Projeto e metodologia de caracterização para filtros de MEMS sintonizável eficiente gama

Os filtros são muito populares e amplamente utilizados na sequência de receptores e transmissores na comunicação sem fio. Além disso, sensores de gás, biossensores e sensores de temperatura são a aplicação mais popular. Esses filtros de alta exigência devem ser fabricados no processo CMOS MEMS para suportar uma fabricação mais confiável e um design de sinal de baixo ruído, eliminando os fios extras entre dois chips separados.

Aqui, CMOS significa semicondutor de óxido metálico complementar e MEMS significa sistemas e sensores microeletromecânicos. Além disso, o pós-processo deve ser projetado de forma a evitar atrito durante o processo de fabricação. Um método bem conhecido para medir a ressonância dos ressonadores MEMS está usando o analisador de rede, mas não é um método tão poderoso quanto a técnica de vibrômetro doppler a laser devido aos seguintes motivos.

Um dos grandes desafios com o método do analisador de rede é eliminar a capacitância parasita. Vejo que a ferramenta de design foi usada para explodir a frequência e a resposta de fase do circuito equivalente para um feixe de 120 mícrons de comprimento. Esses dois watts pico a pico diminuíram drasticamente de 6 dB para 0,34 dB, mesmo quando a capacitância parasita aumentou de um femtofarad para 20 femtofarad.

É por isso que isso requer um chip para disparar o design ao lado dos ressonadores máximos. O vibrômetro doppler a laser é outro método que usa um laser para detectar a vibração dos feixes quando eles ressoam. Em contraste com o analisador de rede, a técnica de vibrômetro doppler a laser elimina o problema de capacitância parasita.

Além disso, ele pode detectar ressonância de modo mais alto que traz muitas vantagens em diferentes áreas de pesquisa, como aplicações biossensíveis, e pode caracterizar ressonadores muito menores em contraste com o analisador de rede. Isso permite prototipagem rápida e ressonadores mais sensíveis e precisos, especialmente em aplicações biossensíveis. O objetivo deste estudo é fornecer uma diretriz para demonstrar após o projeto, medir a sintonia de frequência, ajustar a capacidade de sintonia, evitar o feixe fixo-fixo de stição dupla usando o vibrômetro doppler a laser.

O processo começa encontrando a estrutura ideal. Selecione o feixe fixo-fixo no segundo ajuste de frequência de ampla faixa porque o feixe fixo-fixo em comparação com outros candidatos permite o ajuste de ampla faixa quando é aquecido devido ao seu grande coeficiente de frequência de temperatura e constante de expansão térmica individual. Projete um feixe mais longo se o objetivo for uma melhor eficiência de ajuste.

Projete um feixe mais curto se o objetivo for aplicações de salto de frequência ou rastreamento de sinal. Projete e crie o modelo 3D para o alimentador MEMS em um programa baseado em elementos finitos. Reconstrua o mesmo layout em uma ferramenta de projeto de circuito integrado camada por camada para criar o arquivo GDS.

Envie este arquivo GDS para a fundição CMOS para fabricação. Aqui, usamos a tecnologia CMOS de 0,6 mícron. Uma vez concluído o processo CMOS, os chips devem vir com camadas de polissilício, alumínio e óxido.

O próximo passo é conduzir as etapas pós-processo. Conduza o processo de gravação a seco CHF302 por meio de um sistema ICPH, que é dióxido de silício entre camadas de alumínio para formar os feixes na proporção de 5,7. Para esse processo, use os parâmetros a seguir.

CHF3 a 40sccm, oxigênio a 5sccm, pressão a 0,5 pascal, potência ICP a 500 watts, potência de amostra a 100 watts com o tempo total de gravação de 56 minutos. Aplique o processo de gravação de fluoreto de xenônio no substrato de silício para criar uma cavidade de profundidade de nove micrômetros sob os feixes. Para este processo, use o sistema de gravação de fluoreto de xenônio por três ciclos a três torr por 60 segundos por ciclo.

Caracterize os dispositivos sob ECM para garantir que eles sejam fabricados corretamente. Para esta etapa, altere a tensão de aceleração do feixe para 2,58 quilovolts e a distância de trabalho para 9,5 milímetros. O teste do dispositivo consiste em muitas etapas, incluindo teste de aquecimento joule e teste de resposta de frequência.

Localize a câmera térmica na parte superior do chip e teste os aquecedores de ambiente para garantir que eles aqueçam os feixes. Conecte a fonte de alimentação ao pacote do chip para aplicar uma tensão CC em aquecedores embutidos entre 0 volts e 5.7 volts com pequenos incrementos para aumentar a temperatura em todos os feixes. Registre o perfil de temperatura em todo o pacote de chips com sua câmera térmica durante o processo de aquecimento e salve os resultados no programa de conclusão numérica e plote o perfil de aquecimento.

Localize o laser na parte superior dos feixes de 120 micrômetros de comprimento. Conecte a fonte de alimentação entre os dois feixes de 120 mícrons de comprimento para aplicar cerca de sete sete volts DC e três AC voltage para a operação de ressonância. Conecte vol de polarização CC adicionaltage aos aquecedores embutidos com um máximo de 5.7 volts para aplicar aquecimento joule aos feixes durante a operação de ressonância.

Mova o laser para um ponto diferente no feixe para obter uma deflexão longa e menor do laser. Certifique-se de aumentar a intensidade da barra azul para diminuir o ruído. Divida a tela em várias visualizações para calibrar e iniciar a configuração da medição.

Vá para as configurações de aquisição. Defina o modo de medição como FFT. Não use nenhum filtro.

E defina a largura de banda para dois megahertz. Altere a velocidade que pode suportar a frequência máxima de 2,5 megahertz. Use a forma de onda periódica do chip.

Aqui, amplitude significa tensão CA e deslocamento significa tensão CC. Inicie a medição contínua com esta nova configuração. Atualize as configurações de aquisição alterando a tensão CC para um volt.

Quando Ref1 mostra alarme vermelho, significa que o sinal é ruidoso. Diminua a tensão de polarização aplicada na janela de configurações de aquisição para corrigir o problema. Mova o laser para um ponto diferente no feixe para obter um aumento adicional na relação sinal-ruído.

Às vezes, você pode encontrar pontos ruins no feixe que causam alarme vermelho na barra de vibração. Continue procurando o melhor local na trave. Selecione o filtro MEMS de 68 mícrons de comprimento para o teste.

Aplique tensão de 25 volts DC e tensão AC de cinco volts juntas entre os dois feixes adjacentes de 68 mícrons de comprimento. Aqui, a tensão CC fornece bandas e a tensão CA permite a operação de ressonância. Aplique uma tensão CC adicional aos aquecedores embutidos localizados no feixe de 68 mícrons de comprimento e aumente a tensão de zero volt para 5,7 volts com pequenos incrementos de passo.

Isso fornecerá ajuste de frequência com base no aquecimento joule. Observe e registre a frequência de ressonância e a resposta de fase em relação à tensão de polarização aplicada em cada etapa e resuma os resultados em uma tabela. Aqui, o ajuste de frequência total para este exemplo é de cerca de 874 kilohertz quando a tensão CC de 5,7 volts é aplicada ao aquecedor embutido.

Pressione o botão A/D para ir para a janela de configurações de aquisição demonstrada na seção de calibração de LDV e configuração de teste e altere a velocidade que pode suportar frequências muito altas. Meça o primeiro e o segundo modo com sua fase. Aplique um sinal de onda quadrada de um hertz para resolver o problema de atrito resultante de uma carga de velocidade de dois feixes adjacentes.

Vá para a guia do gerador e selecione uma forma de onda quadrada no menu suspenso da forma de onda. Vá para a caixa de deslocamento e defina o vol DCtage para um volt. Vá para a caixa de frequência e defina a frequência para um hertz.

Ative e aplique essas novas configurações nas vigas. Observe a separação das vigas. Use uma amostra extra para o teste de estresse térmico.

Aumente a tensão de polarização aplicada no aquecedor embutido com pequeno incremento para encontrar a tensão máxima permitida antes da falha do dispositivo devido ao alto estresse térmico. Aplique uma tensão de 25 volts CC e uma tensão CA de cinco volts juntas entre dois feixes adjacentes de 68 mícrons enquanto aumenta a tensão de polarização aplicada no aquecedor embutido de 0 volts para 5,7 volts para obter um total de 661 quilohertz de mudança de frequência. Aumente a tensão de polarização aplicada de 25 volts para 35 volts para adicionar efeito de suavização adicional entre os dois feixes adjacentes de 68 mícrons de comprimento enquanto aplica uma tensão CA de um volt e mantém a mesma configuração de tensão de polarização nos aquecedores embutidos.

Registre a melhoria de 32% na mudança total de frequência, pois deve aumentar de 661 kilohertz para 875 kilohertz proveniente desse efeito de suavização adicional. O ajuste de frequência de ampla faixa com a aplicação de tensão de polarização aplicada aos aquecedores embutidos é obtido e verificado com o vibrômetro doppler a laser. A medição de ressonância de alta voltagem é muito crucial para os ressonadores, pois oferece resultados promissores para os biossensores de alta sensibilidade e precisão.

O vibrômetro doppler a laser permite a medição de alta voltagem que quase não é possível ler com o analisador de rede. O 5º modo foi medido com vibrômetro doppler a laser medindo vários pontos em cada feixe. A forma do modo medido para afetar corresponde aos resultados do programa com base na análise de elementos finitos mostrados no canto direito.

Este vídeo ensina como projetar, fabricar e caracterizar ondas longas, filtros CMOS MEMS sintonizáveis de ampla gama. Os filtros MEMS sintonizáveis de ampla faixa são muito exigentes, especialmente em aplicações de rastreamento de sinal e salto de frequência. É por isso que, depois de aumentar a faixa de afinação, evitando a falha, ela é demonstrada com sucesso, fácil de aplicar e repetível.

Métodos para evitar problemas comuns, como queima e atrito, são demonstrados com sucesso por uma questão de confiabilidade e fabricação de baixo custo. Para fins de caracterização, a superioridade do vibrômetro doppler a laser ou do analisador de rede é demonstrada com sucesso. para não apenas habilitar a faixa de quinto modo, mas também habilitar a tecnologia de ponta para biossensor portátil e para diagnóstico precoce, como o HIV.