Design en karakterisatie methodologie voor efficiënte Wide Range afstembare MEMS Filters

Summary

Een protocol voor een vaste-fixed beam-ontwerpen met behulp van een laser Doppler vibrometer (LDV), met inbegrip van de meting van de frequentie afstemmen, wijziging van tuning mogelijkheden, en het vermijden van apparaatfout en stiction, wordt gepresenteerd. De superioriteit van de LDV-methode over de netwerkanalyse blijkt toe te schrijven aan zijn hogere modus vermogen.

Abstract

Hier tonen we de voordelen van de laser Doppler vibrometer (LDV) over conventionele technieken (de netwerkanalyse), evenals de technieken voor het maken van een filter programma's gebaseerde microschakelaars systems (MEMS) en hoe het te gebruiken efficiënt) dat wil zeggen, tuning de tuning-mogelijkheid en vermijden van zowel mislukking en stiction). LDV kunt cruciale metingen die onmogelijk met de netwerkanalyse, zoals hogere modus detectie (hooggevoelige biosensor toepassing) en resonantie meting voor zeer kleine apparaten (snelle prototyping). Dienovereenkomstig, LDV werd gebruikt voor het karakteriseren van de tuning frequentiebereik en de resonantiefrequentie bij verschillende takken van de MEMS geluidsfilters voor deze studie. Dit breed scala frequentie tuning mechanisme berust gewoon op Joule verwarming van de ingesloten verwarmers en relatief hoge thermische stress met betrekking tot de temperatuur van een vaste-vaste bundel. We tonen echter aan dat een andere beperking van deze methode is de resulterende hoge thermische stress, die de apparaten kunt branden. Verdere verbetering was bereikt en weergegeven voor de eerste keer in deze studie, zodanig dat de tuning vermogen steeg met 32% door een toename van de toegepaste bias gelijkspanning (25 V tot en met 35 V) tussen de twee aangrenzende balken. Deze belangrijke bevinding elimineert de noodzaak voor de extra Joule Verwarming op de bredere tuning frequentiebereik. Een andere mogelijke mislukking is door middel van stiction en eis van de optimalisering van de structuur: stellen wij voor een eenvoudige en gemakkelijke techniek van lage frequentie blokgolf signaal toepassing die met succes de balken kunt scheiden en elimineert de noodzaak voor de meer verfijnde en ingewikkelde methoden gegeven in de literatuur. De bovenstaande bevindingen vereisen een Ontwerpmethodologie en dus bieden wij ook een programma's gebaseerde ontwerp.

Introduction

Er is een groeiende vraag naar MEMS filters vanwege hun hoge betrouwbaarheid, lage machtsconsumptie, compact ontwerp, factor van hoge kwaliteit en lage kosten. Ze worden veel gebruikt als sensoren en als belangrijkste delen in draadloze communicatie. Temperatuur sensoren¹, biosensoren^2,3, gas-sensoren⁴,^6,7van de^5,van de filters en oscillatoren zijn de populairste toepassingsgebieden. De meest populaire elektrostatische MEMS-filters zijn vaste-fixed beam^5,8, cantilever², stemvork⁶, gratis-gratis beam^6,7, buigsterkte-schijf ontwerp⁷, en vierkant ontwerp⁹.

Er zijn vele kritische stappen bij het realiseren van een MEMS-filter, zoals Ontwerpmethodologie (programma's gebaseerde structuur optimalisatie, breed scala frequentie afstelling van bereik, en het vermijden van fouten) en karakterisering (snelle prototyping, vermijden van parasitaire capacitances, en detectie hogere modi). Frequentie afstemming van de capaciteit is vereist om te compenseren voor elke frequentie veranderingen als gevolg van fabricage toleranties, of variaties van de omgevingstemperatuur. ^11,12 van de^10,van de verschillende technieken zijn gemeld in de literatuur inspelen op deze eis; zij hebben echter een aantal nadelen zoals beperkte frequentie tuning mogelijkheden, lage center frequentie, extra nabewerking eisen, en externe kachel^10,11.

In deze studie presenteren we breed scala frequentie afstemming door de Joule verwarming methode^5,13 over een beperkte frequentie bereik via een elasticiteitsmodulus tuning wijzigen¹² (verhoging van de bias gelijkspanning tussen twee aangrenzende balken) en een materiaal fase overgang methode^10,11. Bovendien, de selectie van de optimale structuur en het ontwerp programma's gebaseerde werden samengevat in Göktaş en Zaghloul¹³. Hier, laten we het afstellen van de resonantiefrequentie van een vaste-fixed beam doordat de DC spanning toegepast op de ingesloten kachel met de hulp van de LDV. De simulatie van eindige elementen analyse (FEM) wordt gesynchroniseerd met de LDV meting in hetzelfde frame ter wille van het visualiseren van de tuning mechanisme. Het gaat hierbij om de Joule verwarming en profiel gedurende de lichtbundel buigen.

Ook presenteren we de mogelijke storingen (verbrande apparaten en stiction) en de voorgestelde oplossingen. De Joule verwarming methode in combinatie met de hoge thermische belasting van de vaste-vaste lichtbundel biedt breed scala frequentie afstemming maar tegelijkertijd kan leiden tot verbrande apparaten op een bepaalde temperatuur-niveau. Dit wordt toegeschreven aan de hoge thermische stress tussen verschillende materialen¹⁴. De oplossing is om de DC-spanning tussen de twee aangrenzende balken, die op zijn beurt verhoogt de tuning bereik (32%), en elimineert de noodzaak voor hoge temperaturen. Deze methode van "tuning de tuning-range" was eerst aangetoond in Göktaş en Zaghloul⁵, meer uitvoerig toegelicht in Göktaş en Zaghloul¹³en opnieuw hier gepresenteerd. Stiction, aan de andere kant, kan plaatsvinden tijdens het fabricage proces of resonantie. Er zijn vele technieken voorgesteld om aan te pakken dit probleem zoals het toepassen van de oppervlaktelaag hechting energie^15,16, toenemende oppervlakteruwheid¹⁷, en de laser reparatie proces¹⁸te verminderen. In tegenstelling, presenteren we een eenvoudige techniek waar een lage frequentie blokgolf signaal werd toegepast tussen twee aangesloten balken en de scheiding werd met succes opgenomen door LDV. Deze methode kan elimineren extra kosten en verminderen van de complexiteit van het ontwerp.

Een andere kritische stap in het opbouwen van een ultramoderne MEMS filter is karakterisering en controle. Karakterisering met een netwerkanalyse is een van de meest populaire en meest gebruikte methoden; het heeft echter een aantal nadelen. Zelfs kleine parasitaire capaciteit kan het doden van het signaal en dus dit meestal een versterker circuit^3,6,8 voor lawaai wegnemen vereist, en het kan alleen de eerste modus resonantie detecteren. Aan de andere kant, karakterisering met LDV is vrij van dit probleem parasitaire capaciteit, en veel kleinere verplaatsing kan detecteren. Hierdoor is snelle prototyping, terwijl eliminerend de behoefte aan ontwerp van de versterker. Bovendien kan LDV hogere modus resonantie van MEMS filters detecteren. Deze functie is zeer veelbelovend, vooral op het gebied van hooggevoelige biosensoren. Een hogere ' Freischwinger '-modus kan bieden veel meer gevoeligheid¹⁹. De hogere modus meting van een vaste-vaste bundel met LDV is aangetoond en toegepast op FEM simulatie meting. De vroegtijdige resultaten van de simulatie van de FEM bieden tot 46 keer verbetering in gevoeligheid t.o.v. de eerste modus van de lichtbundel vast-vast.

Protocol

1. selecteren van en het ontwerpen van een optimale structuur

1. Selecteer de vaste-fixed beam voor breed scala frequentie afstemming (in vergelijking met andere kandidaten, het maakt breed scala afstemmen wanneer het wordt verwarmd wegens zijn grote temperatuurcoëfficiënt van frequentie (TCF) en te verwaarlozen thermische uitzetting constante).
2. Ontwerp een langere straal als het doel is verbetering van de efficiëntie afstemmen. Ontwerp een kortere balk als het doel is frequentie hoppen of signaal traceringstoepassingen.

2. modellering en fabricage in Complementary Metal-oxide Semiconductor (CMOS)

1. Ontwerp en maak het 3D-model voor de MEMS filter in een FEM-programma.
2. Het reconstrueren van de dezelfde lay-out in een hulpmiddel van het ontwerp van geïntegreerde circuit (IC), laag voor laag het gds-bestand maken.
3. Dit gds-bestand naar de CMOS gieterij voor fabricage (wij gebruikten CMOS-technologie voor 0,6 µm) verzonden.
4. Gaat u verder met de post-processing zodra het CMOS is voltooid (merk op dat de chips polysilicium, aluminium en oxide lagen moeten).
   1. Gedrag de CHF₃/O₂ droge etch proces via een inductief gekoppeld plasma (ICP) etch systeem. Etch de SiO₂ tussen aluminium lagen en vormen van de balken op de hoogte-breedteverhouding van 5,7. Voor dit proces, de volgende parameters gebruiken: CHF₃ bij 40 sccm, O₂ op 5 sccm, druk op 0,5 Pa, ICP bij 500 W, en monster macht bij 100 W met een totaal van 56 min etch tijd.
   2. Toepassing van de XeF₂ etch proces in het substraat van silicium maken een 9 µm diepte holte onder de balken. Gebruik de XeF₂ etsen systeem voor 3 cycli bij 3T, voor 60 s/cyclus voor dit proces.
5. Kenmerkend zijn de apparaten met een Scannende Elektronen Microscoop (SEM) om ervoor te zorgen dat ze goed zijn gefabriceerd. Voor deze stap, veranderen de lichtbundel versnelling van spanning naar 2,58 kV en de afstand tot 9,5 mm.

3. apparaat testen

Opmerking: Apparaat testen bestaat uit vele stappen, met inbegrip van de verwarming en frequentie response test Joule.

1. Thermische camera test voor ingesloten kachels
   1. Plaats de thermische camera op de top van de chip en test de ingesloten verwarmingsautomaten om ervoor te zorgen dat zij warmte de balken.
   2. Sluit de voeding aan het pakket van de spaander en een gelijkspanning van toepassing op de ingesloten verwarmingsautomaten van 0 V naar 5.7 V in kleine stappen om de temperatuur in de balken te verhogen.
   3. Record het temperatuursprofiel in heel het pakket van de spaander via een thermische camera tijdens het verhittingsproces. De resultaten opslaan in een numerieke computer programma en het profiel van de verwarming uitzetten.
2. Kalibreren van de LDV en test setup
   1. Positie van de laser op de top van de 120 µm lange balken.
   2. Sluit de voeding tussen de twee 120 µm lange balken toe te passen zowel 7 V DC en 3 V wisselstroom voor de werking van resonantie. Een extra bias gelijkspanning verbinden met de ingesloten kachels met een maximum van 5,7 V toe te passen Joule verhitting tot de balken tijdens de operatie resonantie.
   3. Verplaats de laser naar een andere plek op de balk om een laag geluidsniveau laser reflectie. Zorg ervoor dat het verhogen van de intensiteit van de blauwe balk te verminderen van het lawaai.
   4. Verdeel het scherm in meerdere weergaven te kalibreren en start de meting setup.
   5. Ga naar overname-instellingen, de meting modus instelt op FFT, niet elk filter gebruiken, en de bandbreedte ingesteld op 2 MHz.
   6. De snelheid wijzigen zodat het een maximale frequentie van 2.5 MHz kan ondersteunen.
   7. Gebruik de periodieke Tjilpen golfvorm.
      Opmerking: Hier, Amplitude staat voor wisselstroom en Offset staat voor gelijkspanning.
   8. Begin de meting met deze nieuwe setup.
   9. De overname-instellingen bijwerken door het veranderen van de gelijkspanning op 1 V.
   10. De toegepaste bias spanning in de overname-instellingen-venster verkleinen wanneer de verw1 het rode alarm (dit betekent toont dat het signaal luidruchtig is).
   11. Verplaats de laser naar een andere plek op de bundel de signal-to-noise verhouding verder te vergroten. Soms kan er slechte plekken op de balk die het rood alarm op de balk van trillingen veroorzaakt; in dit geval blijven zoeken naar de beste plek.
3. Testen van 68 µm lang MEMS filters via LDV
   1. Selecteer het 68 µm lang MEMS filter voor het testen.
   2. 25 V gelijkspanning en 5 V AC spanning tussen de twee 68 µm lang aangrenzende balken samen toepassen. Hier, de DC-spanning biedt buigen en de wisselstroom maakt de resonantie bediening mogelijk.
   3. Een extra DC spanning van toepassing op de ingesloten kachels geplaatst in de 68 µm lang lichtbundel en verhogen van de spanning van 0 V naar 5.7 V in kleine stappen. Dit zorgt voor frequentie afstemming op basis van de Joule Verwarming.
   4. Observeren en registreren de resonantiefrequentie en fase respons met betrekking tot de toegepaste bias spanning bij elke stap en de resultaten in een tabel samen te vatten. Hier, is de totale frequentie afstemming voor dit voorbeeld ongeveer 874 kHz, wanneer de 5.7 V DC spanning wordt toegepast op de ingesloten kachel.
      Opmerking: Simulaties (aan de rechterkant) en de echte meting (aan de kant van de linksen) worden gesynchroniseerd.
4. Hogere modi meting
   1. Druk op de knop A/D om naar het venster van de overname-instellingen aangetoond in punt 3.2, en de snelheid te wijzigen, zodat het zeer hoge frequenties kan ondersteunen.
   2. De eerste en de tweede modus met hun fase meten.
      Opmerking: De verschuiving van de primaire resonantie is in de Y-richting voor modus-1 en het is in Z-richting (dus naar de Microscoop) voor modus-2.

4. het vermijden van apparaatfout

1. Lage frequentie blokgolf signaal toepassing op te lossen stiction
   1. Toepassing van een signaal van de blokgolf 1 Hz op te lossen het probleem van de stiction die voortvloeit uit het elektrostatisch opladen tussen de twee aangrenzende balken.
   2. Ga naar het vak offset en stel de gelijkspanning op 1 V, terwijl de AC spanning op 1 V.
   3. Ga naar het vak van de frequentie en de frequentie ingesteld op 1 Hz.
   4. Activeren en deze nieuwe instelling van toepassing op de balken.
   5. Let op de scheiding van de balken.
2. Hoge thermische stress en branden
   1. Gebruik een extra monster voor de thermische stress-test.
   2. De toegepaste bias spanning op de ingesloten kachel met kleine stappen te vinden van de maximaal toelaatbare spanning voordat het apparaat als gevolg van hoge thermische stress mislukt verhogen.

5. het stimuleren van de Tuning mogelijkheden

1. Toepassen samen een 25 V DC spanning en 5 V AC spanning tussen de twee 68 µm aangrenzende balken terwijl het verhogen van de toegepaste bias spanning op de ingesloten verwarmer van 0 V naar 5.7 V, voor een totale 661 kHz frequentieverschuiving.
2. De toegepaste bias spanning van 25 V tot en met 35 V toe te voegen een extra voorjaar verzachtend effect tussen de twee 68 µm lang aangrenzende balken, terwijl een 1 V AC spanning toe te passen en het houden van dezelfde bias voltage instellingen op de ingesloten verwarmingsautomaten vergroten
3. De 32% verbetering in totale frequentieverschuiving opnemen, als het moet van 661 kHz tot 875 kHz vanuit dit extra voorjaar verzachtend effect.
   Opmerking: Het beste van onze kennis, veranderen de tuning mogelijkheden van de MEMS-resonatoren werd bereikt voor de eerste keer in dit werk.

Results

Stiction werd vermeden door lage frequentie blokgolf signaal toe te passen en dit werd geverifieerd met behulp van LDV (Figuur 1). Mogelijke storing te wijten aan hoge thermische stress¹⁴ bij de toepassing van de relatief hogere bias DC spanning op de ingesloten verwarmingsautomaten werd gecontroleerd onder Microscoop (Figuur 2). De FEM-programma werd gebruikt voor het afleiden van de hogere modi voor de l...

Discussion

Een van de kritische stappen voor het bouwen van MEMS filters is het ontwerpen van het apparaat op basis van de module. De lichtbundel moet langer of dunner voor beter afstemmen efficiëntie (ppm/mW), maar korter of dunner voor frequentie hoppen of signaal traceringstoepassingen. Op dezelfde manier is duidelijk signaal detectie via LDV kritisch in apparaat testen en daarom is het beter om het ontwerp van de lichtbundel met ten minste 3-4 µm dikte. Anders is het signaal zal worden luidruchtig, zelfs met een 100 X lens, en ...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Laser Doppler Vibrometer	Polytec	Polytec MSA-500
Scanning Electron Microscope	Zeiss
Thermische camera	X
Voeding	Egilent	(E3631A)
Microscoop	X
Coventor	Coventor		Simulatietool
Cadence Virtuoso	Cadence		Simulatietool
Multisim	Multisim		Simulatietool