설계 및 효율적인 넓은 범위 가변 MEMS 필터 특성 방법론
February 4th, 2018
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.
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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개요
이 기사는 레이저 도플러 진동계(LDV)를 활용한 고정-고정 보 설계 프로토콜을 제시합니다. 주파수 튜닝을 측정하고 장치 고장을 방지하는 데 있어 LDV가 기존 네트워크 분석기보다 우수한 장점을 강조합니다.
주요 연구 구성 요소
과학 분야
- 신경과학
- 마이크로전자기계 시스템(MEMS)
- 진동계 측정
배경
- 필터는 무선 통신 시스템에서 필수적입니다.
- CMOS MEMS 공정은 센서 제조의 신뢰성을 향상시킵니다.
- 제조 중 스틱션은 장치 고장으로 이어질 수 있습니다.
- LDV는 네트워크 분석기에 비해 우수한 측정 기능을 제공합니다.
연구 목적
- MEMS 공진기 측정에 있어 LDV의 효과를 입증하기 위함입니다.
- 장치의 튜닝 기능을 수정하기 위함입니다.
- 제조 과정에서 스틱션과 장치 고장을 피하기 위함입니다.
사용된 방법
- 고정-고정 보 설계 프로토콜.
- 레이저 도플러 진동계(LDV) 측정.
- 주파수 튜닝 평가.
- 네트워크 분석기 방법과의 비교.
주요 결과
- LDV는 네트워크 분석기보다 더 높은 모드 기능을 보였습니다.
- 주파수 튜닝의 성공적인 측정이 이루어졌습니다.
- 튜닝 기능의 수정이 효과적으로 구현되었습니다.
- 제조 과정에서 스틱션을 성공적으로 피할 수 있었습니다.
결론
- LDV는 MEMS 공진기를 측정하는 우수한 방법입니다.
- 이 프로토콜은 장치의 신뢰성과 성능을 향상시킬 수 있습니다.
- 향후 응용 분야는 이 고급 측정 기술의 이점을 누릴 수 있습니다.
자주 묻는 질문
Executive Industry Relevance
This methodology enables precise characterization of MEMS-based biosensors by overcoming limitations of conventional network analyzers, particularly in detecting higher vibrational modes critical for sensitive analyte detection. The use of laser Doppler vibrometer (LDV) provides label-free, high-resolution frequency tuning data essential for de-risking biosensor design in early discovery. This supports predictive confidence in translational biomarker applications where resonance shifts correlate with target binding.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of MEMS resonator higher modes for enhanced sensitivity in biosensor applications.
- Operational Value: Facilitates functional validation of MEMS designs through label-free vibration measurement without electrical parasitics.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Provides quantitative resonance frequency and phase response data for assay optimization under varying thermal and electrical conditions.
- Operational Value: Supports standardization of MEMS sensor characterization via LDV, improving reproducibility across development teams.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Enables characterization of MEMS biosensors at higher modes, improving detection limits for low-abundance biomarkers.
- Operational Value: Avoids stiction and thermal failure through simple square wave signaling and bias voltage optimization, enhancing device yield.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into the discovery workflow by enabling reliable MEMS biosensor characterization from design validation through preclinical feasibility, particularly for frequency-hopping and signal-tracking applications.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing via direct measurement of resonant frequency shifts induced by biomolecular interactions.
- Screening: Ensures assay readiness through reproducible frequency tuning and mode characterization using LDV.
- Analytics: Delivers quantitative outputs including resonance frequency, phase response, and tuning range for comparative condition analysis.
- Translational Research: Connects to preclinical continuity by enabling characterization of MEMS devices under biosensing-relevant conditions.
- Enterprise Reuse: Establishes LDV-based characterization as a reusable platform for MEMS biosensor development across projects.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Higher mode detection and wide-range frequency tuning improve predictive confidence in biosensor performance.
- Operational Value: Eliminates need for complex parasitics correction and enables characterization of small-scale MEMS devices.
- Strategic Value: Reduces late-stage failure risk by identifying thermal and stiction limits early in development.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of MEMS biosensor candidates based on validated tuning range and reliability.
Implementation Considerations
- Expertise in laser Doppler vibrometry and MEMS device packaging.
- Access to LDV system with FFT capability and MHz-range bandwidth.
- Standardization of thermal and electrical biasing protocols across teams.
- Adaptation considerations for varying beam lengths and mode targets.
- Limitation: High thermal stress from Joule heating requires bias voltage optimization to avoid device burnout.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
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Title
2:51
Selecting and Designing Optimum Structure
3:31
Modeling and Fabrication on CMOS
5:39
Device Testing: Thermal Camera Test for Embedded Heaters
6:27
Device Testing: Calibrating LDV and Test Setup
9:19
Device Testing: Testing 68μm Long MEMS Filters via LDV
10:32
Device Testing: Higher Mode Measurement
11:01
Avoiding Device Failures
11:45
Avoiding Failures: High Thermal Stress and Burning
12:10
Boosting The Tuning Capability
13:16
Results
14:07
Conclusion
