<li>신호 대 잡음 비율을 더욱 높이기 위해 빔 레이저 다른 장소로 이동 합니다. 때때로, 진동 바;에 빨간 경보를 발생 시키는 빔에 나쁜 점이 있을 수 있습니다. 이 경우에, 최고의 장소에 대 한 검색을 계속 합니다.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
LDV 통해 68 µ m 긴 MEMS 필터 테스트
	<ol>
<li>테스트에 대 한 68 µ m 긴 MEMS 필터를 선택 합니다.</li>
		<li>25 V DC 전압 및 5 V AC 전압 두 68 µ m 오랫동안 인접 한 광속 사이 함께 적용 합니다. 여기, DC 전압 제공 절곡 하 고 AC 전압 공 진 작업을 수 있습니다.</li>
		<li>68 µ m 긴 빔에 포함 된 히터를 추가 DC 전압을 적용 하 고 작은 단위로 5.7 V 0 V에서에서 전압을 증가. 이 제공할 것 이다 주파수 튜닝은 줄에 따라 난방.</li>
		<li>관찰 하 고 공 진 주파수와 위상 응답 각 단계에서 적용 된 바이어스 전압에 관하여 기록 테이블에 결과 요약. 여기,이 샘플에 대 한 총 주파수 튜닝 때 약 874 kHz 5.7 V DC 전압 내장된 히터에 적용 됩니다. 참고: (왼쪽에) 실제 측정 및 시뮬레이션 (오른쪽)에 동기화 됩니다.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
높은 모드 측정
	<ol>
<li>A/D 버튼 섹션 3.2에서 인수 설정 창으로 이동 하 고 그것은 매우 높은 주파수를 지원할 수 있도록 속도 변경.</li>
		<li>첫 번째 및 두 번째 모드 그들의 단계를 측정 합니다. 참고: 기본 공명 변위 Y 방향 모드-1 이며 모드 2 (현미경으로 그)는 Z 방향에서입니다.</li>
	</ol>
</li>
</ol>4. 장치 실패를 피하
<ol><li>
낮은 주파수 구형 파 신호 응용 프로그램 stiction를 해결 하기 위해
	<ol>
<li>두 개의 인접 한 광속 사이 정전기 충전 결과인 stiction 문제 해결을 1hz 구형 파 신호를 적용 합니다.</li>
		<li>오프셋된 상자에가 고 1 V AC 전압을 유지 하면서 DC 전압 1 V로 설정.</li>
		<li>주파수 상자에가 고 1 Hz로 주파수를 설정.</li>
		<li>활성화 하 고 광선에이 새로운 설치를 적용.</li>
		<li>광선의 분리를 관찰 합니다.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
높은 열 스트레스와 레코딩
	<ol>
<li>열 스트레스 테스트에 대 한 추가 예제를 사용 합니다.</li>
		<li>장치 높은 열 스트레스로 인해 실패 하기 전에 허용 되는 최대 전압을 찾을 작은 증가 의해 포함 된 히터에 적용 된 바이어스 전압을 증가.</li>
	</ol>
</li>
</ol>5. 튜닝 기능 강화
<ol><li>총 661 kHz 주파수 변화 5.7 V, 0 V에서에서 포함 된 히터에 적용 된 바이어스 전압을 증가 하는 동안 두 개의 68 µ m 인접 한 광선 사이 25 V DC 전압 및 5 V AC 전압 함께 적용 됩니다.</li>
	<li>1 V AC 전압을 적용 하 고 같은 바이어스 전압 설정 내장된 히터에 유지 하는 동안 두 개의 68 µ m 오랫동안 인접 한 광선 사이 효과 부드럽게 추가 봄을 추가 하려면 35 V 25 V 적용된 바이어스 전압을 증가.</li>
	<li>875 킬로 헤르츠에서 효과 부드럽게 추가 봄 오는 661 kHz에서 증가 한다 전체 주파수 편이에 32% 향상을 기록 합니다. 참고: 우리의 지식 최선을 MEMS 공 진 기의 튜닝 기능을 변경 달성 되었다이 작품에서 처음으로.</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>
<li>Lopez, J. L., et al. <a target="_blank" href="http://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/5109806/">A CMOS-MEMS RF-Tunable Bandpass Filter Based on Two High-Q 22-MHz Polysilicon Clamped-Clamped Beam Resonators.</a> IEEE Electron Device Lett. 30 (7), 718-720 (2009).</li>
<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>
<li>Remtema, T., Lin, L. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0924424701006033">Active frequency tuning for micro resonators by localized thermal stressing effects.</a> Sens. Actuators A, Phys. 91 (3), 326-332 (2001).</li>
<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>
<li>Kushmerick, J. G., et al. <a target="_blank" href="https://link.springer.com/article/10.1023/A%3A1009082530479">The influence of coating structure on micromachine stiction.</a> Tribol Lett. 10 (1), (2001).</li>
<li>Kim, J. M., et al. <a target="_blank" href="http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0960-1317/12/5/327/meta">Continuous anti-stiction coatings using self-assembled monolayers for gold microstructures.</a> J. Micromech. Microeng. 12 (5), 688-695 (2002).</li>
<li>Bhattacharya, E., et al. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/pssa.200461149/abstract">Effect of porous silicon formation on stiction in surface micromachined MEMS structures.</a> Phys. Stat. Sol. (A). 202 (8), 1482-1486 (2005).</li>
<li>Koppaka, S. B., Phinney, L. M. <a target="_blank" href="http://ieeexplore.ieee.org/document/1416917/">Release Processing Effects on Laser Repair of Stiction-Failed Microcantilevers.</a> J. Microelectromech. Syst. 14 (2), 410-418 (2005).</li>
<li>Ghatkesar, M. K., et al. <a target="_blank" href="https://www.semanticscholar.org/paper/Higher-modes-of-vibration-increase-mass-sensitivit-Ghatkesar-Barwich/b50ed2d5233ea10271788baa70517f97d465d3aa">Higher modes of vibration increase mass sensitivity in nanomechanical microcantilevers.</a> Nanotechnology. 18 (44), 445502(2007).</li>
<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>

공개 하는 것이 없다.

MEMS 필터를 건물의 중요 한 단계 중 하나는 응용 프로그램 영역에 따라 장치를 디자인 하입니다. 이상 또는 대 한 얇은 빔 이어야 한다 더 나은 효율성 (ppm/mW), 하지만 짧은 또는 얇은 주파수 호핑 또는 신호 추적 응용 프로그램에 대 한 조정. 같은 방식으로, LDV 통해 명확한 신호 검출은 적어도 3-4 µ m 두께 빔 디자인 더 그래서 테스트 장치에서 중요 합니다. 그렇지 않으면 신호 시끄러운 것, 렌즈, 그리고 그것은 X 100도로 소음 제거 (LDV 소프트웨어에 포함 된)와 최적의 탐지를 달성 하기 위해 테스트 하는 여러 포인트를 걸립니다. 그것의 큰 TCF 때문 (캔틸레버, 음 차, 그리고 무료-무료 빔), 다른 후보에 비해 고정-고정 빔, 광범위 주파수 튜닝가 열 수 있습니다. 이 연구에서 우리는 난방 히터 내장된으로 폴 리 실리콘 레이어 방법 줄 사용.
Stiction 방지 하는 방법:
<p class="jove_con...

그들의 높은 신뢰성, 저전력 소비, 소형 디자인, 높은 품질 계수, 및 낮은 비용으로 인해 MEMS 필터에 대 한 수요에 있다. 센서와 무선 통신의 핵심 부품으로 널리 사용 됩니다. 온도 센서1, 바이오 센서2,3,4가스 센서, 필터5,,67및 발진기는 가장 인기 있는 응용 분야. 가장 인기 있는 정전기 MEMS 필터는 고정-고정 빔5,8, 외팔보2, 튜닝 포크6, 무료 무료 빔6,7, 굴곡 디스크 디자인7, 그리고 사각형 모양 디자인9.
디자인 방법론 (응용 프로그램 기반 구조를 최적화, 광범위 주파수 튜닝 범위, 및 오류 방지) 및 특성 (빠른 프로토 타이핑, 피 기생 같은 MEMS 필터 실현에 많은 중요 한 단계는 커패시턴스, 그리고 감지 높은 모드)입니다. 주파수 튜닝 기능 제작 공차 또는 온도 변화 주파수 변경에 대 한 보상 필요 합니다. 다른 기술을10,,1112 ;이 요구 사항을 처리 하는 문학에서 보고 되었습니다. 그러나, 그들은 제한 된 주파수 튜닝 기능, 낮은 중심 주파수, 추가 후 처리 요구 사항 및 외부 히터10,11같은 몇 가지 단점이 있다.
선물이 광범위 주파수 튜닝은 줄에 의해 제한 된 주파수 범위는 탄성 계수를 통해 튜닝 방법5,13 난방이 연구에서 변경12 (2 개의 인접 한 광선 사이의 DC 바이어스 전압을 증가)와 자료 단계 전환 방법10,11. 또한, 최적의 구조 선택 하 고 응용 프로그램 기반 디자인 Göktaş와 Zaghloul의13에 요약 했다. 여기, 우리는 LDV의 도움으로 내장된 히터에 적용 되는 DC 전압을 증가 하 여 고정-고정 빔의 공명 주파수를 조정 하는 방법을 보여 줍니다. 유한 요소 해석 (FEM) 시뮬레이션 시각화 튜닝 메커니즘을 위해 동일한 프레임에 LDV 측정으로 동기화 됩니다. 난방과 빔을 통해 프로필 굽 힘 줄 포함 됩니다.
우리는 또한 (점화 장치 및 stiction) 오류 및 제안된 솔루션 제시. 줄 난방 방법 고정-고정 빔의 높은 열 스트레스와 함께에서 다양 한 주파수 튜닝 제공 하지만 동시에 탄된 장치는 특정 온도 수준에서 발생할 수 있습니다. 이것은 다른 재료14사이 높은 열 스트레스에 기인 합니다. 솔루션 차례로 튜닝 범위 (32%), 증가 하 고 높은 온도 대 한 필요성을 제거 하는 두 개의 인접 한 광선 사이의 DC 전압을 증가 하는. 이 "튜닝 튜닝 범위" 방법은 먼저 Göktaş 및 Zaghloul5에서, Göktaş 및 Zaghloul13, 좀 더 자세하게에서 설명 이었고 다시 여기에 제시. 다른 한편으로, Stiction, 제조 과정 또는 공명 작업 동안 자리를 차지할 수 있습니다. 접착 에너지15,16, 증가 표면 거칠기17, 그리고18레이저 수리 과정 줄이기 위해 표면 코팅을 적용 하는 등이 문제를 해결 하기 위해 제안 된 많은 기술이 있다. 대조적으로, 선물이 간단한 기술은 저주파 구형 파 신호는 두 개의 연결 된 광선 사이 적용 된 장소와 분리 LDV에 의해 성공적으로 기록 되었다. 이 메서드는 제거할 수 있는 추가 비용과 디자인 복잡성 감소.
최첨단 MEMS 필터에 또 다른 중요 한 단계는 특성화 및 검증. 네트워크 분석기와 특성화는 가장 인기 있고 널리 사용 방법; 그러나, 그것은 몇 가지 단점이 있다. 심지어 작은 기생 커패시턴스는 신호를 죽 일 수 있다 그래서이 일반적으로 잡음 제거를 위한 증폭기 회로3,,68 을 요구 하 고 그것은 단지 첫 번째 모드 공명을 검색할 수 있습니다. 다른 한편으로, LDV로 특성화는이 기생 커패시턴스 문제에서 무료 이며 많은 작은 변위를 검색할 수 있습니다. 빠른 프로토 타이핑을, 앰프 설계에 대 한 필요성을 제거 하는 동안 수 있습니다. 또한, LDV 높은 모드 공명 MEMS 필터를 검색할 수 있습니다. 이 기능은 매우 유망, 특히 고감도 바이오 센서 분야에서에서. 더 높은 외팔보 모드는 훨씬 더 감도19를 제공할 수 있습니다. LDV로 고정-고정 빔의 높은 모드 측정 표시 이며 FEM 시뮬레이션 측정에 적용 됩니다. FEM 시뮬레이션에서 조 결과 감도 고정-고정 빔의 첫 번째 모드에 비해 최대 46 시간 향상을 제공 합니다.

<table><tbody><tr><td>레이저 도플러 진동계</td><td>Polytec</td><td>Polytec MSA-500</td><td></td></tr><tr><td>주사 전자 현미경</td><td>Zeiss</td><td></td><td></td></tr><tr><td>열 카메라</td><td>X</td><td></td><td></td></tr><tr><td>전원 공급 장치&nbsp;</td><td>Egilent</td><td>(E3631A)</td><td></td></tr><tr><td>Microscope</td><td>X</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Coventor</td><td>Coventor</td><td></td><td>시뮬레이션 툴</td></tr><tr><td>Cadence Virtuoso</td><td>Cadence</td><td></td><td>시뮬레이션 툴</td></tr><tr><td>Multisim</td><td>Multisim</td><td></td><td>시뮬레이션 툴</td></tr></tbody></table>

설계 및 효율적인 넓은 범위 가변 mems 필터 특성 방법론

Design and Characterization Methodology for Efficient Wide Range Tunable MEMS Filters

여기, 우리 기술을 응용 프로그램 기반 microelectromechanical 시스템 (MEMS) 필터를 만들고 (효율적으로 사용 하는 방법 뿐만 아니라 기존의 기법 (네트워크 분석기), 레이저 도플러 신발 (LDV)의 장점 설명 즉, 조정 기능을 조정 하 고 실패와 stiction 피하). LDV 높은 모드 감지 (고감도 바이오 센서 응용 프로그램) 및 공명 측정 아주 작은 장치 (빠른 프로토타입) 같은 네트워크 분석기와 가능 하지 않은 중요 한 측정을 수 있습니다. 따라서, LDV 특성 주파수 튜닝 범위와 공 진 주파수가이 연구에 대 한 내장 된 MEMS 필터의 다른 모드에서 사용 되었다. 이 광범위 한 주파수 튜닝 메커니즘은 줄 포함된 히터 및 고정-고정 빔의 온도 대해 상대적으로 높은 열 스트레스에서 난방 단순히을 기반으로 합니다. 그러나,이 방법의 또 다른 한계는 결과 높은 열 스트레스, 장치를 구울 수 있는 설명 합니다. 추가 개선 달성 되었고이 연구에서 처음으로 표시 되도록 튜닝 기능이 적용 된 DC 바이어스 전압 (35 V 25 V) 두 개의 인접 한 광선 사이의 증가 통해 32%로 증가 했다. 이 중요 한 찾는 넓은 주파수 튜닝 범위에서가 열 하는 여분의 줄에 대 한 필요가 없습니다. 다른 가능한 실패는 stiction 그리고 구조 최적화의 요구 사항을 통해: 저주파 구형 파 신호 응용 프로그램을 성공적으로 광선을 구분할 수 더 필요의 간단 하 고 쉽게 기술 제안 문학에서 정교 하 고 복잡 한 방법입니다. 위의 결과 디자인 방법론을 할 거 고 그래서 우리는 또한 응용 프로그램 기반 디자인을 제공.

Stiction 저주파 구형 파 신호를 적용 하 여 피 했다 고이 LDV (그림 1)를 사용 하 여 확인 했다. 때문에 높은 열 스트레스14 내장된 히터에 상대적으로 높은 바이어스 DC 전압을 적용할 때 오류 (그림 2) 현미경 확인 했습니다. FEM 프로그램 빔 (그림 3)에 대 한 높은 모드를 파생 하기 위하여 사용 되었다. 튜닝 기능 (32% 증가)을 변경 하는 두 개의 인접 한 광선 사이의 DC 바이어스 전압 (35 V 25 V)를 변경 하 여 LDV (그림 4)의 도움으로이 작업을5 에서 처음으로 시연 했다. LDV 통해 높은 모드 응답을 측정 하는 능력을 성공적으로...

레이저 도플러 신발 (LDV), 튜닝, 튜닝 기능, 및 장치 실패 및 stiction, 회피의 수정 하는 주파수 측정을 포함 하 여를 사용 하는 고정-고정 빔 디자인에 대 한 프로토콜 제공 됩니다. 네트워크 분석기를 통해 LDV 방법의 우수성 때문에 그것의 더 높은 모드 기능 시연입니다.

설계 및 효율적인 넓은 범위 가변 MEMS 필터 특성 방법론

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

필터는 매우 대중적이며 무선 통신의 수신기 및 송신기 시퀀스에 널리 사용됩니다. 또한 가스 센서, 바이오 센서 및 온도 센서가 가장 널리 사용되는 응용 분야입니다. 이러한 까다로운 필터는 두 개의 개별 칩 사이의 추가 와이어를 제거하여 보다 안정적인 제조와 저잡음 신호 설계를 모두 지원하기 위해 CMOS MEMS 공정으로 제작해야 합니다.여기서 CMOS는 상보성 금속 산화물 반도체를 의미하고 MEMS는 미세 전자 기계 시스템 및 센서를 의미합니다. 또한 후처리 과정은 제작 과정에서 마찰을 피하는 방식으로 설계되어야 합니다. MEMS 공진기의 공진을 측정하는 잘 알려진 방법은 네트워크 분석기를 사용하는 것이지만, 다음과 같은 이유로 인해 레이저 도플러 진동계 기술만큼 강력한 방법은 아니다.네트워크 분석기 방법의 가장 큰 과제 중 하나는 기생 커패시턴스를 제거하는 것입니다. 설계 도구가 120미크론 긴 빔에 대한 등가 회로의 주파수 및 위상 응답을 날려버리는 데 사용된 것을 보았습니다. 이 2와트 피크 투 피크 값은 기생 커패시턴스가 1펨토패럿에서 20펨토패럿으로 증가한 경우에도 6dB에서 0.34dB로 급격히 감소했습니다.그렇기 때문에 최대 공진기 바로 옆에 설계를 발사하기 위해 최대 1개의 칩이 필요합니다. 레이저 도플러 진동계는 레이저를 사용하여 빔이 공명할 때 빔의 진동을 감지하는 또 다른 방법입니다. 네트워크 분석기와 달리 레이저 도플러 진동계 기술은 기생 커패시턴스 문제를 제거합니다.또한 생체 민감성 응용 분야와 같은 다양한 연구 분야에서 많은 이점을 제공하는 더 높은 모드 공진을 감지할 수 있으며 네트워크 분석기와 달리 훨씬 더 작은 공진기를 특성화할 수 있습니다. 이를 통해 빠른 프로토타이핑이 가능하며 특히 생체 민감성 응용 분야에서 더 민감하고 정확한 공진기가 가능합니다. 이 연구의 목표는 레이저 도플러 진동계를 사용하여 설계 후 시연하고, 주파수 튜닝을 측정하고, 튜닝 기능을 조정하고, 이중 스틱 고정-고정 빔을 피할 수 있는 지침을 제공하는 것입니다.프로세스는 최적의 구조를 찾는 것으로 시작됩니다. 두 번째 광범위 주파수 튜닝에서 고정-고정 빔을 선택하는 이유는 고정-고정 빔이 다른 후보에 비해 주파수의 온도 계수가 크고 개별 열팽창 상수가 높기 때문에 가열 시 광범위한 튜닝이 가능하기 때문입니다. 더 나은 튜닝 효율성이 목적인 경우 더 긴 빔을 설계하십시오.목적이 주파수 호핑 또는 신호 추적 애플리케이션인 경우 더 짧은 빔을 설계합니다. 유한 원소 기반 프로그램에서 MEMS 피더를 위한 3D 모델을 설계하고 생성합니다. 집적 회로 설계 도구에서 동일한 배치를 레이어별로 재구성하여 GDS 파일을 작성합니다.제작을 위해 이 GDS 파일을 CMOS 파운드리에 제출하십시오. 여기서는 CMOS 0.6 미크론 기술을 사용합니다. CMOS 공정이 완료되면 칩은 폴리실리콘, 알루미늄 및 산화물 층과 함께 제공되어야 합니다.다음 단계는 후처리 단계를 수행하는 것입니다. CHF302 건식 에칭 공정은 알루미늄 층 사이의 이산화규소로 5.7의 종횡비로 빔을 형성하는 ICPH 시스템을 통해 수행합니다. 이 프로세스에는 다음 매개 변수를 사용합니다.40sccm에서 CHF3, 5sccm에서 산소, 0.5파스칼에서 압력, 500와트의 ICP 출력, 100와트의 샘플 출력, 총 에칭 시간 56분. 실리콘 기판에 크세논 플루오라이드 에칭 공정을 적용하여 빔 아래에 9마이크로미터 깊이의 캐비티를 만듭니다. 이 과정을 위해, 주기 당 60 초 동안 3 torr에 3 주기 동안 크세논 불화물 에칭 체계를 사용하십시오.ECM에서 장치를 특성화하여 적절하게 제작되었는지 확인합니다. 이 단계에서는 빔 가속 전압을 2.58kV로, 작동 거리를 9.5mm로 변경합니다. 장치 테스트는 줄 가열 테스트 및 주파수 응답 테스트를 포함한 여러 단계로 구성됩니다.칩 위에 열화상 카메라를 배치하고 주변 히터를 테스트하여 빔을 가열하는지 확인합니다. 전원 공급 장치를 칩 패키지에 연결하여 0볼트에서 5.7볼트 사이의 임베디드 히터에 DC 전압을 적용하고 빔 전체의 온도를 높입니다. 가열 과정에서 열화상 카메라로 칩 패키지 전체의 온도 프로파일을 기록하고 결과를 수치 완성 프로그램에 저장하고 가열 프로파일을 플롯합니다.120마이크로미터 길이의 빔 상단에서 레이저를 찾습니다. 두 개의 120 미크론 긴 빔 사이에 전원 공급 장치를 연결하여 공진 작동을 위해 약 7 개의 7 볼트 DC 및 3 개의 AC 전압을 적용하십시오. 추가 DC 바이어스 볼륨을 연결합니다.tage 최대 5.7볼트의 임베디드 히터에 연결하여 공진 작동 중에 빔에 줄 가열을 적용합니다.레이저를 빔의 다른 지점으로 이동하여 레이저 편향을 훨씬 줄이십시오. 소음을 줄이려면 파란색 막대의 강도를 높여야 합니다. 화면을 여러 개의 views로 나누어 측정 설정을 보정하고 시작합니다.획득 설정으로 이동합니다. 측정 모드를 FFT로 설정합니다. 필터를 사용하지 마십시오.그리고 대역폭을 2메가헤르츠로 설정합니다. 최대 주파수 2.5MHz를 지원할 수 있는 속도를 변경합니다. 주기적인 칩 파형을 사용합니다.여기서 진폭은 AC 전압을 나타내고 오프셋은 DC 전압을 나타냅니다. 이 새로운 설정으로 연속 측정을 시작하십시오. DC 전압을 1볼트로 변경하여 획득 설정을 업데이트합니다.Ref1에 빨간색 경보가 표시되면 신호에 잡음이 있음을 의미합니다. Acquisition Settings 창에서 적용된 바이어스 전압을 줄여 문제를 해결하십시오. 레이저를 빔의 다른 지점으로 이동하여 신호 대 잡음비를 더 높입니다.때로는 진동 막대에서 빨간색 경보를 일으키는 빔의 나쁜 부분을 찾을 수 있습니다. 빔에서 가장 좋은 지점을 계속 검색하십시오. 테스트를 위해 68미크론 길이의 MEMS 필터를 선택합니다.25볼트 DC 전압과 5볼트 AC 전압을 두 개의 68미크론 길이의 인접 빔 사이에 함께 적용합니다. 여기서 DC 전압은 밴딩을 제공하고 AC 전압은 공진 작동을 가능하게 합니다. 68미크론 긴 빔에 있는 임베디드 히터에 추가 DC 전압을 적용하고 전압을 0볼트에서 5.7볼트로 작은 단계 단위로 높입니다.이것은 줄 가열을 기반으로 주파수 튜닝을 제공합니다. 각 단계에서 적용된 바이어스 전압에 대한 공진 주파수와 위상 응답을 관찰하고 기록하고 결과를 표에 요약합니다. 여기서 이 샘플에 대한 총 주파수 튜닝은 임베디드 히터에 5.7V DC 전압이 적용될 때 약 874킬로헤르츠입니다.A/D 버튼을 눌러 LDV 및 테스트 설정 섹션 보정에서 설명한 수집 설정 창으로 이동하고 매우 높은 주파수를 지원할 수 있는 속도를 변경합니다. 첫 번째 모드와 두 번째 모드를 위상과 함께 측정합니다. 1헤르츠 구형파 신호를 적용하여 인접한 두 빔에서 속도가 충전되어 발생하는 stiction 문제를 해결합니다.생성기 탭으로 이동하여 파형 드롭다운 메뉴에서 구형파 형태를 선택합니다. 오프셋 상자로 이동하여 DC 전압을 1볼트로 설정합니다. 주파수 상자로 이동하여 주파수를 1헤르츠로 설정합니다.이러한 새 설정을 활성화하고 빔에 적용합니다. 빔의 분리를 관찰하십시오. 열 스트레스 테스트를 위해 추가 샘플을 사용하십시오.임베디드 히터에 적용된 바이어스 전압을 작은 증분으로 증가시켜 높은 열 응력으로 인해 장치가 고장나기 전에 최대 허용 전압을 찾습니다. 25V DC 전압 및 5V AC 전압을 두 개의 68미크론 인접 빔 사이에 함께 적용하면서 임베디드 히터에 적용된 바이어스 전압을 0V에서 5.7V로 증가시켜 총 661kW의 주파수 이동을 얻습니다. 적용된 바이어스 전압을 25볼트에서 35볼트로 증가시켜 1볼트 AC 전압을 적용하고 임베디드 히터에서 동일한 바이어스 전압 설정을 유지하면서 두 개의 68미크론 길이의 인접한 빔 사이에 추가 연화 효과를 추가합니다.이 추가 연화 효과로 인해 661 킬로헤르츠에서 875 킬로헤르츠로 증가해야 하므로 총 주파수 이동이 32% 개선된 것을 기록하십시오. 임베디드 히터에 적용된 바이어스 전압을 적용하여 광범위한 주파수 튜닝이 달성되고 레이저 도플러 진동계로 검증됩니다. 더 높은 전압 공진 측정은 고감도 및 정확한 바이오 센서에 대한 유망한 결과를 제공하기 때문에 공진기에 매우 중요합니다.레이저 도플러 진동계는 네트워크 분석기로 거의 판독할 수 없는 고전압 측정을 가능하게 합니다. 5번째 모드는 각 빔의 여러 지점을 측정하여 레이저 도플러 진동계로 측정했습니다. 유한 요소와의 정합에 영향을 미치기 위해 측정된 모드 형상은 오른쪽 모서리에 표시된 기반 프로그램 결과를 분석합니다.이 동영상은 장파, 광범위한 조정 가능한 CMOS MEMS 필터를 설계, 제작 및 특성화하는 방법을 가르칩니다. 광범위한 튜너블 MEMS 필터는 특히 신호 추적 및 주파수 호핑 응용 분야에서 매우 까다롭습니다. 그렇기 때문에 실패를 피하면서 튜닝 범위를 높인 후 성공적으로 시연되고 적용하기 쉽고 반복 가능합니다.연소 및 stiction과 같은 일반적인 문제를 피하는 방법은 신뢰성과 저비용 제작을 위해 성공적으로 입증되었습니다. 특성화를 위해 레이저 도플러 진동계 또는 네트워크 분석기의 우수성이 성공적으로 입증되었습니다. 다섯 번째 모드 스트라이핑을 가능하게 할 뿐만 아니라 휴대용 바이오센서 및 HIV와 같은 조기 진단을 위한 최첨단 기술을 가능하게 합니다.

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Research

연구

JoVE Journal

Engineering

공학

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