Summary
Un protocole pour une conception de faisceau fixe-fixe à l’aide d’un vibromètre laser Doppler (LDV), y compris la mesure de la fréquence, tuning, modification de réglage capacité et éviter la défaillance du dispositif et prismatique, est présenté. La supériorité de la méthode LDV sur l’analyseur de réseau est démontrée en raison de sa capacité supérieure de la mode.
Abstract
Ici, nous démontrer les avantages de la laser Doppler vibromètre (LDV) sur des techniques classiques (l’analyseur de réseau), ainsi que les techniques pour créer un filtre de systèmes (MEMS) microélectromécaniques basée sur l’application et comment l’utiliser efficacement) c'est-à-dire, tuning la tuning-capacité et évitant comme échec et prismatique). LDV permet des mesures cruciales qui sont impossibles avec l’analyseur de réseau, telles que la détection de mode supérieure (application de biocapteur très sensible) et mesure de résonance pour les très petits appareils (prototypage rapide). En conséquence, LDV a été utilisée pour caractériser la portée de réglage de fréquence et de la fréquence de résonance à des modes différents des filtres MEMS construits pour cette étude. Ce mécanisme de réglage de fréquence large gamme repose simplement sur Joule chauffage chauffage incorporé de la contrainte thermique relativement élevé par rapport à la température d’un faisceau fixe-fixe. Toutefois, nous démontrent qu’une autre limite de cette méthode est la contrainte thermique élevée qui en résulte, qui permet de graver les appareils. Poursuite de l’amélioration a été obtenue et montré pour la première fois dans cette étude, telles que la capacité de réglage a augmenté de 32 % grâce à une augmentation de la DC bias tension appliquée (25 V-35 V) entre les deux faisceaux adjacents. Cette importante découverte élimine le besoin pour le Joule appoint chauffage à la portée de réglage de fréquence plus large. Un autre échec possible est par le biais de sructure et exigence d’optimisation de la structure : nous proposons une technique simple et facile d’application du signal du onde carrée basse fréquence qui permet de séparer avec succès les poutres et élimine le besoin pour les plus méthodes sophistiquées et complexes donnés dans la littérature. Les conclusions susmentionnées nécessitent une méthodologie de conception, et donc, nous fournissons également une conception axée sur la demande.
Introduction
Il y a une demande croissante pour les filtres de MEMS en raison de leur haute fiabilité, faible consommation, design compact, facteur de qualité élevé et faible coût. Ils sont largement utilisés comme capteurs et éléments essentiels dans la communication sans fil. Capteurs de température1, bio-capteurs2,3, capteurs de gaz4, filtres5,6,7et oscillateurs sont les domaines d’application les plus populaires. Les plus populaires filtres électrostatiques de MEMS sont faisceau fixe-fixe5,8, cantilever2, Diapason6, libre-libre faisceau6,7, flexion disques7, et conception de forme carrée9.
Il y a plusieurs étapes cruciales dans la réalisation d’un filtre de MEMS, tels que la méthodologie de conception (optimisation de la structure axée sur la demande, large gamme de fréquence de syntonisation étendue et en évitant les échecs) et caractérisation (prototypage rapide, évitant les parasites capacitances et detection des modes plus élevés). Syntonisation de capacité est nécessaire pour compenser tout changement de fréquence en raison des tolérances de fabrication, ou des variations de la température ambiante. Différentes techniques10,11,,12 ont été rapportées dans la littérature pour répondre à ces besoins ; Toutefois, ils ont quelques inconvénients tels que la fréquence limitée tuning capacité, fréquence basse centrale, post-traitement supplémentaire aux exigences et chauffage externe10,11.
Dans cette étude nous présentons éventail réglage de fréquence par le Joule méthode5,13 de chauffage sur une fréquence limitée de syntonisation étendue via un module d’élasticité variation12 (augmentant la tension de polarisation DC entre deux faisceaux adjacents) et un matériel de phase transition méthode10,11. En outre, le choix de la structure optimale et la conception axée sur la demande ont été résumées dans Göktaş et zakaria13. Ici, nous montrons comment accorder la fréquence de résonance d’un faisceau fixe-fixe en augmentant la tension appliquée à l’appareil de chauffage incorporé à l’aide de la LDV. La simulation (MEF) l’analyse par éléments finis est synchronisée avec la mesure de LDV dans le même cadre, dans un souci de visualisation du mécanisme de réglage. Cela inclut le Joule chauffage et cintrage profil tout au long de la poutre.
Nous présentons aussi les échecs possibles (dispositifs brûlés et prismatique) et les solutions proposées. Le Joule méthode en association avec le stress thermique élevée du faisceau fixe-fixe de chauffage fournit des réglage de fréquence large éventail mais en même temps peut entraîner des dispositifs brûlés à un certain niveau de température. Ceci est attribué au stress thermique élevé entre différents matériaux14. La solution consiste à augmenter la tension entre les deux faisceaux adjacents, qui à son tour augmente la portée de réglage (32 %) et élimine le besoin de haute température. Cette méthode « mise au point la gamme tuning » a été tout d’abord démontrée dans Göktaş et zakaria5, expliquée en détail dans Göktaş et zakaria13et re-présentée ici. Prismatique, en revanche, peut avoir lieu pendant l’opération de résonance ou de processus de fabrication. Il y a eu beaucoup de techniques proposées pour traiter ce problème comme l’application de revêtement de surface pour réduire l’adhérence énergie15,16, croissant de rugosité de surface17et le laser réparation processus18. En revanche, nous présentons une technique simple où un signal carré de basse fréquence a été appliqué entre deux faisceaux ci-jointe et la séparation a été enregistrée avec succès par LDV. Cette méthode permet d’éliminer extra coût et réduire la complexité de la conception.
Une autre étape essentielle dans la construction d’un filtre de MEMS de pointe est la caractérisation et la vérification. Qualification avec un analyseur de réseau est une des méthodes plus populaires et largement utilisés ; Toutefois, il a quelques inconvénients. Même une petite capacité parasite peut tuer le signal et donc cela nécessite généralement un amplificateur circuit3,6,8 pour l’élimination du bruit, et il peut seulement détecter la première résonance de mode. En revanche, la caractérisation avec LDV est exempt de cette question de la capacité parasite et peut détecter beaucoup plus petite cylindrée. Cela permet le prototypage rapide, tout en éliminant la nécessité pour la conception de l’amplificateur. En outre, LDV peut détecter la résonance mode supérieure de filtres MEMS. Cette fonctionnalité est très prometteuse, en particulier dans le domaine des biocapteurs très sensibles. Un mode supérieur de porte-à-faux peut fournir beaucoup plus de sensibilité19. La mesure supérieure de mode d’un faisceau fixe-fixe avec LDV est indiquée et appliquée au mesurage de simulation de MEF. Les résultats prématurées de la simulation de MEF offrent jusqu'à 46 fois amélioration de sensibilité par rapport au premier mode du faisceau fixe-fixe.
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Protocol
1. sélectionner et concevoir une Structure optimale
- Sélectionnez le faisceau fixe-fixe pour le réglage de fréquence large éventail (par rapport aux autres candidats, elle permet large gamme tuning quand il est chauffé à cause de son coefficient de température importante de fréquence (TCF) et de la constante de dilatation thermique négligeable).
- Concevoir un faisceau plus long si le but est tuning amélioration de l’efficacité. Concevoir un faisceau plus court si le but est de saut de fréquence ou signal depister les applications.
2. modélisation et Fabrication en Complementary Metal-oxide Semiconductor (CMOS)
- Concevoir et créer le modèle 3D pour le filtre de MEMS dans un programme FEM.
- Reconstruire la même disposition dans un outil de conception de circuit intégré (IC), couche par couche pour créer le fichier de gds.
- Présenter ce dossier gds à la fonderie CMOS pour la fabrication (nous avons utilisé la technologie CMOS 0,6 µm).
- Continuer en post-traitement une fois achevé le processus CMOS (Notez que les puces devraient avoir des couches de silicium polycristallin, l’aluminium et l’oxyde).
- Conduite du CHF3/o2 sec etch processus via un plasma à couplage inductif (ICP) système etch. Etch le SiO2 entre les couches d’aluminium et former les faisceaux à l’aspect ratio de 5,7. Pour ce processus, utilisez les paramètres suivants : CHF3 à 40 sccm, O de2 à 5 sccm, pression à 0,5 Pa, alimentation du pic à 500 W et échantillon à 100 W au total 56 min graver moment.
- Appliquer la XeF2 PROCEDE dans le substrat de silicium pour créer une cavité 9 µm de profondeur sous les poutres de gravure. Pour cette opération, utilisez la XeF2 système de gravure pour 3 cycles à 3 t, pour 60 s/cycle.
- Caractériser les dispositifs avec un microscope électronique à balayage (SEM) pour s’assurer qu’ils sont correctement fabriqués. Pour cette étape, changer le faisceau tension d’accélération à 2,58 kV et la distance de travail à 9,5 mm.
3. dispositif de test
Remarque : Device essais consistent en de nombreuses étapes, y compris le Joule chauffage test et test de réponse de fréquence.
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Test de la caméra thermique pour les appareils embarqués
- Positionner la caméra thermique sur le dessus de la puce et tester les appareils de chauffage incorporés pour s’assurer qu'ils chauffent les poutres.
- Branchez l’alimentation électrique vers le package de la puce et appliquer une tension sur les appareils de chauffage intégrés de 0 V à 5,7 V par petits incréments pour augmenter la température dans les poutres.
- Enregistrer le profil de température dans le package de la puce via une caméra thermique pendant le chauffage. Enregistrer les résultats dans un programme de calcul numérique et tracer le profil de chauffage.
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Calibrer la LDV et test configuration
- Positionner le laser sur le dessus des 120 µm longues poutres.
- Branchez l’alimentation entre les deux 120 µm longues poutres d’appliquer les 7 V DC et 3 V de tension alternative pour l’opération de résonance. Se connecter à une tension de polarisation DC supplémentaire pour les appareils de chauffage incorporés avec un maximum de 5,7 V appliquer Joule aux poutres de chauffage pendant l’opération de résonance.
- Déplacer le laser à un endroit différent sur la poutre pour obtenir un reflet de laser de faible bruit. Veillez à augmenter l’intensité de la barre bleue afin de diminuer le bruit.
- Diviser l’écran en plusieurs vues d’étalonner et de commencer l’installation de mesure.
- Allez dans paramètres de l’Acquisition, réglez le mode de mesure à la FFT, ne pas utiliser n’importe quel filtre et définir la bande passante à 2 MHz.
- Changer la vitesse afin qu’il puisse soutenir une fréquence maximale de 2,5 MHz.
- Utilisez la forme d’onde périodique chirp.
NOTE : Ici, Amplitude représente des tensions alternatives et Offset est synonyme de tension CC. - Démarrer la mesure avec cette nouvelle configuration.
- Mettre à jour les paramètres d’Acquisition en changeant la tension de 1 V.
- Diminuer la tension de polarisation appliquée dans la fenêtre Paramètres d’Acquisition lorsque le Ref1 montre l’alarme rouge (cela signifie que le signal est bruyant).
- Déplacer le laser à un endroit différent sur la poutre pour augmenter le rapport signal-bruit. Il peut parfois être mauvais points sur la poutre qui provoque l’alarme rouge dans la barre de vibration ; dans ce cas, continuer à chercher le meilleur spot.
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Tests de 68 µm longs filtres MEMS via LDV
- Sélectionnez le filtre de MEMS long 68 µm pour les tests.
- Appliquer 25 DC V et 5 V AC tension ensemble entre les poutres adjacentes longtemps deux 68 µm. Ici, la tension fournit la flexion et la tension alternative permet l’utilisation de résonance.
- Appliquer une tension supplémentaire pour les appareils de chauffage intégrés placés dans le 68 µm de longueur de largeur et augmenter la tension de 0 V à 5,7 V par petits incréments. Cela vous donnera de réglage de fréquence basée sur le Joule chauffage.
- Observer et enregistrer la fréquence de résonance et la réponse en phase par rapport à la tension de polarisation appliquée à chaque étape et résumer les résultats dans un tableau. Le réglage de la fréquence totale pour cet exemple voici environ 874 kHz lorsque la tension Vcc 5,7 est appliquée à l’élément chauffant intégré.
NOTE : Les Simulations (sur le côté droit) et la mesure réelle (côté gauche) sont synchronisées.
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Mesure de modes plus élevé
- Appuyez sur le bouton A/D pour aller à la fenêtre des paramètres d’Acquisition démontrée dans l’article 3.2 et changer la vitesse afin qu’il puisse soutenir des fréquences très élevées.
- Mesurer le premier et le second mode avec leur phase.
Remarque : Le déplacement de résonance principale est dans la direction Y pour le mode-1 et c’est dans la direction Z (c’est vers le microscope) pour le mode-2.
4. éviter la défaillance du dispositif
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Basse fréquence onde carrée signal application pour résoudre prismatique
- Appliquer un signal carré de 1 Hz pour résoudre le problème de la sructure qui résulte d’une charge électrostatique entre les deux faisceaux adjacents.
- Accédez à la zone décalage, puis affectez-lui 1 V, la tension tout en gardant la tension à 1 V.
- Accédez à la zone de fréquence et régler la fréquence de 1 Hz.
- Activer et appliquer cette nouvelle configuration sur les poutres.
- Observer la séparation des poutres.
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Contraintes thermiques élevées et gravure
- Utilisez un échantillon supplémentaire pour le test de stress thermique.
- Augmenter la tension de polarisation appliquée sur l’appareil de chauffage incorporé par petits incréments pour trouver la tension maximale admissible avant que l’appareil s’avère défectueux pour des contraintes thermiques élevées.
5. renforcement de la capacité de réglage
- Appliquer une tension 25 V et 5 V tension d’ensemble entre les poutres adjacentes deux 68 µm tout en augmentant la tension de polarisation appliquée sur l’appareil de chauffage intégré de 0 V à 5,7 V, pour un déplacement de fréquence kHz 661 total.
- Augmenter la tension de polarisation appliquée de 25 V à 35 V d’ajouter un ressort supplémentaire adoucissement effet entre les poutres adjacentes longtemps deux 68 µm, tout en appliquant une tension V AC 1 et en gardant la même configuration de tension de polarisation sur les appareils de chauffage incorporés.
- Enregistrer l’amélioration de 32 % dans le décalage de fréquence total tel qu’il devrait passer de 661 kHz à 875 kHz venant de ce printemps supplémentaire adoucissement effet.
Remarque : Au meilleur de nos connaissances, changer la capacité de réglage des résonateurs MEMS a été atteint pour la première fois dans ce travail.
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Representative Results
Sructure a été évitée en appliquant un signal basse fréquence carré et cela a été vérifié à l’aide de LDV (Figure 1). Susceptibles de défaillance due à un stress thermique élevé14 lors de l’application relativement plus élevée tension de polarisation DC pour les appareils de chauffage incorporés a été vérifiée au microscope (Figure 2). Le programme de la MEF a servi à calculer les modes plus élevés pour le faisceau (Figure 3). Changer la capacité de réglage (augmentation de 32 %) en changeant la tension de polarisation DC (25 V-35 V) entre les deux faisceaux adjacents a été démontrée pour la première fois dans ce travail5 à l’aide de la LDV (Figure 4). La capacité de mesurer les réponses mode supérieurs par l’intermédiaire de la LDV a été démontrée avec succès et les résultats ont été comparés à la simulation de la MEF. Le modeth 5 a été mesurée avec la LDV en mesurant plusieurs points sur chaque poutre. La forme mesurée mode parfaitement adaptée à la simulation de MEF (Figure 5). En outre, jusqu'à amélioration de 46 fois la fréquence Maj en ce qui concerne le premier mode a été démontrée par le MEF lorsqu’une masse de pg 1 a été fixée pour le filtre de MEMS. Ce résultat prometteur fournirait un biocapteur beaucoup plus sensible lorsqu’il est combiné avec le mode supérieur lire la capacité de la LDV (Figure 6).
Figure 1 : Collage entre les filtres MEMS. Sructure a eu lieu à T = 55 s, avec les poutres étant sorti à T = 57 s après avoir appliqué le signal carré de basses fréquences. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 2 : Brûler tout au long des filtres MEMS. (a) 200 µm long MEMS de filtres avant d’appliquer la haute tension aux appareils de chauffage incorporé (b) 200 µm long MEMS filtres après l’application de la haute tension aux appareils de chauffage incorporé (c) 240 µm long MEMS filtres après l’application de la haute tension DC pour les appareils de chauffage incorporés. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 3 : Modes propres. Rayon sur des modes plus élevés (Mode-1 à la Mode-9) s’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 4 : Tuning la capacité syntonisation. Réponse en fréquence en fonction de différents biais tension appliquée sur les appareils de chauffage incorporés des 68 µm long MEMS filtres (un) lorsque Vcc = 25 V et ACC = 5 V et (b) quelle Vcc = 35 V et ACC = 1 V. s’il vous plaît cliquez ici pour voir une version agrandie de cette figur e.
Figure 5 : Mesure de la mode haute. (a) la mesure mode haute réponse pour L = 152 µm long MEMS filtres. (b), à la simulation de la MEF résultats avec la même forme de mode. (c) la mesure les réponses mode supérieurs pour L = 152 µm long MEMS filtres à des fréquences différentes. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 6 : Différents modes et leurs performances envisagées. (a) la fréquence normalisée Maj en ce qui concerne le premier mode de 1 masse de pg attaché au filtre MEMS. (b) Comparaison entre la mesure et de simulation de Coventor pour les réponses de mode plus de 152 µm MEMS longs filtrent. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
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Discussion
Une des étapes essentielles dans la construction des filtres MEMS est de concevoir le dispositif basé sur la zone d’application. Le rayon doit être plus long ou plus minces pour mieux tuning efficacité (ppm/mW), mais plus courtes ou plus minces pour signal applications de suivi ou de saut de fréquence. De la même manière, détection de signal clair via LDV est essentielle dans le dispositif de test qui est pourquoi il est préférable de concevoir la poutre avec au moins 3-4 µm d’épaisseur. Sinon, le signal sera bruyant, même avec un 100 X lentille et il tient compte de plusieurs points essais avec élimination du bruit (intégrée aux logiciels LDV) pour réaliser une détection optimale. En raison de sa grande TCF, le faisceau fixe-fixe, par rapport aux autres candidats (cantilever, Diapason et faisceau libre-libre), permet à large gamme de réglage de fréquence quand il est chauffé. Dans cette étude, nous avons utilisé le Joule méthode avec des couches de silicium polycristallin comme les appareils de chauffage intégrés de chauffage.
Comment éviter les frottements :
Sructure peut avoir lieu pendant l’opération de résonance en raison de la charge électrostatique. Différentes méthodes ont été présentées dans la littérature, comme concevoir la poutre avec constante de haute rigidité, revêtement de la surface avec anti-sructure chimie et application de haute tension continue dans le sens inverse. En revanche, aux fins du dépannage, nous présentons une technique alternative, facile ici. En appliquant un signal d’onde carrée basse fréquence (1 Hz) tension relativement élevée pendant une courte période ()Figure 1), les poutres peuvent séparer les uns des autres et continuent de résonner. Cette solution permet une conception de faible coût et élimine les solutions plus complexes comme le revêtement anti-prismatique.
Comment éviter la panne de l’appareil :
Relativement haute densité de courante dans les poutres du fixe-fixe en raison de l’application de tension plus élevée peut causer la défaillance du dispositif (cassé ou brûlé des dispositifs) (Figure 2). C’est principalement à cause de la non concordance dans les constantes de la dilatation thermique de différentes couches dans le fixe-fixe le faisceau13,14. Pour éviter la panne, la tension maximale admissible pour chaque faisceau fixe-fixe différent doit être étudiée et définie avec soin, ainsi que la fréquence maximale de syntonisation étendue. Le maximum admissible tension et la consommation électrique varie de poutre à poutre et dépend de l’appareil dimensions13. La tension maximale admissible, appliquée pour les appareils de chauffage incorporés pour le 68 µm de longueur de largeur dans ce travail est entre V 6.3-7 avant la défaillance de l’appareil.
Caractérisation efficace :
Un des plus grands défis de la méthode d’analyseur de réseau est d’éliminer les capacités parasites. L’outil de conception IC est utilisé pour tracer la fréquence et la réponse de phase du circuit équivalent pour les filtres MEMS longues de 120 µm. La valeur de crête à crête S21 drastiquement diminué de 6 dB à 0,34 dB même lorsque la capacité parasite est passée de 1 fF 20 fF, ce qui nécessite une conception sur puce amplificateur placée à côté des MEMS filtres6,8.
Contrairement à l’analyseur de réseau, LDV offre de nombreux avantages dans la mesure de résonance des faisceaux fixes-fixes. Tout d’abord, il élimine la capacité parasite et cela permet le prototypage rapide et beaucoup plus petit appareil (appareils haute fréquence) caractérisation. En outre, la LDV propose caractérisation de mode plus élevée (Figure 3) tandis que l’analyseur de réseau est limité à caractériser le premier mode uniquement. Cette offre de nombreux avantages dans différents domaines comme biocapteur applications19.
Comment accorder la capacité de réglage :
Au meilleur de nos connaissances, tuning la tuning-capacité a été démontrée pour la première fois dans ce travail5. Le ressort supplémentaire adoucissement effet dû à une augmentation de la tension de polarisation DC appliquée entre les deux faisceaux adjacents prévoit une augmentation de 32 % de la fréquence totale de syntonisation étendue. Augmentation de la tension appliquée entre les deux faisceaux adjacents ajoute printemps supplémentaire adoucissement sur le dessus de l’adoucissement de la Joule chauffage, et cela se traduit par une fréquence plus large plage de réglage. La portée de réglage augmente de 661 kHz à 875 kHz lorsque la tension entre les deux faisceaux adjacents augmente de 25 V à 35 V (Figure 4). Cette fonctionnalité est en grande demande dans les applications telles que le saut de fréquence, signal suivi et circuits reconfigurables, récepteur et émetteur/récepteur.
Les filtres de MEMS ont attiré une attention considérable surtout pour les biocapteurs portables applications2,3,20. La MEF est utilisé pour étudier les réponses plus élevées de la mode. Selon les résultats préliminaires, les modes supérieurs peuvent fournir beaucoup meilleure sensibilité (jusqu'à 46 fois amélioration par rapport au premier mode) (Figure 6), une caractéristique très précieuse et recherchée dans le domaine des biocapteurs portables. Pour cette raison, l’absorption de la technique LDV présentée ici est considérée comme inévitable. Mesurant la résonance des dispositifs à des modes plus exigera la participation de la LDV en raison de sa capacité de détection mode supérieure (Figure 5). Cette capacité impressionnante de la LDV, ainsi que la possibilité d’une sensibilité plus élevée à des modes plus élevés, peut conduire à biocapteurs de pointe à haute sensibilité.
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Disclosures
Nous n’avons rien à divulguer.
Acknowledgments
Ce travail a été soutenu par l’US Army Research Laboratory, Adelphi, MD, USA, sous Grant W91ZLK-12-P-0447. Les mesures de résonance ont été menées avec l’aide de Michael Stone et Anthony Brock. La mesure d’une caméra thermique a été réalisée avec l’aide de Damon Conover de l’Université George Washington.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Laser Doppler Vibrometer | Polytec | Polytec MSA-500 | |
| Scanning Electron Microscope | Zeiss | ||
| Thermal Camera | X | ||
| Power Supply | Egilent | (E3631A) | |
| Microscope | X | ||
| Coventor | Coventor | Simulation Tool | |
| Cadence Virtuoso | Cadence | Simulation Tool | |
| Multisim | Multisim | Simulation Tool |
References
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