$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Istnieje rosnące zapotrzebowanie na filtry MEMS ze względu na ich wysoką niezawodność, niskie zużycie energii, kompaktową konstrukcję, wysoką jakość i niski koszt. Są szeroko stosowane jako czujniki i jako podstawowe części w komunikacji bezprzewodowej. Czujniki temperatury1, bio-sensors2,3, gas-sensors4, filters5,6,7 i oscylatory to najpopularniejsze obszary zastosowań. Najpopularniejsze elektrostatyczne filtry MEMS to stałowiązka stałopozycyjna5,8, cantilever2, kamerton6, free-free beam6,7, flexural-disk design7 oraz square shape design9.
Istnieje wiele krytycznych kroków w realizacji filtra MEMS, takich jak metodologia projektowania (optymalizacja struktury oparta na aplikacjach, szeroki zakres regulacji częstotliwości i unikanie awarii) oraz charakterystyka (szybkie prototypowanie, unikanie pojemności pasożytniczych i wykrywanie wyższych trybów). Zdolność do dostrajania częstotliwości jest wymagana, aby skompensować wszelkie zmiany częstotliwości spowodowane tolerancjami produkcyjnymi lub zmianami temperatury otoczenia. W literaturze opisano różne techniki10,11,12 opisano w literaturze w celu spełnienia tego wymogu; Mają jednak pewne wady, takie jak ograniczone możliwości dostrajania częstotliwości, niska częstotliwość środkowa, dodatkowe wymagania dotyczące przetwarzania końcowego i zewnętrzna grzałka10,11.
W tym badaniu prezentujemy szeroki zakres częstotliwości strojenia metodą ogrzewania Joule'a5,13 w ograniczonym zakresie częstotliwości poprzez zmianę modułu sprężystości12 (zwiększając napięcie polaryzacji DC między dwoma sąsiednimi wiązkami) i metodą przejścia fazowego materiału10,11. Ponadto optymalny wybór struktury i projektowanie oparte na aplikacjach zostały podsumowane w Göktaş i Zaghloul13. Tutaj pokazujemy, jak dostroić częstotliwość rezonansową wiązki stałej-stałej poprzez zwiększenie napięcia stałego przyłożonego do wbudowanej grzałki za pomocą LDV. Symulacja analizy elementów skończonych (MES) jest zsynchronizowana z pomiarem LDV w tej samej ramce w celu wizualizacji mechanizmu strojenia. Obejmuje to profil ogrzewania i gięcia Joule w całej belce.
Prezentujemy również możliwe awarie (spalone urządzenia i uszkodzenia) oraz proponowane ich rozwiązania. Metoda ogrzewania Joule'a w połączeniu z wysokim naprężeniem termicznym wiązki stałej-stałej zapewnia strojenie częstotliwości w szerokim zakresie, ale jednocześnie może powodować spalenie urządzeń przy określonym poziomie temperatury. Przypisuje się to dużym naprężeniom termicznym między różnymi materiałami14. Rozwiązaniem jest zwiększenie napięcia DC między dwiema sąsiednimi wiązkami, co z kolei zwiększa zakres strojenia (o 32%) i eliminuje potrzebę stosowania wysokiej temperatury. Ta metoda "dostrajania zakresu strojenia" została po raz pierwszy zademonstrowana w Göktaş i Zaghloul5, wyjaśniona bardziej szczegółowo w Göktaş i Zaghloul13, a następnie ponownie zaprezentowana tutaj. Z drugiej strony tarcie może mieć miejsce podczas procesu produkcyjnego lub operacji rezonansowej. Zaproponowano wiele technik rozwiązania tego problemu, takich jak nakładanie powłoki powierzchniowej w celu zmniejszenia energii przyczepności15,16, zwiększanie chropowatości powierzchni17 oraz proces naprawy laserowej18. W przeciwieństwie do tego, prezentujemy prostą technikę, w której sygnał fali prostokątnej o niskiej częstotliwości został zastosowany między dwiema dołączonymi wiązkami, a separacja została pomyślnie zarejestrowana przez LDV. Ta metoda może wyeliminować dodatkowe koszty i zmniejszyć złożoność projektu.
Kolejnym kluczowym krokiem w budowaniu najnowocześniejszego filtra MEMS jest charakterystyka i weryfikacja. Charakteryzacja za pomocą analizatora sieci jest jedną z najpopularniejszych i najszerzej stosowanych metod; Ma jednak pewne wady. Nawet mała pojemność pasożytnicza może zabić sygnał, więc zwykle wymaga to obwodu wzmacniacza3,6,8 do eliminacji szumów i może wykryć tylko rezonans pierwszego trybu. Z drugiej strony, charakteryzacja za pomocą LDV jest wolna od tego pasożytniczego problemu pojemności i może wykryć znacznie mniejsze przemieszczenie. Umożliwia to szybkie prototypowanie, jednocześnie eliminując potrzebę projektowania wzmacniacza. Co więcej, LDV może wykrywać rezonans w trybie wyższym filtrów MEMS. Ta cecha jest bardzo obiecująca, zwłaszcza w dziedzinie wysoce czułych biosensorów. Wyższy tryb wysięgnika może zapewnić znacznie większą czułość19. Pokazano pomiar w wyższym trybie wiązki stało-stałej z LDV i zastosowano go do pomiaru symulacyjnego MES. Przedwczesne wyniki symulacji MES oferują do 46-krotną poprawę czułości w porównaniu z pierwszym trybem belki stałej.