Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Real-Time DC-dynamisk Biasing metoden for veksling Tid Bedring i Alvorlig Underdamped Fringing-feltet Elektro MEMS Aktuatorer

Published: August 15, 2014 doi: 10.3791/51251
Automatic Translation
1, 2, 3, 1, 3
1Department of Electrical and Computer Engineering, University of California, Davis, 2Digital Light Projection (DLP) Technology Development, Texas Instruments, 3Birck Nanotechnology Center and the Department of Electrical and Computer Engineering, Purdue University

Summary

Den robuste enhet utforming av fringing-feltelektro MEMS aktuatorer resultater i iboende lave klemme-film demping forhold og lang settling ganger når du utfører bytte operasjoner ved hjelp av konvensjonelle skritt vekting. Sanntids skiftetid forbedring med DC-dynamiske kurver reduserer innsovningstid av fringing-feltet MEMS aktuatorer når overgangen mellom up-to-ned og down-to-up stater.

Abstract

Mekanisk underdamped elektrostatisk feltspredning-MEMS aktuatorer er kjent for sin raske svitsjeoperasjon som reaksjon på en inngangsenhet trinn forspenning. Imidlertid er kompromisset for det forbedrede koblingsytelse relativt lang bunnfellingstid å nå hvert gap høyde som reaksjon på forskjellige anvendte spenninger. Forbigående anvendt skjevhet bølgeformer er ansatt for å legge til rette for reduserte koblingstider for elektrostatisk fringing-felt MEMS aktuatorer med høy mekanisk kvalitetsfaktorer. Fjerning av det underliggende substrat på spredning-feltet aktuator skaper den lave mekanisk demping miljø nødvendig for effektivt å teste konseptet. Fjerning av den underliggende substrat også en har betydelig forbedring på påliteligheten enhetens ytelse i forhold til svikt på grunn av stiction. Selv om DC-dynamisk forspenning er nyttig i å forbedre innsovningstid, de nødvendige drepte priser for typiske MEMS enheter kan plassere aggressive krav til kostnad pumps for fullt integrert on-chip design. I tillegg kan det være utfordringer integrere underlaget fjerning skritt inn i back-end-of-line kommersielle CMOS behandlingstrinn. Eksperimentell validering av fabrikkert aktuatorer viser en forbedring på 50x i bytte tid sammenlignet med konvensjonelle trinn vekting resultater. Sammenlignet med teoretiske beregninger, de eksperimentelle resultatene er i god avtale.

Introduction

Mikroelektromekaniske systemer (MEMS) utnytter flere aktiveringsmekanismer for å oppnå mekanisk forskyvning. De mest populære er termisk, piezoelektrisk, magnetostatic, og elektro. For kort responstid kommer, er elektro aktivering mest populær teknikk 1, 2. I praksis kritiker dempede mekaniske konstruksjoner levere det beste kompromisset mellom innledende stigning tid og settling tid. Ved anvendelse av DC forspenning og aktivering av membranen ned mot rullegardin elektrode, er settling tid ikke et signifikant problem som membranen vil feste seg og holder seg til den dielektriske belagte aktiveringselektrode. Flere programmer har dratt nytte av den nevnte elektro aktivering utforming 3 - 8. Men tilstedeværelsen av den dielektriske belagte pull-down-elektroden gjør aktuatoren utsatt for dielektrisk lading og stiction.

MEMS membraner kan utnytte en underdamped mekanisk konstruksjon for å oppnå en rask innledende stigetid. Et eksempel på en underdamped mekanisk utforming er den elektrostatiske feltspredning-betjent (Effa) MEMS. Denne topologien har utstilt langt mindre sårbarhet for typiske feilmekanismer som plager elektro basert design 9-20. Fraværet av den parallelle motelektroden, og dermed parallell elektriske feltet er derfor disse MEMS er hensiktsmessig kalles "spredning-field" betjent (figur 1). For Effa design, er rullegardin elektrode delt i to separate elektroder som er plassert lateralt utlignet til bevegelige membran, helt eliminere overlappingen mellom de bevegelige og stasjonære deler av enheten. Imidlertid, fjerning av underlaget fra under den bevegelige membran reduserer klemme filmen dempekomponent for derved å øke sedimenterings tid. Figur 2B er et eksempel på sedimenterings tid som svar på standard skritt vekting. Forbigående eller DC-dynamiske anvendt biasing i sanntid kan brukes til å forbedre sedimente tid 20-26. Figurene 2C og 2D kvalitativt illustrerer hvordan en tidsvarierende bølgeform kan effektivt å avbryte ringing. Tidligere forskningsinnsats benytte numeriske metoder for å beregne den nøyaktige spenning og tidsberegningen av inngangs forspenning for å forbedre koblingstiden. Metoden i dette arbeidet har kompakte lukket form uttrykk for å beregne innspill skjevhet kurveparametere. I tillegg fokuserte tidligere arbeid med parallell plate aktivering. Mens strukturene er laget for å bli underdamped, er squeeze-film demping fortsatt tilgjengelig i denne konfigurasjonen. Betjeningsmetode presentert i dette arbeidet er fringing-feltet aktivering. I denne konfigurasjonen squeeze-film demping er effektivt eliminert. Dette representerer et ekstremt tilfelle, hvor den mekaniske dempning av MEMS trålen er meget lav. Denne artikkelen beskriver hvordan du dikte Effa MEMS devICES og utføre målingen til eksperimentelt validere bølgeform konseptet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Fabrikasjon av Effa MEMS fast fast Beams (Se figur 3 for Oppsummert Process)

  1. UV-litografi og kjemisk våt etsing av silisiumdioksid med bufrede fluorsyre (FORSIKTIG 27).
    1. Bruk en oksidert, lav resistivitet silisium substrat.
    2. Fyll en glassbeholder med aceton 28 (nok til å dukke prøven), plasser prøven i aceton fylt begeret, og sonicate for 5 min i et vannbad sonicator.
    3. Uten tørking, direkte overføre prøven fra aceton begerglasset til et begerglass fylt med isopropyl-alkohol 29 og sonicate i 5 min i et vannbad sonikator.
    4. Tørk prøven med nitrogen (ikke tillater isopropylalkohol til å fordampe fra overflaten).
    5. Tørk (dehydrering bake) prøven på en varmeplate innstilt på 150 ° C i 10 min. Tillat prøven å nå RT når dehydrering bake er fullført.
    6. Plasser prøven på chucken på et fotoresist spinner.Pipetter og dispenser 1 ml heksametyldisilazan (HMDS) per 25 mm i diameter (forsiktig 30). Spincoat ved 3500 opm i 30 sek. Pipette og dispensere 1 ml positiv fotoresist per 25 mm diameter (forsiktig 31). Spincoat prøven ved 3500 opm i 30 sek. Softbake fotoresist i 90 sekunder ved 105 ° C på en kokeplate.
    7. Bruk en maske aligner å eksponere prøven for UV-stråling med en bølgelengde på 350-450 nm. Bruk eksponeringsenergi på 391 mJ / cm 2 (FORSIKTIG 32).
    8. Fyll en glassbeholder med TMAH baserte utvikleren (FORSIKTIG 33) og bruke nok til å senke hele prøven.
    9. Fyll en glassbeholder med avionisert vann for å raskt avslutte utviklingen for å unngå overutbygging.
    10. Utvikle prøven for 12-20 sek. Beveg lett neddykket prøven.
    11. Nøye og raskt fjerne prøven fra utvikling begerglass og senke den ned i skyllevannet beger for 10 sek.
    12. Blås forsiktig tørke prøven med nitrogen (Ikke la avionisert vann til å fordampe fra overflaten).
    13. Inspiser prøven under et mikroskop.
    14. Gjenta om nødvendig utvikling prosedyre med justeringer i tide til å unngå overutbygging.
    15. Bruk en plasma reaktiv ion etch (RIE) for å gjøre overflaten ru for å forbedre overflaten fukting. RIE innstillinger 34: 100 SCCM av Ar, 100 W RF power, 50 mT kammertrykk, 1 min.
    16. Fyll en Teflon begerglass med en tilstrekkelig mengde bufret oksid etch (BOE) for å dekke prøven.
    17. Fyll en annen Teflon begerglass med avionisert vann til et mellomliggende skylling av prøven.
    18. Senk prøven i BOE. Den etsehastighet er 90-100 nm / min.
    19. Når etch er fullført, skylles i Teflon begerglass som har deionisert vann i 10 sek. Deretter skylles prøven i en vask under rennende avionisert vann i 1-2 minn.
    20. Tørk prøven med nitrogen (Ikke la avionisert vann til å fordampe fra overflaten).
    21. Inspiser prøven under et mikroskop.
    22. Gjenta etch og skyll trinn som er nødvendig med justeringer i tid for å unngå over-etsing og underskjæring av fotoresist.
    23. Fjern fotoresistmaske.
    24. Fyll en glassbeholder med aceton (nok til å dukke prøven), plasser prøven i aceton fylt begerglass og sonicate i et vannbad sonicator for 5 min.
    25. Direkte ta prøven fra aceton begerglass og plasser det i et begerglass fylt isopropylalkohol og sonicate i 5 min i et vannbad sonikator.
    26. Tørk prøven med nitrogen (Ikke la isopropylalkohol til å fordampe fra overflaten).
  2. Kjemisk våt etsing av silisium med tetrametylammoniumhydroksyd (TMAH) 25 vekt% (FORSIKTIG 35).
    1. Bruk en ren 4 L beger.
    2. Bruk en kokeplate med en thermocouple. Bruk en Teflon kurv som har en krok i enden av håndtaket for å holde prøvene. Bruk en magnetisk rørestav for riktig agitasjon til å lindre silisiumoverflaten av hydrogenbobler som frigjøres i løpet av bulketseprosessen.
      MERK: Tilbakemeldingene mellom termoelementet og kokeplaten sikrer riktig temperatur holder seg konstant gjennom hele etch. Hvis det frigitte hydrogen ikke er fjernet fra overflaten, kan det maskere den underliggende silisium fra TMAH.
    3. Hell TMAH 25 vekt% opp til 2 L-merket på begeret.
    4. Plasser termoelementet i løsningen og forvarme til 80 ° C. Hvis mulig, bruk en tilpasset ligaen eller klemme for å holde termoelementet for å unngå interferens med rotasjon av magnetisk rørestav.
    5. Når løsningen når den nødvendige temperatur, plassere prøvene i Teflon kurv og plassere kurven i løsningen ved å henge den fra kanten av begeret. Forsikre deg om at kurven ikke hvilepå bunnen av begerglasset for å gi rom for den magnetiske rørestav for å rotere.
    6. Innstill rotasjonshastigheten av den magnetiske rørestav til 400 rpm.
    7. Den etsehastighet for oppløsningen er 300-350 nm / min. Den nødvendige etch dybden er 4-5 mikrometer.
    8. Når den nødvendige tid har gått for å fullføre etch, fjernes prøven fra oppløsningen og skyll med deionisert vann i 1-2 min.
    9. Tørk prøven med nitrogen (Ikke la avionisert vann til å fordampe fra overflaten).
    10. Bruk et profilometer for å måle trinnhøyde.
    11. Dersom trinnhøyde ikke er nådd, plassere prøvene i oppløsningen på nytt for å oppnå den ønskede trinnhøyde.
  3. Kjemisk våt etch av alt SiO 2 fra underlaget og termisk vokse en annen 500 nm av SiO 2.
    1. Fyll en Teflon begerglass med hydrofluorsyre 49% etter volum (FORSIKTIG 36). Bruk en mengde som er tilstrekkelig til å dekke prøven.
    2. Fyll en Teflon begerglass med avionisert vann for å skylle prøven. Bruk en mengde som er tilstrekkelig til å dekke prøven.
    3. Etse prøven med flussyre. La prøven i løsningen inntil alt av SiO 2 er fjernet. Siden oppløsningen er sterkt konsentrert, vil etch skje relativt raskt.
    4. Skylling i 10-20 sek i Teflon begerglass fylt med avionisert vann.
    5. Skyll prøven grundig under rennende avionisert vann i en vask i 1-2 min.
    6. Bland en løsning av H 2 SO 4: H 2 O 2 (svovelsyre: hydrogenperoksyd, piraja rent) i en 1: 1-forhold i en Teflon begerglass (FORSIKTIG 37). Bruk nok til å dekke prøven.
    7. Fyll en Teflon begerglass med avionisert vann for å skylle prøven.
    8. Senk prøven i H 2 SO 4: H 2 O 2 for 7-10 min.
    9. Kort, 10 sek, skyll prøven i skyllevannet beger.
    10. Skyll prøven i en vask under rennende avionisert vann i 1-2 min.
    11. Tørk prøven med nitrogen (Ikke la vannet fordampe fra overflaten).
    12. Utfør våt termisk oksidasjon å vokse 500 nm av SiO 2.
  4. UV litografi og kjemisk våt etch til mønster SiO 2 for å eksponere silisium som fungerer som offerlag for den endelige utgivelsen av de fast faste bjelker.
    1. Fyll en glassbeholder med aceton (nok til å dukke prøven), plasser prøven i aceton fylt begerglass og sonicate i et vannbad sonicator for 5 min.
    2. Direkte ta prøven fra aceton begerglass og plasser det i et begerglass fylt isopropylalkohol og sonicate i et vann-bad sonicator i 5 min.
    3. Tørk prøven med nitrogen (Ikke la isopropylalkohol til å fordampe fra overflaten).
    4. Tørk (dehydrering bake) prøven på en varmeplate innstilt på 150 ° C i 10 min. Tillat than prøve å nå RT når dehydrering bake er fullført.
    5. Ved hjelp av en fotoresist spincoater, spincoat HMDS på prøven ved 3500 opm i 30 sek. Ved hjelp av en fotoresist spincoater, spincoat positive fotoresist på prøven ved 3500 opm i 30 sek. Softbake fotoresist i 90 sekunder ved 105 ° C på en varmeplate.
      MERK: Bruk en ml per hver 25 mm av prøven diameter.
    6. Bruk en maske aligner å eksponere prøven for UV-stråling med en bølgelengde på 350-450 nm. Bruke eksponerings energi av 391 mJ / cm 2.
    7. Fyll en glassbeholder med en TMAH baserte utvikleren og bruke nok til å senke hele prøven.
    8. Fyll en glassbeholder med avionisert vann for å raskt avslutte utviklingen for å hindre overutbygging.
    9. Utvikle prøven for 12-20 sek.
    10. Nøye og raskt fjerne prøven fra utvikling begerglass og senke den ned i skyllevannet beger for 10 sek.
    11. Skyll prøven i en vask under rennende deionisert water for 1-2 min.
    12. Nøye tørr med nitrogen (Ikke la vannet fordampe fra overflaten).
    13. Inspiser prøven under et mikroskop.
    14. Gjenta om nødvendig utvikling prosedyre med justeringer i tide til å unngå overutbygging.
    15. Bruk plasma RIE til overflaten ru for å forbedre overflaten fukting. RIE innstillinger: 100 SCCM av Ar, 100 W RF power, 50 mT kammertrykk, 1 min.
    16. Fyll en Teflon begerglass med en tilstrekkelig mengde av BOE til å dekke prøven.
    17. Fyll en Teflon begerglass med avionisert vann til et mellomliggende skylling av prøven.
    18. Senk prøven i BOE. Den etsehastighet er 90-100 nm / min.
    19. Når etch er fullført, skylles i Teflon begerglass som har deionisert vann i 10 sek. Deretter skylles prøven under rennende avionisert vann i en vask i 1-2 min.
    20. Tørk prøven med nitrogen (Ikke la vannet fordampe fra overflaten).
    21. Inspisere prøven under et mikroskope.
    22. Gjenta etch og skyll trinn som er nødvendig med justeringer i tid for å unngå over-etsing og underskjæring av fotoresist.
    23. Fyll et begerglass med aceton (nok til å senke prøven), plasserer prøven i aceton fylt begerglass, og sonicate i et vann-bad sonicator i 5 min.
    24. Direkte ta prøven fra aceton begerglass og plasser det i et begerglass fylt isopropylalkohol og sonicate i et vann-bad sonicator i 5 min.
    25. Tørk prøven med nitrogen (Ikke la isopropylalkohol til å fordampe fra overflaten).
  5. Frese depositum 20 nm av Ti og 100 nm av Au. Denne film tjener som elektroplette frø lag for den etterfølgende galvanisering prosesstrinn. Sputtering parametrene er: DC effekt på 100 W, deponering trykk på 8 tonn, 100 SCCM Ar-basen press 3 x 10 -6 T.
    1. Vent prosessen kammer eller last lås til atmosfæren.
    2. Laste prøven iprosessen kammer eller last lås.
    3. Pump prosesskammeret eller last lås til vakuum.
    4. Vent til prosesskammeret oppnår en basistrykk på 3 x 10 -6 T.
    5. Plasser prøven til det passende sted for deponering.
    6. Sett kammertrykk til 8 mT av strømmende argon inn i systemet. Den nøyaktige strømningshastighet nødvendig for å oppnå 8 mT sterkt avhengig av hvilken type system som benyttes. Den sputtering verktøy som brukes for dette arbeidet anvendes en strømningshastighet på 100 SCCM.
    7. Aktiver kilde med titan målet.
    8. Presputter titan ved 300 V i 20 min.
    9. Frese 20 nm titan på 100 W. Det nøyaktige tidspunkt for deponering er sterkt avhengig av hvilken type systembruk. For sputtering verktøyet som brukes i dette arbeidet, er 5 minutter er nødvendig for å oppnå 20 nm.
    10. Deaktiver kilden med titan sputtering målet.
    11. Aktiver kilde med gull målet.
    12. Presputter gull på 100 W i 2 min.
    13. Frese100 nm gull ved 100 W. Den nøyaktige deponering er svært avhengig av sputtering verktøy som brukes. For sputtering verktøy som brukes i dette arbeidet, er 10 min nok til å gi 100 nm gull.
    14. Deaktiver kilden med gullet sputtering målet.
    15. Lukk Ar gassventilen.
    16. Vent i prosesskammeret eller laste lås.
    17. Losse prøven når prosesskammeret eller lastlåsen når atmosfæren.
    18. Pump lasten låsen eller prosesskammeret ned til høyt vakuum.
  6. UV litografi for å lage en fotoresist mugg som definerer geometrien til fast fiksert stråle.
    1. Fyll en glassbeholder med aceton (nok til å dukke prøven), plasser prøven i aceton fylt begeret for 5 min.
    2. Direkte ta prøven fra aceton begerglass og plasser det i et begerglass fylt isopropylalkohol i 5 min.
    3. Tørk prøven med nitrogen (Ikke la isopropylalkohol til å fordampe fra overflaten).
      4. <li> Tørk (dehydrering bake) prøven på en varmeplate innstilt på 150 ° C i 10 min. Tillat prøven å nå RT når dehydrering bake er fullført.
    4. Ved hjelp av en fotoresist spincoater, spincoat HMDS på prøven ved 3500 opm i 30 sek. Ved hjelp av en fotoresist spincoater, spincoat positive fotoresist på prøven ved 2000 opm i 30 sek. Softbake fotoresist i 90 sekunder ved 105 ° C på en varmeplate.
      MERK: Bruk en ml per hver 25 mm av prøven diameter.
    5. Bruk en maske aligner å justere og utsette prøven for UV-stråling med en bølgelengde på 350-450 nm. Bruk en eksponering energi på 483 MJ / cm 2.
    6. Fyll en glassbeholder med TMAH baserte utvikleren og bruke nok til å senke hele prøven.
    7. Fyll et begerglass med avionisert vann til raskt å avslutte utviklingen for å hindre overutbygging.
    8. Utvikle prøven for 12-20 sek.
    9. Nøye og raskt fjerne prøven fra utvikling begerglass og submerge det i skyllevannet beger for 10 sek.
    10. Skyll prøven i en vask under rennende avionisert vann i 1-2 min.
    11. Tørk prøven med nitrogen (Ikke la vannet fordampe fra overflaten).
    12. Inspiser prøven under et mikroskop.
    13. Gjenta om nødvendig utvikling prosedyre med justeringer i tide til å unngå overutbygging.
  7. Electrogull MEMS strålen.
    1. Bruk en 1 L begerglass begerglass.
    2. Fyll begerglass med 700 ml av en kommersielt tilgjengelig, klar til bruk gull galvanisering løsning (FORSIKTIG 38) .Sett fylt beger på en kokeplate.
    3. Sett kokeplaten til 60 ° C. Bruk en termoelementet for å sikre at oppløsningen forblir på den ønskede temperatur. Når oppløsningen har nådd den ønskede temperatur, feste av prøven til et feste som holder anoden, stykket (prøven), og termoelementet.
    4. Sett strømtilførselen til den aktuelle amplitude basert på exposed metalliserte område av prøven. En konstant strømtetthet på 2 mA / cm 2 anvendes.
    5. En rustfri stålanode anvendes.
    6. Koble live til anoden og bakken til prøven.
    7. Deponering prisen er 250-300 nm / min. Den endelige tykkelse av fast-fiksert stråle er 0,5 mikrometer. Tatt i betraktning at en omtrentlig 4: 1-forhold eksisterer i etserater elektropletteres til freste gull (ved fjerning av den freste frø sjikt), er strålen galvanisert til 1 mikrometer.
    8. Når den nødvendige tiden er gått, slå av strømtilførsel, kobler ledningene fra anoden og arbeidsstykket, tar prøven, og skyll grundig under rennende avionisert vann i en vask i 1 min.
    9. Føn prøven med nitrogen (Ikke la vannet fordampe fra overflaten).
    10. Bruke et mikroskop og profilometer å verifisere at galvanisering er fullført.
  8. Etse fotoresist mold.
    1. Forvarm glass begerglass fylt med en dedikert fotoresist stripper på en varmeplate til 110 ° C (FORSIKTIG 39). Senk prøven i oppløsningen i 1 time.
    2. Fjern begeret fra kokeplaten og la løsningen og prøve å nå RT.
    3. Skyll prøven grundig under rennende vann i en vask i 1-2 min.
    4. Senk prøven i et begerglass fylt med aceton i 5 min.
    5. Senk prøven i et begerglass fylt med isopropyl-alkohol i 5 min.
    6. Tørk prøven med nitrogen (Ikke la isopropylalkohol til å fordampe fra overflaten).
    7. Inspisere prøven under et mikroskop og måle høyden på trinnet galvanisert Au med profilometer. Gjenta rengjøringstrinn hvis det er nødvendig.
  9. Kjemisk våt etch Ti / Au seedet lag.
    1. Plasser prøven i plasma RIE og bruke følgende parametre: 100 SCCM av Ar, 100 W, 50 mT for 30 sek.
    2. Fyll en teflon eller glassbeholder med Au ets (FORSIKTIG 40). Bruk enough for å dekke hele prøven.
    3. Fyll en teflon eller begerglass med avionisert vann. Dette beger vil tjene som et mellomskylling begeret til raskt å avslutte Au etch.
    4. Senk prøven i Au ets. Etse parametere - RT, 7-8 nm / sek, opphisset. Når etch er fullført, senk prøven i skyllevannet begerglass og forsiktig agitere for 10-20 sek.
    5. Skyll prøven grundig under rennende avionisert vann i en vask i 1-2 min.
    6. Nitrogen blåse tørr (Ikke la vannet fordampe fra overflaten).
    7. Kontroller etch under et mikroskop, og hvis nødvendig, gjentas inntil all Au er fjernet fra de eksponerte områder.
    8. Utfør plasma RIE igjen på prøven med følgende parametre: 100 SCCM av Ar, 100 W, 50 mT for 30 sek.
    9. Fyll en Teflon begerglass med BOE (nok til å dukke prøven).
    10. Fyll en Teflon med avionisert vann for å skylle prøven.
    11. Senk prøven i BOE ved RT. Denetse rente er 15-18 nm / min.When etsetiden er fullført, fjerner prøven fra begerglass og senk den inn i skylle begeret for 10-20 sek.
    12. Skyll prøven grundig under rennende avionisert vann i en vask i 1-2 min.
    13. Nitrogen blåse tørr (Ikke la vannet fordampe fra overflaten).
    14. Kontroller etch og, om nødvendig, gjentas inntil all titan er fjernet fra de eksponerte områder. Reduser etch tid for å unngå betydelig underkutting.
  10. Utfør en tørr isotrop XEF 2 etch (FORSIKTIG 41) som fjerner selektivt silisium og frigjør Au fast faste bjelker.
    1. Vent i prosesskammeret til atmosfæren.
    2. Load prøven i prosesskammeret.
    3. Pump system ned til vakuum.
    4. Den etch tid sterkt avhengig av det eksponerte område og den type etsesystem benyttes. For denne prøven et trykk på 3 T med en 30 sek syklusen benyttes. 10 sykluser brukes. En etsehastighet av 110-120 nm / min er utvunnet.
    5. Når etse parameter er angitt i systemet, etse silisium offerlag.
    6. Når etse er fullført sletting utføre de nødvendige skritt for å sikre giftige gasser fjernes før lufting av systemet til atmosfæren. Systemet i denne studien har en prosess som utfører dette spyletrinnet automatisk.
    7. Vent i prosesskammeret til atmosfæren.
    8. Fjerne prøvene nøye.
    9. Pump prosesskammeret ned til vakuum.

2. Eksperimentell Validering av Dynamic Waveform

  1. Last prøve på like probe stasjon.
    1. Plasser prøven på chucken på DC-probe stasjonen.
    2. Aktiver vakuum på chucken for å holde prøven ned.
    3. Bruk DC probespissen manipulatorer å plassere wolfram probespisser på belastnings pads av MEMS broer.
    4. Bruk mikroskop av DC-probe stasjonen for å vise den nøyaktige posisjonering av wolfram sondespissens over DC forspenning pads av enheten. Fast faste strålen er analysert med live signal probespissen mens trekke ned elektrodene er analysert med bakken probespissen.
  2. Program for dynamisk forspenning signal på funksjonsgenerator.
    1. Bruk beregnede verdier for den første bølgen Parametere 20.
    2. Velg vilkårlig bølgeform funksjonen på funksjonsgenerator for å lage dynamiske bølgeform.
    3. Input til tidsparametre for bølgeformen. Avhengig av typen av funksjonsgenerator, starter første gang parameteren etter noen få mikrosekunder (i motsetning til 0 usekunder). Tidsintervallet mellom den første og andre gang parameteren vil være den beregnede tid det vil ta strålen til å nå oversving gapet. Intervallet mellom det andre og tredje gang parameteren bør være lang nok til å tillate strålen å fullstendig nå likevekt med minimal oscillasjon. Når du skriver inn til tidsparametre for å operere i motsatt retning (fra pull-down å løsne), vil oversving gapet tid bestemme tidsintervallet mellom det tredje tidsparameteren, og å slå av. Det vil være en femte tidsintervall må starte bølgen. For dette intervallet tillater tilstrekkelig tid til bjelken for å oppnå likevekt før omstart syklusen.
    4. Inngangsspennings parametere av bølgeformen. De spenninger vil være en brøkdel av den faktiske spenning på bjelken på grunn av dette signal vil passere gjennom en lineær forsterker. De verdiene som er programmert inn i den funksjonsgenerator for denne undersøkelsen var 1/20 av den aktuelle spenning.
    5. Koble utgangen av funksjonsgenerator til høy hastighet med høy spenning lineær forsterker.
    6. Koble utgangen fra den lineære forsterker til et digitalt oscilloskop med samplingsfrekvens på 300 MHz. Den oscilloskop anvendes for å verifisere at utgangssignalet fra den vilkårlige bølgeformgenerator.
    7. Koble utgangen av lineær forsterker til DC manipulatorer. Kontroller at funksjonsgenerator eroff mens du utfører dette trinnet.
  3. Oppsett og måle med laser Doppler vibrometre (LDV)
    1. Plasser hodet som holder LDV over prøven.
    2. Slå på laseren.
    3. Bruk mikroskop som er integrert med LDV for å finne den ønskede stråle for å måle.
    4. Fokus laseren på midten av MEMS broen. Dette er poenget med maksimal nedbøyning.
    5. Sikre intensiteten av laserstrålen refleksjon er tilstrekkelig for nøyaktig måling.
    6. Sett prøvetakingstiden til det aktuelle samplingsfrekvens. Denne målingen bruker en samplingsfrekvens på 5,1 MHz.
    7. Velg forskyvning mot tid utgang for LDV.
    8. Velg kontinuerlig måling modus.
    9. Påfør biasing signal på MEMS broer. LDV vil fange ringe effekt i sanntid.
    10. Tune timing og spenning parametere på funksjon generator for å oppnå minimal bjelke svingning på trekk-ned, og slippoperasjoner.
    11. Når de optimale verdier er funnet slår av biasing signal.
    12. Slå av kontinuerlig LDV målemodus.
    13. Løft DC probespisser opp fra belastnings pads.
    14. Koble utløsende inngang til funksjonsgeneratoren til å utløse produksjonen av LDV maskinvaregrensesnitt. For denne studien en BNC kabel brukes for denne tilkoblingen.
    15. Still inn funksjonen generator for å erkjenne den eksterne trigger fra LDV system.
    16. Sett LDV programvare for å aktivere funksjonen generator når måleskannemodus begynner.
    17. Sett LDV programvare for å enkelt skannemodus. Tiden enkelt skann blir varigheten av bølgeformen.
    18. Slippe DC probespisser ned igjen på et belastnings pads av MEMS broen.
    19. Fang signalet skanne ved aktivering av målemodusen til LDV.
    20. Lagre forskyvningen versus tidsdata.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Oppsettet i figur 4 brukes til å fange nedbøyning versus tidsforholdet på MEMS broer. Ved hjelp av en laser-doppler vibrometre i sin kontinuerlige målingsmodus, kan den nøyaktige spennings og tidsparametere bli funnet å resultere i minimal strålen oscillasjon for den ønskede åpning høyde. Figur 5 illustrerer et eksempel stråleavbøynings svarende til 60 V gap høyde. Det er sett at nesten alle av pendling er fjernet. Ikke bare er den dynamiske bølgeform nyttig for en gap høyde, men for alle de mulige gap høyder. Dette er demonstrert i Figur 6 og Figur 7 for både trekk-ned og slipp operasjoner, henholdsvis. Den beregnede og målte dynamiske bølgeform brukt for å oppnå målingene i de foregående figurene er presentert i figurene 8 og 9, henholdsvis.

alt = "Figur 1" src = "/ filer / Ftp_upload / 51251 / 51251fig1highres.jpg" />
Figur 1. 2D-skisse og SEM bilde av MEMS broer brukt i denne studien. (A) 2D-profilen. (B) ovenfra MEMS broer (C) SEM av faktisk fabrikkert enhet.. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 2
Figur 2. Skisse av underdamped MEMS bro som reaksjon på et inngangstrinn og tidsvarierende respons. (A) Unit skritt søkt bias. (B) Response av underdamped MEMS bro til enhetssteg inngang. (C) Tid varierende / dynamisk innspill bias. (D) Response av MEMS bro til tidsvarierende innspill.vr fokus = "_blank"> Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 3
Figur 3. Oppsummert prosessflyt for MEMS broer. (A) Oksidert silisiumsubstrat (B). Bulk etch av silisiumsubstrat. (C) Re-oksydasjon av silisium-substrat. (D) Silisiumdioksid etch å eksponere offer silisium. (E) Gold avsetning og mønstring. (F) av Etch offer silisium laget for å frigjøre MEMS broen. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 4
Figur 4. Blokkdiagram av eksperimentelle SEtup brukt til å søke bias signal og fange MEMS bro nedbøyning. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 5
Figur 5. Målt-trekk og frigi tilstander av en MEMS-broen i respons til en 60 V-inngang skjevhet. Den svarte kurven er responsen fra et trinn-inngang. Den røde kurven er responsen til en dynamisk inngang.

Figur 6
Figur 6. Målt middels pull-down gap høyder av MEMS bro som svar på en dynamisk inngang. Vennligst klikk her for å se en større version av denne figuren.

Figur 7
Figur 7. Målt mellomliggende frigjøring gap høyder av MEMS bro som reaksjon på en dynamisk inngang.

Figur 8
Figur 8. Beregnet bølgeform for input bias.

Figur 9
Figur 9. Faktisk bølgeform brukt til å oppnå minimum svingning av MEMS broen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Lav restspenninger Au film avsetning og en tørr utgivelse med XEF to er kritisk komponenter i vellykket fabrikasjon av enheten. Elektro fringing-felt aktuatorer gir relativt lave krefter i forhold til parallell-plate felt aktuatorer. Typiske MEMS tynnfilm påkjenninger i> 60 MPa vil resultere i svært høye drivspenninger som potensielt kan kompromittere påliteligheten av Effa MEMS. Av denne grunn er den elektroplette oppskriften er nøye karakterisert til å gi en tynn film med lav bi-aksial midlere stress. I tillegg bruker denne studien silisium som offerlag typen på grunn av den relative mangelen på utvidelse og sammentrekning (i forhold til fotoresist) under prosesstrinn som krever varmesykluser. Til slutt, den tørre utgaven takt med XEF 2 forenkler high yield behandling av praktisk talt eliminere stiction.

Den ønskede strålen gap høyde tilsvarer den oversving gap høyde (figur 2B 20 skjevhet. Når strålen oppnår oversving / ønskede åpning høyde det andre trinnet skjevhet (figur 2C) blir anvendt for å holde bjelken i denne posisjonen. Ved å kjenne den mekaniske kvalitetsfaktoren til MEMS broen (som kan bli målt eller beregnet), kan det prosentvise oversving og tiden til å nå oversving gap høyde beregnes. Disse parametere brukes til å bestemme amplituden og tidspunktene for inngangsspenningen.

DC-dynamiske drivsignaler som brukes i denne undersøkelsen forbedret bunnfellingstiden fra ~ 2 msek ned til ~ 35 usekunder for både opp-til-ned og ned-til-opp tilstander. Den beregnede bytte tid ved hjelp av heuristisk modell 20 er 28 usekunder for en bjelke med bredde w = 10 mm, lengde L = 400 mikrometer, tykkelse t = 0,45 mikrometer, lateral pull-down gap s = 8 mikrometer, og reststrekk at stress σ = 5 MPa. Bytte tid har en σ -1/2 forhold 20. Than konsekvens av dette forhold er at forholdsvis små variasjoner i den gjenværende stress kan ha en ikke-marginal innvirkning på koblingstiden beregning. En relativt liten forskjell på 2 MPa i residual stress kan føre til en svitsjetidsvariasjon på 20%. Derfor eksisterer et behov for sanntids optimalisering med fremgangsmåten presentert i dette papiret på grunn av det uunngåelige i prosessen variasjon på tvers av en wafer.

Fremgangsmåten presentert i dette arbeidet viser betydelige forbedringer i koblingstid for elektrostatiske feltspredning aktuatorer hvor substratet er fjernet. Detaljene for fabrikasjon av de Effa MEMS tunere og elektrisk testing er beskrevet i detalj. Den eksperimentelle metoden, spesielt dynamisk biasing teknikk, vil finne nytte i praktisk talt alle mekanisk underdamped MEMS utforming i forhold til å forbedre koblingstiden ytelse.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ikke noe å avsløre.

Acknowledgments

Forfatterne ønsker å takke Ryan Tung for hans hjelp og nyttige tekniske diskusjoner.

Forfatterne ønsker også å erkjenne den hjelp og støtte av Birck Nanoteknologi senter teknisk personale. Dette arbeidet ble støttet av Defense Advanced Research Projects Agency under Purdue Mikrobølgeovn rekonfigurer Evanescent-Mode Cavity filtre Study. Og også ved NNSA Center of Prediksjon av pålitelighet, integritet og overlevelsesevne av Microsystems og Department of Energy i henhold Award Antall DE-FC5208NA28617. De synspunkter, meninger, og / eller funn som finnes i denne artikkelen / presentasjon er de av forfattere / foredragsholdere og bør ikke tolkes som representerer de offisielle synspunkter eller holdninger, enten uttrykt eller underforstått, av Defense Advanced Research Projects Agency eller Institutt of Defense.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Chemicals
Buffered oxide etchant Mallinckrodt Baker 1178 Silicon dioxide etch, Ti etch
Acetone Mallinckrodt Baker 5356 Wafer clean
Isopropyl alcohol Honeywell BDH-140 Wafer clean
Hexamethyldisilizane Mallinckrodt Baker 5797 Adhesion promoter
Microposit SC 1827 Positive Photoresist Shipley Europe Ltd 44090 Pattern, electroplating
Microposit MF-26A developer Shipley Europe Ltd 31200 Develop SC 1827
Tetramethylammonium hydroxide Sigma-Aldrich 334901 Bulk Si etch
Sulfuric acid Sciencelab.com SLS2539 Wafer clean
Hydrogen peroxide Sciencelab.com SLH1552 Wafer clean
Transene Sulfite Gold TSG-250 Transense 110-TSG-250 Au electroplating solution
Baker PRS-3000 Positive Resist Stripper Mallinckrodt Baker 6403 Photoresist stripper
Gold etchant type TFA Transense 060-0015000 Au etch
Equipment
Mask aligner Karl Suss MJB-3 Pattern photoresist
Sputter coater Perkin Elmer 2400 Sputterer Deposit metal
Thermal oxidation furnace Pyrogenic Oxidation Furnace Grow silicon dioxide
Reactive Ion Etch Plasmatech RIE Plasma ash
Xenon difluoride dry etcher Xactix Xenon Difluoride Etcher Selective dry isotropic silicon etch
Surface profilometer Alpha-Step IQ Step height measurement
Probe ring Signatone Holds DC probe manipulators
DC manipulators Signatone S-900 Series Micropositioner Applies potential difference to device
Laser doppler vibrometer Polytec OFV-551/MSA-500 Micro System Analyzer Switching time measurement
Digital function generator Agilent E4408B Function Generator Creates the DC-dynamic waveform
High voltage linear amplifier Single channel high voltage linear amplifier A400 Facilitates high voltage
Digital oscilloscope Agilent DS05034A Digital Oscilloscope Verify the dynamic waveform parameters

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Rebeiz, G. RF MEMS: Theory, Design, and Technology. , John Wiley and Sons. (2003).
  2. Senturia, S. D. Microsystem Design. , Springer. (2001).
  3. Bouchaud, J. Propelled by HP Inkjet Sales, STMicroelectronics Remains Top MEMS Foundry. , Available from: http://www.isuppli.com/MEMS-and-Sensors/News/Pages/Propelled-by-HP-Inkjet-Sales-STMicroelectronics-Remains-Top-MEMS-Foundry.aspx (2011).
  4. Lantowski, K. G. D. The Future of Cinema Has Arrived: More Than 50,000. Theatre Screens Worldwide Feature The Brightest, 2D/3D Digital Cinema Experience With DLP Cinema. , Available from: http://www.dlp.com/technology/dlp-press-releases/press-release.aspx?id=1510 (2011).
  5. Bosch-Wachtel, T. Knowles Ships 2 Billionth SiSonic MEMS Microphone. , Available from: http://pressrelease.smartoman.com/?p=2810 (2011).
  6. Burke, J. Mirasol Display Capabilities Add Color and Interactivity to Improve User Experience for Renowned Jin Yong Branded Device. , Available from: http://www.mirasoldisplays.com/press-center/pressreleases/2012/01/koobe-taiwan%E2%80%99s-leading-e-reader-manufacturer-and-qualcommbring (2012).
  7. Bettler, D. MEMStronics Captures Prestigious R & D 100 Award. , Available from: http://www.memtronics.com/files/MEMtronics_Press_Release7_1_2011.pdf (2011).
  8. Marsh, C. Omron Releases New RF MEMS Switch with Superior High Frequency Characteristics rated to 100 Million Operations. , Available from: http://www.components.omron.com/components/web/pdflib.nsf/0/. D69D5B6BCBE68DC2862574FD005B5141/$file/Omron 2MES-1 PR final.pdf (2008).
  9. Rosa, M. A., Bruyker, D. D., Volkel, A. R., Peeters, E., Dunec, J. A novel external electrode configuration for the electrostatic actuation of MEMS based devices. J. Micromech. Microeng. 14, 446-451 (2004).
  10. Rottenberg, X., et al. Electrostatic fringing-field actuator (EFFA): application towards a low-complexity thin film RF-MEMS technology. J. Micromech. Microeng. 17, S204-S210 (2007).
  11. Allen, W. N., Small, J., Liu, X., Peroulis, D. Bandwidth-optimal single shunt-capacitor matching networks for parallel RC loads of Q >> 1. Asia-Pacific Microw. Conf (Singapore). , 2128-2131 (2009).
  12. Small, J., Liu, X., Garg, A., Peroulis, D. Electrostatically tunable analog single crystal silicon fringing-field MEMS varactor. Asia-Pacific Microw Conf (Singapore). , 575-578 (2009).
  13. Liu, X., Small, J., Berdy, D., Katehi, L. P. B., Chappell, W. J., Peroulis, D. Impact of mechanical vibration on the performance of RF MEMS evanescent-mode tunable resonators. IEEE Microw. Wireless Compon. Lett. 21, 406-408 (2011).
  14. Small, J., et al. Electrostatic fringing field actuation for pull-in free RF-MEMS analog tunable resonators. J. Micromech. Microeng. 22, 095004 (2012).
  15. Su, J. A lateral-drive method to address pull-in failure in MEMS. , Dept. Elect. Comput. Eng., University of Notre Dame. (2008).
  16. Scott, S., Peroulis, D. A capacitively-loaded MEMS slot element for wireless temperature sensing of up to 300°C . IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig, Boston, MA, USA, , 1161-1164 (2009).
  17. Scott, S., Sadeghi, F., Peroulis, D. Inherently-robust 300C MEMS sensor for wireless health monitoring of ball and rolling element bearings. IEEE Sensors, Christchurch, New Zealand, , 975-978 (2009).
  18. Lee, K. B. Non-contact electrostatic microactuator using slit structures: theory and a preliminary test. J. Micromech. Microeng. 17, 2186-2196 (2007).
  19. Su, J., Yang, H., Fay, P., Porod, W., Berstein, G. H. A surface micromachined offset-drive method to extend the electrostatic travel range. J. Micromech. Microeng. 20, 015004 (2010).
  20. Small, J., Fruehling, A., Garg, A., Liu, X., Peroulis, D. DC-dynamic biasing for >50x switching time improvement in severely underdamped fringing-field electrostatic MEMS actuators. J. Micromech. Microeng. 22, (2012).
  21. Borovic, B., Liu, A. Q., Popa, D., Cai, H., Lewis, F. L. Open-loop versus closed-loop control of MEMS devices: Choices and issues. J. Micromech. Microeng. 15, 1917-1924 (2005).
  22. Pons-Nin, J., Rodriquez, A., Castaner, L. M. Voltage and pull-in time in current drive of electrostatic actuators. J. Microelectromech. Syst. 11, 196-205 (2002).
  23. Czaplewski, D. A., et al. A Soft Landing Waveform for Actuation of a Single-Pole Single-Throw Ohmic RF MEMS Switch. J. Microelectromech. Syst. 15, 1586-1594 (2006).
  24. Elata, D., Bamberger, H. On the dynamic pull-in of electrostatic actuators with multiple degrees of freedom and multiple voltage sources. J. Microelectromech. Syst. 15, 131-140 (2006).
  25. Chen, K. S., Ou, K. S. Fast positioning and impact minimizing of MEMS devices by suppression motion-induced vibration by command shaping method. Proc. IEEE 22nd Int. Conf. Micro Electro Mech. Syst, Sorrento, Italy, , 1103-1106 (2009).
  26. Chen, K. S., Yang, T. S., Yin, J. F. Residual vibration suppression for duffing nonlinear systems with electromagnetical actuation using nonlinear command shaping techniques. ASME J. Vibration and Acoustics. 128, 778-789 (2006).
  27. Buffered oxide etchant; MSDS No. B5636 [Online]; . , Mallinckrodt Baker, Inc. Phillipsburg, NJ. Available from: http://nrf.aux.eng.ufl.edu/_files/msds/299.pdf (2009).
  28. Acetone; MSDS No. A0446 [Online]. , Mallinckrodt Baker, Inc.. Phillipsburg, NJ. Available from: http://www.clean.cise.columbia.edu/msds/acetone.pdf (2001).
  29. Isopropyl alcohol. MSDS No. BDH-140 [Online]. , Honeywell. Muskegon, MI. Available from: http://grice.cofc.edu/pdf/MSDS/Rm205/Plante/Isopropyl%20Alcohol%2099%25.pdf (2005).
  30. Hexamethyldisilazane. MSDS No. H2066 [Online]. , Mallinckrodt Baker, Inc. Phillipsburg, NJ. Available from: http://kni.caltech.edu/facilities/msds/hmds.pdf (2007).
  31. Microposit SC 1827 Positive Photoresist. [Online]. , Rohm and Haas Electronic Materials LLC. Marlborough, MA. Available from: http://mfc.engr.arizona.edu/safety/MSDS%20FOLDER/Microposit%20SC%201827%20Photoresist.pdf (2004).
  32. SUSS MJB 3 mask aligner operator’s reference manual rev A. [Online]. , Karl Suss. Available from: http://www.acsu.buffalo.edu/~btvu/doc/cr/Suss%20MJB-3%20Operator's%20Manual.pdf (2013).
  33. Microposit MF-26A developer. [Online]. , Shipley Europe Ltd. Coventry, UK. Available from: http://www.nanotech.wisc.edu/CNT_LABS/MSDS/Developers/MSDS%20MF26A.pdf (2000).
  34. Technics 800 Micro RIE Operating Manual. [Online]. , Available from: http://research.engineering.ucdavis.edu/cnm2/wp-content/uploads/sites/11/2013/05/Technics800RIE.pdf (2008).
  35. Tetramethylammonium hydroxide. MSDS No. 334901 [Online]. , Sigma-Aldrich. Saint Loius, MO. Available from: http://www.sigmaaldrich.com/MSDS/MSDS/DisplayMSDSPage.do?country=US&language=en&productNumber=334901&brand=SIAL&PageToGoToURL=http%3A%2F%2Fwww.sigmaaldrich.com%2Fcatalog%2Fproduct%2Fsial%2F334901%3Flang%3Den (2012).
  36. Hydrofluoric acid. [Online]. , Sciencelab.com, Inc. Houston, TX. Available from: http://www.sciencelab.com/msds.php?msdsId=9924296 (2012).
  37. Piranha clean. [Online]. , Tufts University Standard Operating Procedure. Available from: http://engineering.tufts.edu/microfab/index_files/SOP/PiranhaClean_SOP.pdf (2007).
  38. Transene Sulfite Gold TSG-250. Product Number: 110-TSG-250. , Transene Company. Danvers, MA. (2012).
  39. Baker PRS-3000™ Positive Resist Stripper. MSDS No. B0203 [Online]. , Mallinckrodt Baker, Inc. Phillipsburg, NJ. Available from: http://mcf.tamu.edu/docs/msds-pdfs/BAKER-PRS-3000.pdf (2001).
  40. Gold etchant type TFA. Product Number: 060-0015000. , Transene Company. Danvers, MA. (2012).
  41. Xenon Difluoride Etching System. Lab manual Chapter 7.5 [Online]. , Marvell Nanofabrication Laboratory. Berkeley, CA. Available from: http://nanolab.berkeley.edu/labmanual/chap7/7.5xetch.pdf (2003).
  42. Garg, A., Small, J., Mahapatro, A., Liu, X., Peroulis, D. Impact of sacrificial layer type on thin film metal residual stress. IEEE Sensors, Christchurch, New Zealand, , 1052-1055 (2009).

Tags

Fysikk mikroelektromekaniske systemer aktuatorer bytte tid innsovningstid elektrostatiske enheter mikromaskinering tynn film enheter
Real-Time DC-dynamisk Biasing metoden for veksling Tid Bedring i Alvorlig Underdamped Fringing-feltet Elektro MEMS Aktuatorer
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Small, J., Fruehling, A., Garg, A.,… More

Small, J., Fruehling, A., Garg, A., Liu, X., Peroulis, D. Real-Time DC-dynamic Biasing Method for Switching Time Improvement in Severely Underdamped Fringing-field Electrostatic MEMS Actuators. J. Vis. Exp. (90), e51251, doi:10.3791/51251 (2014).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter