Summary
Um protocolo para um projeto de feixe fixo-fixo usando um vibrômetro laser Doppler (LDV), incluindo a medição da frequência de sintonia, modificação do ajuste de capacidade e evitar a falha do dispositivo e stiction, é apresentado. A superioridade do método sobre o analisador de rede LDV é demonstrada devido à sua capacidade de modo mais elevada.
Abstract
Aqui, podemos demonstrar as vantagens do vibrômetro Doppler laser (LDV) sobre técnicas convencionais (o analisador de rede), bem como as técnicas para criar um filtro de sistemas (MEMS) Microeletromecânicos baseada em aplicativo e como usá-lo de forma eficiente ( ou seja, ajuste a capacidade de ajuste e evitando falha tanto stiction). LDV permite medições cruciais que são impossíveis com o analisador de rede, tais como detecção de modo mais elevada (aplicativo de biosensor altamente sensível) e medição de ressonância para dispositivos muito pequenos (prototipagem rápida). Por conseguinte, LDV foi usado para caracterizar a faixa de ajuste de frequência e a frequência de ressonância em modos diferentes de filtros de MEMS, construídos para este estudo. Este mecanismo de ajuste de frequência ampla gama se baseia simplesmente Joule aquecimento dos aquecedores incorporados e relativamente alto estresse térmico em relação a temperatura de um feixe de fixo-fixo. No entanto, demonstramos que outra limitação desse método é o resultante alto estresse térmico, que pode queimar os dispositivos. Melhoria adicional foi alcançada e mostrada pela primeira vez neste estudo, tal que a capacidade de ajuste foi aumentada em 32% através de um aumento em DC viés tensão aplicada (V de 25 a 35 V) entre os dois feixes adjacentes. Esta constatação importante elimina a necessidade para o aquecimento na faixa ajuste de frequência mais ampla de Joule extra. Outra possível falha é através do stiction e exigência de otimização da estrutura: propomos uma técnica simples e fácil de aplicação de sinal de onda quadrada de baixa frequência que com êxito pode separar as vigas e elimina a necessidade de mais métodos sofisticados e complicados, dados na literatura. As conclusões acima expostas exigem uma metodologia de projeto, e então nós igualmente fornecemos um design baseado em aplicativo.
Introduction
Há uma demanda crescente por filtros de MEMS, devido a sua alta confiabilidade, baixo consumo de energia, design compacto, fator de alta qualidade e baixo custo. São amplamente utilizados como sensores e como peças do núcleo de comunicação sem fio. Sensores de temperatura1, bio-sensores2,3, sensores de gás4, filtros5,6,7e osciladores são as áreas de aplicação mais populares. Os filtros mais populares de MEMS eletrostáticos são fixos feixe5,8, modilhão2, diapasão6, feixe-livre6,7, projeto flexural disco7, e forma quadrada projeto9.
Há muitas etapas críticas para a realização de um filtro de MEMS, como metodologia de projeto (otimização de estrutura baseada em aplicativo, frequência ampla gama, ajuste de alcance e evitando falhas) e caracterização (prototipagem rápida, evitando parasitárias Interelectrode e detectando os modos mais elevados). Capacidade de ajuste de frequência é necessário para compensar as alterações de frequência devido a tolerâncias de fabricação, ou variações na temperatura. Diferentes técnicas de11,10,12 , têm sido relatados na literatura para abordar este requisito; no entanto, eles têm algumas desvantagens, tais como frequência limitada, ajuste de capacidade, frequência baixa central, pós-processamento adicional de requisitos e aquecedor externo10,11.
Neste estudo apresentamos a escala larga frequência afinação pelo Joule aquecimento método5,13 uma frequência limitada afinação intervalo através de um módulo de elasticidade de mudança12 (aumentando a tensão de polarização DC entre dois feixes adjacentes) e um material fase transição método10,11. Além disso, a seleção ideal de estrutura e o design baseado no aplicativo foram resumidas em Göktaş e Zaghloul13. Aqui, nós mostramos como sintonizar a frequência de ressonância de um feixe de fixo-fixo, aumentando a tensão de C.C. aplicada ao aquecedor incorporado com a ajuda do LDV. A simulação de elementos finitos (FEM) de análise é sincronizada com a medição de Leonardo da Vinci no mesmo quadro por uma questão de visualizar o mecanismo de ajuste. Isso inclui o Joule, aquecimento e perfil em todo o raio de dobra.
Apresentamos também as possíveis falhas (dispositivos queimados e stiction) e suas soluções propostas. O método em combinação com o alto estresse térmico do feixe fixos de aquecimento Joule fornece ampla gama de ajuste de frequência, mas ao mesmo tempo pode resultar em dispositivos queimados em um determinado nível de temperatura. Isto é atribuído ao alto estresse térmico entre diferentes materiais14. A solução é aumentar a tensão DC entre os dois feixes adjacentes, que por sua vez aumenta a gama de ajuste (32%) e elimina a necessidade de alta temperatura. Este método de "ajuste a faixa de ajuste de" primeiro foi demonstrado em Göktaş e Zaghloul5, explicado em mais detalhes em Göktaş e Zaghloul13e re-apresentado aqui. Stiction, por outro lado, pode ocorrer durante a operação de processo ou ressonância de fabricação. Há muitas técnicas propostas para resolver este problema, como a aplicação de revestimento de superfície para reduzir a adesão energia15,16, aumento de rugosidade da superfície de17e a de processo de reparação do laser18. Em contrapartida, apresentamos uma técnica simples onde aplicou-se um sinal de onda quadrada de baixa frequência entre dois feixes anexados e a separação foi gravada com sucesso por LDV. Esse método pode eliminar extra custo e reduzir a complexidade do projeto.
Outro passo crítico na construção de um filtro de MEMS do estado da arte é a caracterização e verificação. Caracterização com um analisador de rede é um dos métodos mais populares e amplamente utilizados; no entanto, tem alguns inconvenientes. Mesmo pequenas capacitância parasita pode matar o sinal e por isso geralmente requer um amplificador circuito3,6,8 para eliminação de ruído, e ele só pode detectar a primeira ressonância de modo. Por outro lado, caracterização com LDV isento desta questão de capacitância parasitária e pode detectar muito menor deslocamento. Isso permite que a prototipagem rápida, eliminando a necessidade de projeto do amplificador. Além disso, o LDV pode detectar maior ressonância modo de filtros de MEMS. Esta característica é muito promissor, especialmente no campo de biosensores altamente sensíveis. Um modo de consola superior pode fornecer muito mais sensibilidade19. A medição de modo mais elevada de um feixe de fixo-fixo com LDV é indicada e aplicada à medição de simulação FEM. Os prematuros resultados de simulação FEM oferecem até 46 vezes melhoria na sensibilidade em relação ao primeiro modo do feixe fixo-fixo.
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Protocol
1. selecionar e projetar uma estrutura ideal
- Selecione o feixe fixo-fixo para ampla gama de ajuste de frequência (em comparação com outros candidatos, permite ampla gama de ajuste quando é aquecido devido a seu coeficiente de temperatura de frequência (TCF) e constante expansão térmica insignificante).
- Projete um feixe mais tempo se o objectivo é ajuste de melhoria de eficiência. Projete um feixe mais curto se a finalidade é lupulagem de frequência ou aplicações de controle de sinal.
2. modelagem e fabricação de semicondutor de óxido metálico complementar (CMOS)
- Design e criar o modelo 3D para o filtro de MEMS em um programa baseado em FEM.
- Reconstrua o mesmo layout em uma ferramenta de projeto de circuito integrado (IC), camada por camada, para criar o arquivo de gds.
- Envie este arquivo de gds para a fundição CMOS para fabricação (nós usamos tecnologia de 0,6 µm CMOS).
- Continue com pós-processamento é concluída o processo CMOS (nota que os chips devem ter camadas de polissilício e óxido de alumínio).
- Conduta de CHF3/O2 secar etch processo através de um plasma indutivamente acoplado (ICP) sistema etch. Condicionar o SiO2 entre camadas de alumínio e formam as vigas para a relação de aspecto de 5,7. Para este processo, use os seguintes parâmetros: CHF3 40 sccm, O2 em 5 sccm, pressão em 0,5 Pa, poder ICP em 500 W e o poder de amostra em 100 W, com o total de 56 min etch tempo.
- Aplicar o XeF2 etch processo ao substrato de silício para criar uma cavidade de profundidade 9 µm sob as vigas. Para este processo, use o XeF2 gravura sistema de 3 ciclos no 3T, para 60 s/ciclo.
- Caracteriza os dispositivos com um microscópio eletrônico de varredura (SEM) para garantir que eles são fabricados corretamente. Para esta etapa, alterar o feixe de tensão para aceleração de 2,58 kV e a distância de trabalho de 9,5 mm.
3. dispositivo de teste
Nota: Dispositivo de teste consistem em várias etapas, incluindo o aquecimento de teste e teste de resposta de frequência de Joule.
-
Teste de câmera térmica para aquecedores incorporados
- Posicione a câmera térmica em cima do chip e teste os aquecedores incorporados para assegurar que aquecem as vigas.
- Ligar a alimentação para o pacote de microplaqueta e aplicar uma tensão contínua sobre os aquecedores incorporados de 0 V para 5.7 V em pequenos incrementos para elevar a temperatura ao longo de vigas.
- Registro do perfil de temperatura em todo o pacote de chip através de uma câmera térmica durante o processo de aquecimento. Salvar os resultados em um programa de computação numérico e traçar o perfil de aquecimento.
-
Calibrando o LDV e teste de configuração
- Posicione o laser na parte superior os 120 µm feixes de longo.
- Ligar a alimentação entre os feixes longos dois 120 µm para aplicar tanto 7 V DC e 3 tensão V AC para a operação de ressonância. Conecte uma tensão de polarização DC adicional para os aquecedores incorporados com um máximo de 5.7 V aplicar Joule para as vigas de aquecimento durante a operação de ressonância.
- Mova o laser para um local diferente na trave para obter uma reflexão do laser de baixo ruído. Certifique-se de aumentar a intensidade da barra azul para diminuir o ruído.
- Divida a tela em vários modos de exibição para calibrar e iniciar a instalação de medição.
- Vá para configurações de aquisição, definir o modo de medição para FFT, não usar qualquer filtro e definir a largura de banda de 2 MHz.
- Altere a velocidade para que ele pode suportar uma frequência máxima de 2,5 MHz.
- Use a forma de onda periódica Piu.
Nota: Aqui, a Amplitude representa a tensão AC e deslocamento representa tensão DC. - Inicie a medição com esta nova configuração.
- Atualize as configurações de aquisição, alterando a tensão DC para 1 V.
- Diminua a tensão de polarização aplicada na janela configurações de aquisição quando o Ref1 mostra o alarme vermelho (isso significa que o sinal é barulhento).
- Mova o laser para um local diferente na trave para aumentar ainda mais a relação sinal-ruído. Ocasionalmente, pode haver manchas ruins na trave que faz com que o alarme vermelho na barra de vibração; Neste caso, continue a procurar o melhor lugar.
-
Teste 68 µm longo MEMS filtros através de LDV
- Selecione o filtro de MEMS longo 68 µm para testes.
- Aplica 25 V DC e 5 V AC tensão juntos entre os feixes de tempo adjacentes dois 68 µm. Aqui, a tensão DC fornece a dobra e a tensão AC permite a operação de ressonância.
- Aplicar uma tensão DC adicional para os aquecedores embutidos colocados no feixe longo de 68 µm e aumentar a tensão de 0 V a 5.7 V em pequenos incrementos. Isto irá fornecer a frequência sintonia baseia o Joule aquecimento.
- Observar e registrar a frequência de ressonância e resposta de fase em relação a tensão de polarização aplicada em cada etapa e resumir os resultados em uma tabela. Aqui, o ajuste de frequência total para esta amostra é cerca de 874 kHz quando a 5.7 tensão VCC é aplicada ao aquecedor incorporado.
Nota: Simulações (no lado direito) e a medida real (no lado de esquerdas) são sincronizados.
-
Medição de modos mais elevada
- Aperte o botão A/D para ir para a janela de configurações de aquisição demonstrada na seção 3.2 e alterar a velocidade para que ele pode suportar muito altas frequências.
- Medir o primeiro e o segundo modo com sua fase.
Nota: O deslocamento de ressonância principal é na direção de Y para o modo-1 e é na direção Z (ou seja, em direção ao microscópio) para modo-2.
4. evitar a falha do dispositivo
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Aplicação de sinal de onda quadrada de baixa frequência para resolver stiction
- Aplica um sinal de onda quadrada de 1 Hz para resolver o problema do stiction que resulta da carga eletrostática entre os dois feixes adjacentes.
- Vá para a caixa de deslocamento e definir a tensão de DC a 1 V, mantendo a tensão AC em 1 V.
- Vá para a caixa de frequência e ajustar a frequência de 1 Hz.
- Ativar e aplicar esta nova configuração sobre as vigas.
- Observe a separação dos feixes.
-
Alto estresse térmico e queima
- Use uma amostra extra para o teste de estresse térmico.
- Aumente a tensão de polarização aplicada no aquecedor incorporado por pequenos incrementos para encontrar a máxima tensão permissível antes que o dispositivo falha devido ao alto estresse térmico.
5. aumentar a capacidade de ajuste
- Aplica uma tensão VCC 25 e 5 V AC tensão juntos entre os feixes adjacentes dois 68 µm enquanto aumentando a tensão de polarização aplicada sobre o aquecedor incorporado de 0 V 5.7 V, para uma total mudança de frequência de kHz 661.
- Aumente a tensão de polarização aplicada de 25 V para 35 V para adicionar uma mola adicional amaciamento de efeito entre os feixes de tempo adjacentes dois 68 µm, enquanto aplicando uma 1 V AC tensão e mantendo a mesma configuração de tensão de polarização sobre os aquecedores incorporados.
- Grave a 32% de melhoria no deslocamento de frequência total como isso deve aumentar de 661 kHz a 875 kHz proveniente desta primavera adicional efeito de amaciamento.
Nota: O melhor de nosso conhecimento, alterando a capacidade de ajuste de ressonadores o MEMS foi alcançado pela primeira vez neste trabalho.
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Representative Results
Stiction foi evitada aplicando o sinal de onda quadrada de baixa frequência e isto foi verificado usando LDV (Figura 1). Possível falha devido ao alto estresse térmico14 ao aplicar relativamente maior tensão de polarização DC para os aquecedores incorporados foi verificada sob microscópio (Figura 2). O programa FEM foi usado para derivar os modos mais elevados para o feixe (Figura 3). Alterando a capacidade de ajuste (32% de aumento), alterando a tensão de polarização DC (25 V-35 V) entre os dois feixes adjacentes foi demonstrado pela primeira vez neste trabalho5 com a ajuda do LDV (Figura 4). A capacidade de medir as respostas de modo mais elevadas através da LDV foi demonstrada com sucesso e os resultados foram comparados com a simulação FEM. O modo de 5th foi medido com o LDV medindo-se vários pontos em cada feixe. A forma de medida de modo perfeitamente com a simulação FEM (Figura 5). Além disso, até 46 vezes melhoria na frequência mudança em relação ao primeiro modo foi demonstrada pelo FEM quando uma massa de pg 1 foi anexada ao filtro de MEMS. Este resultado promissor forneceria um biossensor mais sensível quando combinado com o modo de maior capacidade do LDV (Figura 6) de leitura.
Figura 1 : Stiction entre os filtros de MEMS. Stiction teve lugar em T = 55 s, com os raios liberados em T = 57 s depois de aplicar o sinal de onda quadrada de baixa frequência. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2 : Queima durante todo os filtros de MEMS. (um) 200 µm longo MEMS filtros antes de aplicar a alta voltagem DC para os aquecedores incorporados (b) 200 µm longo MEMS filtros depois de aplicar a alta voltagem DC para os aquecedores incorporados (c) 240 µm longo MEMS filtros depois de aplicar a alta tensão DC para os aquecedores incorporados. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3 : Formas de modo. Feixe em modos mais elevados (Mode-1 para modo-9) clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 4 : Ajuste a capacidade de sintonia. Resposta de frequência em função das diferentes aplicadas tensões de polarização sobre os aquecedores incorporados dos 68 µm longo MEMS filtros (um) quando VCC = 25 V e Vac = 5 V e (b) quando VCC = 35 V e Vac = 1 V. , por favor clique aqui para ver uma versão maior deste figur e.
Figura 5 : Medição de modo alto. (um) a medida modalidade elevada resposta para L = 152 µm longos filtros de MEMS. (b) simulação FEM os resultados com a mesma forma de modo. (c) a medida respostas de modo maiores para L = 152 µm longo MEMS filtros em frequências diferentes. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 6 : Modos diferentes e os seus desempenhos esperados. (um) a frequência normalizada mudança em relação ao primeiro modo com 1 massa de pg ligado ao filtro MEMS. (b) comparação entre medição e simulação de Coventor para respostas de modo mais elevadas de 152 µm MEMS longos do filtro. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
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Discussion
Um dos passos essenciais na construção de filtros de MEMS é projetar o dispositivo com base na área de aplicação. O feixe deve ser mais longo ou mais fino para melhor ajuste de eficiência (ppm/mW), mas mais curto ou mais fino para lupulagem de frequência ou aplicações de controle de sinal. Da mesma forma, a detecção de sinal claro através de Leonardo da Vinci é crítica no dispositivo de teste e é por isso que é melhor projetar o feixe pelo menos 3-4 µm de espessura. Caso contrário, o sinal vai ser barulhento, mesmo com um 100 X lente e isso leva a vários pontos de teste com eliminação de ruído (incorporada no software LDV) para alcançar melhor deteção. Devido à sua grande TCF, o feixe fixo-fixo, em comparação com outros candidatos (cantilever, diapasão e feixe-livre), permite ampla gama de frequência sintonia quando é aquecida. Neste estudo, nós usamos o método com camadas de polissilício como os aquecedores incorporados de aquecimento Joule.
Como evitar Stiction:
Stiction pode ocorrer durante a operação de ressonância devido a carga eletrostática. Muitos métodos diferentes foram apresentados na literatura, como projetar o feixe com constante de alta rigidez, revestimento da superfície com anti-stiction química e aplicação de alta tensão DC na direção inversa. Em contraste, para fins de solução de problemas, nós apresentamos uma técnica alternativa, fácil aqui. Aplicando um sinal de onda quadrada de baixa frequência (1 Hz) relativamente alta tensão por um curto período de tempo (,Figura 1), os feixes podem separar uns dos outros e continuar a ressoar. Esta solução permite que um projeto de baixo custo e elimina as soluções mais complexas, como revestimento anti-stiction.
Como evitar a falha do dispositivo:
Relativamente alta densidade de corrente fluindo em todo os feixes fixos devido à aplicação de tensão mais elevada pode causar a falha do dispositivo (quebrado ou queimado dispositivos) (Figura 2). Isto é principalmente devido à incompatibilidade em constantes de expansão térmica de diferentes camadas no fixo-fixo de feixe13,14. Para evitar o fracasso, a tensão máxima admissível para cada uma das varas fixos diferente deve ser estudada e definida cuidadosamente, juntamente com a frequência máxima ajuste de gama. O máximo permitido tensão e consumo de energia varia de um feixe de feixe e varia de acordo com o dispositivo dimensões13. A máxima tensão permissível aplicado para os aquecedores incorporados para o feixe de longa 68 µm neste trabalho é entre 6,3-7 V antes da falha do dispositivo.
Caracterização eficiente:
Um dos maiores desafios do método de analisador de rede é eliminar parasitas Interelectrode. A ferramenta de projeto de IC é usada para traçar a frequência e a resposta de fase do circuito equivalente para os 120 µm longos filtros de MEMS. O valor de pico a pico S21 diminuiu drasticamente de 6 dB para 0,34 dB mesmo quando a capacitância parasítica aumentou de 1 fF de 20 fF, necessitando de um projeto do amplificador de em-microplaqueta posicionado junto as MEMS filtra6,8.
Em contraste com o analisador de rede, LDV oferece muitas vantagens em medição de ressonância dos feixes fixos. Primeiro de tudo, elimina a capacitância parasita e isto permite rápida prototipagem e caracterização de dispositivo (dispositivos de alta frequência) muito menor. Além disso, o LDV oferece caracterização de modo mais elevada (Figura 3), enquanto o analisador de rede é limitado para caracterizar o primeiro modo apenas. Isso oferece muitas vantagens em áreas de investigação diferentes como biosensor aplicações19.
Como ajustar a capacidade de ajuste:
O melhor de nosso conhecimento, ajuste a capacidade de ajuste foi demonstrado pela primeira vez neste trabalho5. A mola adicional amolecimento efeito devido a um aumento na tensão DC aplicada polarização entre os dois feixes adjacentes fornece um aumento de 32% na frequência total ajuste de gama. Aumentando a tensão DC aplicada entre os dois feixes adjacentes adiciona adicional Primavera amolecimento em cima o amaciamento do aquecimento Joule, e isso resulta em uma frequência mais ampla gama de ajuste. Faixa de ajuste aumenta kHz 661-875 kHz quando a tensão DC entre os dois feixes adjacentes aumenta 25 V-35 V (Figura 4). Este recurso está na grande demanda em aplicações tais como a frequência-hopping, sinal de controle e circuitos reconfiguráveis de receptor e transmissor.
Os filtros de MEMS têm sido desenho tremenda atenção especialmente para aplicações de biosensor portátil2,3,20. A FEM é usada para estudar as respostas de modo mais elevadas. De acordo com os resultados iniciais, os modos mais elevados podem fornecer sensibilidade muito melhor (até 46 vezes melhoria em relação ao primeiro modo) (Figura 6), uma característica altamente valiosa e muito procurada no campo biosensor portátil. Por este motivo, a absorção da técnica LDV aqui apresentada é considerada inevitável. A ressonância de dispositivos em modos mais elevados de medição irá exigir envolvimento LDV devido à sua capacidade de detecção de modo mais elevado (Figura 5). Essa impressionante capacidade do LDV, juntamente com a possibilidade de maior sensibilidade em modos mais elevados, pode levar a estado da arte biosensores com alta sensibilidade.
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Disclosures
Nós não temos nada para divulgar.
Acknowledgments
Este trabalho foi apoiado pelo laboratório de pesquisa do exército dos EUA, Adelphi, MD, EUA, sob Grant W91ZLK-12-P-0447. As medições de ressonância foram realizadas com a ajuda de Michael Stone e Anthony Brock. A medição da câmera térmica foi realizada com a ajuda de Damon Conover da Universidade 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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