Summary
レーザドップラ (LDV) は、チューニング、チューニング機能、および装置の故障や、ヘッドス ライダーの回避の修正周波数測定などを用いた固定固定ビーム設計プロトコルが表示されます。その高いモード機能によりネットワーク アナライザーに LDV 法の優位性を発揮します。
Abstract
ここでは、従来手法 (ネットワーク アナライザー) として、アプリケーション ・ ベースの微小電気機械システム (MEMS) フィルターと効率的 (それを使用する方法を作成するテクニックをレーザドップラ (LDV) の利点を示すすなわち、チューニング チューニング機能と障害とヘッドス ライダーの両方を回避する)。レーザドップラ振動計は、高いモードの検出 (高感度バイオ センサー アプリケーション) と非常に小さいデバイス (高速プロトタイピング) の共鳴測定など、ネットワーク アナライザーで実行可能な重要で測定できます。したがって、LDV は周波数チューニング レンジと本研究用に構築された MEMS フィルターの異なるモードで共振周波数を特徴付けるために使用されました。この広い範囲の周波数チューニング メカニズムは、単にジュール加熱埋め込みヒーター固定固定はりの温度に対して比較的高い熱応力からに基づいています。ただし、このメソッドの別の制限がデバイスを書き込むことができますその結果高熱応力であることを示します。さらなる改善は実現され、本研究で初めて表示されるチューニング機能を増加させる 2 つの隣接する梁の間に応用 DC バイアス電圧 (35 V を 25 V) 32% 増加したなど。この重要な発見は、余分なジュールより広い周波数チューニング レンジで加熱の必要性を排除します。別の可能な障害は、粘着や構造最適化の要件: 低周波の方形波信号アプリケーション正常にビームを区切ることができますより多くの必要性を排除の簡便な手法を提案します。文献は、洗練された、複雑なメソッド。上記調査結果を必要とする設計手法と、アプリケーション ベースの設計をいたします。
Introduction
その高い信頼性、低消費電力、コンパクト設計、高品質係数、低コストによる MEMS フィルターの需要が高まっています。センサーと無線通信のコア部品として広く使用されます。発振器、フィルター5,6、7、ガス センサー4バイオ センサー2,3温度センサー1は、最も人気のあるアプリケーション領域です。静電 MEMS フィルターの最も人気のある、固定固定ビーム5,8、片持ち2、チューニング フォーク6、両端自由はりの6、7、曲げディスク デザイン7と正方形デザインの9。
(アプリケーション ベースの構造最適化、広い範囲の周波数可変範囲、およびエラーの回避) の設計と特性評価 (高速プロトタイピング、寄生を避けるなど、MEMS フィルターを実現するために多くの重要なステップがあります。キャパシタンス、および検出の高次モード)。製作公差または周囲温度の変動による周波数変更を補うために周波数調整機能が必要です。さまざまなテクニック10、11,12は、この要件に対処するため文献で報告されています。しかし、彼らは限られた周波数チューニング機能、低中心周波数、要件、および外部ヒーター10,11追加の後処理など欠点があります。
この研究では限られた周波数チューニング弾性率による距離を加熱方法5,13ジュールで広い範囲の周波数を提案12 (隣接する 2 つのビーム間の DC バイアス電圧の増加) を変更し、材料はフェーズ遷移法10,11です。また、最適構造選択とアプリケーション ベースの設計は Göktaş と Zaghloul の13にまとめた。ここでは、レーザドップラ振動計の助けを借りて埋め込みヒーターに DC 電圧を増やすことによって固定固定梁の共振周波数を調整する方法を示します。有限要素法 (FEM) 解析シミュレーションは、チューニング機構を可視化するために同じ枠で LDV 計測と同期されます。これはジュール加熱と曲げビーム全体のプロファイルが含まれています。
(焦げたデバイスおよびヘッドス ライダー) の障害と彼らの提案された解決策を述べる。ジュール加熱方式固定固定ビームの高熱応力との組み合わせでさまざまな周波数を提供していますが、同時にによって、特定の温度レベルのデバイスが焦げた。これは異なる材料14間高い熱応力に起因します。ソリューションは、順番 (32%) でチューニングの範囲を増加し、高温のための必要性を排除する 2 つの隣接するビーム間の DC 電圧を増やすことです。この「チューニング チューニング範囲」メソッド最初 Göktaş と Zaghloul5で示した Göktaş Zaghloul13, で詳しく説明、再紹介。粘着、その一方で、起こることができる作製プロセスまたは共鳴操作中に。提案する接着エネルギー15,16、増加表面粗さ17、および18レーザー修復プロセスを減らすために表面のコーティングを適用するなど、この問題に対処するための多くの技術がずっとあります。対照的に、低周波の矩形波信号が接続されている 2 つのビーム間適用された、分離正常に LDV による記録された単純な手法を提案する.このメソッドを排除することができます余分なコストし、設計の複雑さを減らします。
最先端の MEMS フィルターを構築する上での重要なステップは、評価と検証。ネットワーク ・ アナライザーの特性は、最も人気のあると広く使用されている方法の 1 つしかし、それはいくつかの欠点があります。小さくても寄生容量が信号を殺すことができるので、これは通常ノイズ除去のアンプ回路3,6,8を必要とし、最初のモードの共振特性を検出できるだけ。その一方で、ldv の特性はこの寄生容量問題から解放され、多くのより小さい変位を検出することができます。高速プロトタイピング、これにより増幅器の設計の必要性を排除できます。さらに、レーザドップラ振動計は、MEMS フィルターの高い共振モードを検出できます。この機能は、非常に有望な高感度バイオ センサーの分野で特に。高いカンチレバー モードより多くの感度19を提供できます。高いモード ldv 固定固定ビーム測定は示す、FEM シミュレーション測定に適用。有限要素法によるシミュレーションの結果から早期固定固定ビームの最初のモードと比較して感度の 46 回改善を提供しています。
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Protocol
1. 選択と最適構造の設計
- 広い範囲の周波数の固定固定ビームを選択 (他の候補者と比較して、それにより様々 なチューニングの周波数 (TCF) とごくわずかの熱膨張係数の大きな温度係数のため加熱時)。
- 目的は効率化のチューニングの場合は、長い梁を設計します。目的が周波数ホッピングまたは信号追跡アプリケーションの場合は、短いビームをデザインします。
2. モデリングと相補型金属酸化膜半導体 (CMOS) の製作
- 設計し、有限要素法プログラムで MEMS フィルターの 3 D モデルを作成します。
- 集積回路 (IC) のデザイン ツールは、gds ファイルを作成する層で同じレイアウトを再構築します。
- この gds ファイルを作製 (我々 は 0.6 μ m cmos を使用) の CMOS 鋳造を提出します。
- CMOS プロセスが完了したら、後処理で続行 (チップは、多結晶シリコン、アルミニウムおよび酸化物の層があるに注意してください)。
- 行為 CHF3/O2ドライ エッチング プロセスを介して誘導結合プラズマ (ICP) etch システム。アルミ層間 SiO2をエッチングし、5.7 のアスペクト比のビームを形成します。このプロセスは、次のパラメーターを使用して: CHF3 40 sccm、O2 5 sccm で、0.5 圧力 Pa、500 W、ICP パワーと 56 分の合計で 100 W でサンプル パワー エッチング時間。
- 適用、XeF2梁下 9 μ m 深さキャビティを作成するシリコン基板のエッチングします。このプロセスでは、60 秒/サイクルの 3 t、3 サイクルのエッチング装置 XeF2を使用します。
- 走査型電子顕微鏡 (SEM) 正しく作製したことを確認するとデバイスを特徴付けます。この手順変更 2.58 に加速電圧ビーム kV と 9.5 mm の作動距離。
3. デバイスのテスト
メモ: デバイスのテスト ジュール加熱試験および周波数応答試験を含む多くの手順で構成されます。
-
埋め込みヒーター用サーマル カメラ テスト
- チップの上にサーマル カメラを置き、彼らはビームを加熱できるように埋め込みヒーターをテストします。
- チップ パッケージに電源を接続し、ビーム全体の温度上昇を少しずつ 5.7 V を 0 V から埋め込みヒーターの DC 電圧を適用します。
- 暖房プロセスの間に熱カメラを介してチップ パッケージ全体の温度プロファイルを記録します。数値計算プログラムの結果を保存し、加熱プロファイルをプロットします。
-
レーザドップラ振動計とテストのセットアップを調整
- 120 μ m の長い梁の上にレーザーを配置します。
- 両方の 7 V DC を適用する 2 つの 120 μ m の長い梁と共鳴操作の 3 V AC 電圧の電源を接続します。追加の DC バイアス電圧を最大 5.7 ジュール共鳴操作中に梁に熱を適用する V の埋め込みヒーターに接続します。
- 低ノイズ レーザーの反射を取得するビームにレーザーを別の場所に移動します。雑音を低減する青色のバーの強度を増加することを確認します。
- 画面を調整し、測定のセットアップを開始する複数のビューに分割します。
- 取得設定に移動、FFT に測定モードを設定、任意のフィルターを使用していない 2 つの mhz の帯域幅を設定します。
- 2.5 MHz の最大周波数をサポートできますよう、速度を変更します。
- 定期的なチャープ波形を使用します。
注: ここでは、振幅は AC 電圧の略し、オフセット電圧の略します。 - この新しい設定は、測定を開始します。
- 直流電圧を 1 V に変更することで取得設定を更新します。
- 代入は、Ref1 を示す赤い警報 (つまり信号が騒々しいということ) とき取得設定ウィンドウでバイアス印加電圧が低下します。
- さらに信号対雑音比を高めるビームにレーザーを別の場所に移動します。時折、可能性があります悪いスポット振動バーに赤い警報を引き起こすビームこの場合は、最高のスポットを検索し続けます。
-
LDV による 68 μ m 長い MEMS フィルターのテスト
- テスト用 68 μ m 長い MEMS フィルターを選択します。
- 25 V の直流電圧と 5 V AC 電圧 2 68 μ m 長い隣接する梁の間に適用されます。ここでは、DC 電圧は、曲げと AC 電圧共振操作が可能します。
- 68 μ m の長いビームは、埋め込みヒーターに追加の DC 電圧を適用し、少しずつ 5.7 V を 0 V から電圧を高めます。これは加熱周波数チューニング ジュールに基づいて提供されます。
- 観察し共振周波数と各ステップで応用バイアス電圧に対する位相応答を記録およびテーブルの結果を集計します。ここでは、このサンプルの全周波数チューニングです 874 kHz 付近 5.7 V の DC 電圧が埋め込みヒーターに適用されます。
注: (右側) のシミュレーションと実測 (レフト側) が同期されます。
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高いモード測定
- セクション 3.2 に示す取得設定ウィンドウに移動する/D ボタンを押すし、それは非常に高い周波数をサポートできるように、速度を変更します。
- 最初のフェーズと 2 番目のモードを測定します。
注: 主共振変位モード 1 の Y 方向は、モード 2 の Z 方向 (つまり顕微鏡の方で) です。
4. デバイスの障害を回避します。
-
ヘッドス ライダーを解決するために低周波の方形波信号のアプリケーション
- 2 つの隣接するビーム間静電充電に起因する粘着の問題を解決する 1 Hz 方形波信号を適用します。
- オフセットのボックスに移動し、1 V AC 電圧を維持しながら直流電圧を 1 V に設定します。
- [頻度] ボックスに移動し、周波数を 1 Hz に設定。
- アクティブにし、梁をこの新しい設定を適用します。
- ビームの分離を観察します。
-
高熱応力と燃焼
- 熱ストレス テストのため余分なサンプルを使用します。
- 高熱応力によるデバイスが失敗する前に最大許容電圧を見つける小さなずつ埋め込みヒーター バイアス印加電圧を増加させます。
5. チューニング機能を高める
- 合計 661 kHz 周波数シフトの 5.7 V を 0 V から埋め込みヒーター バイアス印加電圧を増加させながら 2 つ 68 μ m 隣接する梁の間一緒に 25 V DC 電圧と 5 V AC 電圧を適用されます。
- 35 V 1 V AC 電圧を適用する埋め込みヒーターに同じバイアス電圧設定を維持し、ながら、2 つの 68 μ m 長い隣接ビーム間効果を軟化付加ばねを追加する 25 V から応用のバイアス電圧を増加します。
- 661 kHz から軟化効果追加今春から 875 の kHz に増やす必要があります合計周波数シフトに 32% の改善を記録します。
注: 我々 の知る限り、この作品で初めて実現した MEMS 共振器のチューニング機能の変更します。
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Representative Results
粘着低周波の方形波信号を適用することで回避されましたし、これは LDV (図 1) を使用して検証しました。高熱応力14埋め込みヒーターに比較的高い DC バイアスを適用するときのための可能な障害は、顕微鏡 (図 2) で確認しました。有限要素法プログラムは、ビーム (図 3) 高次モードを派生に使用されました。レーザドップラ振動計 (図 4) の助けを借りて、この仕事の5で初めて 2 つの隣接する梁の間 DC バイアス電圧 (35 V を 25 V) を変更することでチューニング機能 (32% 増) の変更を示した。レーザドップラ振動計による高次モード応答を測定する機能が正常に示したし、有限要素法によるシミュレーションと比較しました。5番目のモードは、各ビームの複数ポイントを測定レーザドップラ振動計で測定しました。有限要素法によるシミュレーション (図 5) と完全に一致する測定モード形状。また、最大周波数で 46 回向上 1 pg 質量を MEMS フィルターにアタッチしたとき、最初のモードに関してシフトは、有限要素法による示されました。この有望な結果は、レーザドップラ振動計 (図 6) の能力を読んで高次モードと組み合わせればより高感度バイオ センサーを提供します。
図 1: MEMS フィルターの粘着します。粘着起こった T = 55 T でリリースされている梁 s = 57 s 低周波の方形波信号を適用した後。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 2: MEMS フィルターを通して燃焼します。高い直流電圧を高電圧を適用する後埋め込みヒーター (c) 240 μ m 長い MEMS フィルターに高い直流電圧を適用する後埋め込みヒーター (b) 200 μ m 長い MEMS フィルターに適用する前に (、) 200 μ m 長い MEMS フィルター埋め込みヒーター。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 3: モード形状。高次モード (モード-1 モード 9) ビームこの図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 4: チューニング チューニング機能。別の関数として周波数応答とき 68 μ m 長い MEMS フィルター (、) の埋め込みヒーターにバイアス電圧を適用 Vdc = 25 V と Vac = 5 V、および (b) とき Vdc = 35 V と Vac この figur の拡大版を表示するのにはここをしてくださいクリックして対 1 を =e.
図 5: 高モード測定。(、) 測定高モード応答 L = 152 μ m 長い MEMS フィルター。同じモード形状と (b) の有限要素法によるシミュレーション結果。(c) 測定高次モード応答 L = 152 μ m 長い MEMS フィルターの異なる周波数で。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 6: 別のモードと予想される公演。MEMS フィルターに接続されている 1 の pg 質量を持つ最初のモードに関して (、) 正規化周波数のシフト。(b) 比較測定と 152 の高次モード応答 Coventor シミュレーション間 μ m 長い MEMS をフィルターします。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
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Discussion
MEMS フィルターを構築する上で重要な手順の 1 つアプリケーション領域に基づいてデバイスを設計することです。ビームは、長いまたはシンナーより効率 (ppm/mW)、短いまたは周波数ホッピングまたは信号追跡アプリケーションのシンナーをチューニングします。同じ方法で LDV による明確なシグナル検出は、デバイスのテストは、少なくとも 3-4 μ m の厚みで梁を設計する方が良いが重要です。それ以外の場合信号はノイズの多い、レンズ、X 100 (LDV ソフトウェアに組み込まれた) ノイズ除去に最適な検出を達成するためにテストの複数のポイントを取ります。その大きな TCF のため (カンチレバー、チューニング フォーク、両端自由はり)、他の候補者と比較して、固定固定ビームにより、幅広い周波数チューニング熱せられると。本研究ではジュール加熱埋め込みヒーターとしてポリシリコン層法を使用しました。
粘着を回避する方法。
粘着は静電帯電効果による共鳴操作中に起こることができます。高剛性定数梁の設計、アンチ粘着化学と表面をコーティング、逆方向に高電圧を適用するなど、文学の多くの異なる方法を提示されています。対照的に、トラブルシューティングに関しては、ここで、簡単に代替法を提案する.短時間(図 1のため比較的高電圧低周波 (1 Hz) 方形波信号を適用することによって)、梁はお互いから分離でき、共鳴し続けます。このソリューションは低コスト設計を可能、反スティック コーティングなどより複雑なソリューションを排除します。
デバイスの障害を回避する方法。
比較的高密度高電圧アプリケーションによる固定固定梁中を流れる電流がデバイスの障害を引き起こす可能性が (または壊れてデバイスを焼け) (図 2)。これは熱膨張定数固定固定のさまざまなレイヤーでの不一致のために主にビーム13,14。エラーを回避するには、各固定固定梁の最大許容電圧に勉強 [最大周波数可変範囲と共に、慎重に定義します。最大許容電圧および消費電力はビームから、デバイス寸法13異なります。この作品で 68 μ m 長の梁の埋め込みヒーターを最大許容電圧は、デバイス障害が発生する前に 6.3 7 V の間です。
効率的な特性:
ネットワーク アナライザー メソッドの最大の課題の一つは、寄生容量を排除することです。IC 設計ツールを使用して、周波数と 120 μ m 長い MEMS フィルターの等価回路の位相応答をプロットします。S21 ピーク-ピーク値激減 6 dB から 0.34 dB に寄生容量増加 1 時でさえ 20 fF MEMS の横に配置、オンチップ アンプ デザインを施行した fF フィルター6,8。
ネットワーク ・ アナライザーと対照をなして LDV は、固定固定梁の共鳴法測定に多くの利点を提供しています。まず、寄生容量がなくなるし、これにより、迅速な試作とはるかに小さいデバイス (高周波デバイス) の評価。また、レーザドップラ振動計ネットワーク アナライザーは最初のモードのみを特徴付ける高モード特性 (図 3) がご利用いただけます。これはバイオ センサー アプリケーション19など様々 な研究分野の多くの利点を提供します。
チューニング機能をチューニングする方法。
我々 の知る限り、この作業5で初めて実証されたチューニング チューニング機能。適用される 2 つの隣接する梁の間 DC バイアス電圧の増加による効果を軟化追加春総周波数可変範囲の 32% の増加を提供します。2 隣接するビーム間直流印加電圧の増加追加春からジュール加熱、軟化の上に軟化を追加しより広い周波数可変範囲でこの結果します。隣接する 2 つのビーム間の DC 電圧は 25 V から 35 V (図 4) に増加するとき、チューニング レンジは 875 khz 661 kHz から増加します。この機能は、周波数ホッピング、追跡、および再構成可能なレシーバーおよびトランシーバー回路などのアプリケーションで大きな需要があることです。
MEMS フィルター ポータブル バイオ センサー アプリケーション2,3,20の特に驚異的な注目を集めています。有限要素法を使用して、高次モード応答を検討します。初期の結果によると高次モードは多くのより良い感度 (最初のモードと比較して 46 回まで改善) を提供できる (図 6)、ポータブル バイオ センサー分野で高価で求められている特性。このため、ここで示した LDV 手法の取り込みは避けられない。高次モードでデバイスの共鳴を測定その機能により高いモードの検出 (図 5) の LDV 関与が必要になります。高次モードで高感度の可能性と共に、LDV のこの印象的な機能は、感度が高い最先端のバイオ センサーをもたらすかもしれない。
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Disclosures
何を開示する必要があります。
Acknowledgments
この作品は、米国陸軍研究所、アデルフィ、MD、米国、グラント W91ZLK-12-P-0447 下によって支えられました。ミハエル石とアンソニー ・ ブロックの助けを借りて共鳴測定を行った。ジョージ ・ ワシントン大学からデイモン コノバーの助けを借りて、サーマル カメラ計測を行った。
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
- Göktaş, H., Turner, K., Zaghloul, M. Enhancement in CMOS-MEMS Resonator for High Sensitive Temperature Sensing. IEEE Sensors J. 17 (3), 598-603 (2017).
- Davila, A. P., Jang, J., Gupta, A. K., Walter, T., Aronson, A., Bashir, R. Microresonator mass sensors for detection of Bacillus anthracis Sterne spores in air and water. Biosens. Bioelectron. 22 (12), 3028-3035 (2007).
- Lee, J., et al. Suspended microchannel resonators with piezoresistive sensors. Lab Chip. 11 (4), 645-651 (2011).
- Arash, H., Pourkamali, S. Fabrication and Characterization of MEMS-Based Resonant Organic Gas Sensors. IEEE Sensors J. 12 (6), 1958-1964 (2012).
- Göktaş, H., Zaghloul, M. Tuning In-Plane Fixed-Fixed Beam Resonators with Embedded Heater in CMOS Technology. IEEE Electron Device Lett. 36 (2), 189-191 (2015).
- Li, C. S., Hou, L. J., Li, S. S. Advanced CMOS-MEMS Resonator Platform. IEEE Electron Device Lett. 33 (2), 272-274 (2012).
- Li, M. H., Chen, W. C., Li, S. S. Mechanically Coupled CMOS-MEMS Free-Free Beam Resonator Arrays With Ehanced Power Handling Capability. IEEE Trans. Ultrason. Ferroelect. Freq. Control. 59 (3), 346-357 (2012).
- Lopez, J. L., et al. A CMOS-MEMS RF-Tunable Bandpass Filter Based on Two High-Q 22-MHz Polysilicon Clamped-Clamped Beam Resonators. IEEE Electron Device Lett. 30 (7), 718-720 (2009).
- Khine, L., Palaniapan, M. High-Q bulk-mode SOI square resonator with straight-beam anchors. J. Micromech. Microeng. 19 (1), (2009).
- Manca, N., et al. Programmable mechanical resonances in MEMS by localized joule heating of phase change materials. Adv. Mater. 25 (44), 6430-6435 (2013).
- Rúa, A., et al. Phase transition behavior in microcantilevers coated with M1-phase VO2 and M2-phase VO2:Cr thin films. J. Appl. Phys. 111 (10), 104502 (2012).
- Remtema, T., Lin, L. Active frequency tuning for micro resonators by localized thermal stressing effects. Sens. Actuators A, Phys. 91 (3), 326-332 (2001).
- Göktaş, H., Zaghloul, M. The Implementation of Low Power and Wide Tuning Range MEMS filters for Communication Applications. Radio Sci. 51 (10), 1636-1644 (2016).
- Göktaş, H., Zaghloul, M. The Novel Microhotplate: A Design Featuring Ultra High Temperature, Ultra Low Thermal Stress, Low Power Consumption and Small Response Time. Sensor Comm. , (2013).
- Kushmerick, J. G., et al. The influence of coating structure on micromachine stiction. Tribol Lett. 10 (1), (2001).
- Kim, J. M., et al. Continuous anti-stiction coatings using self-assembled monolayers for gold microstructures. J. Micromech. Microeng. 12 (5), 688-695 (2002).
- Bhattacharya, E., et al. Effect of porous silicon formation on stiction in surface micromachined MEMS structures. Phys. Stat. Sol. (A). 202 (8), 1482-1486 (2005).
- Koppaka, S. B., Phinney, L. M. Release Processing Effects on Laser Repair of Stiction-Failed Microcantilevers. J. Microelectromech. Syst. 14 (2), 410-418 (2005).
- Ghatkesar, M. K., et al. Higher modes of vibration increase mass sensitivity in nanomechanical microcantilevers. Nanotechnology. 18 (44), 445502 (2007).
- Göktaş, H., Mona, Z. High Sensitivity CMOS Portable Biosensor with Flexible Microfluidic Integration. IEEE SENSORS. , (2013).
