Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

Engineering

تصميم وتوصيف المنهجية لمرشحات ممس الانضباطي كفاءة واسعة النطاق

doi: 10.3791/56371 Published: February 4, 2018

Summary

ويرد على بروتوكول لتصميم شعاع ثابت ثابت باستخدام فيبروميتير دوبلر ليزر (لدف)، بما في ذلك قياس تردد ضبط، تعديل ضبط القدرة، وتجنب فشل الجهاز وستيكشن،. ويتجلى تفوق الأسلوب LDV عبر محلل الشبكة نظراً لقدرتها على وضع أعلى.

Abstract

هنا، علينا أن نبرهن مزايا فيبروميتير دوبلر الليزر (لدف) على التقنيات التقليدية (محلل الشبكة)، فضلا عن التقنيات اللازمة لإنشاء عامل تصفية الكهروميكانيكية القائم على تطبيق نظم (MEMS) وكيفية استخدامها (كفاءة أي، وضبط ضبط-القدرة على تجنب الفشل وستيكشن). LDV تمكن القياسات الحاسمة التي من المستحيل مع محلل شبكة اتصال، مثل الكشف عن وضع أعلى (biosensor حساسة للغاية تطبيق) وقياس الرنين لأجهزة صغيرة جداً (سرعة النماذج). وبناء على ذلك، استخدمت LDV لوصف نطاق ضبط تردد وتردد صدى في أوضاع مختلفة من المرشحات ممس بني لهذه الدراسة. هذه الآلية ضبط تردد واسعة النطاق يستند ببساطة جول تدفئة من سخانات المضمنة والإجهاد الحراري عالية نسبيا فيما يتعلق بدرجة حرارة شعاع ثابت ثابت. ومع ذلك، نحن تبين أن قيد آخر لهذا الأسلوب الإجهاد الحراري العالية الناتجة عن ذلك، التي يمكن حرق الأجهزة. تحقيق المزيد من التحسين وسيظهر للمرة الأولى في هذه الدراسة، بحيث أن القدرة على ضبط قد ازداد بنسبة 32% من خلال زيادة التطبيقية DC التحيز الجهد (25 الخامس إلى 35 الخامس) بين الدعامات المجاورة اثنين. هذا الاستنتاج الهام يلغي الحاجة إلى الجول إضافية تدفئة في أوسع نطاق ضبط التردد. فشل محتمل آخر من خلال ستيكشن ومتطلبات الهيكل الأمثل: نقترح تقنية بسيطة وسهلة التطبيق إشارة مربع موجه الترددات المنخفضة التي يمكن بنجاح فصل الحزم ويلغي الحاجة للمزيد أساليب متطورة ومعقدة في الأدب. النتائج المشار إليها أعلاه تتطلب منهجية تصميم، وحتى نوفر أيضا تصميم على أساس التطبيق.

Introduction

وهناك طلب متزايد على مرشحات ممس نظراً للموثوقية العالية، وانخفاض استهلاك الطاقة، تصميم مضغوط، عامل الجودة العالية، ومنخفضة التكلفة. أنها تستخدم على نطاق واسع كأجهزة الاستشعار والأجزاء الأساسية في مجال الاتصالات اللاسلكية. درجة الحرارة أجهزة الاستشعار1وأجهزة الاستشعار الحيوي2،3والغاز-أجهزة الاستشعار4، مرشحات5،،من67والتذبذب هي مجالات التطبيق الأكثر شعبية. مرشحات ممس الالكتروستاتيكي الأكثر شعبية هي شعاع ثابت ثابت5،8، ناتئ2، شوكة رنانة6، شعاع الحرة--الحرة6،7،7من تصميم العاطفة القرص، و تصميم مربع الشكل9.

هناك العديد من الخطوات الحاسمة في تحقيق عامل تصفية ممس، مثل منهجية تصميم (الهيكل القائم على التطبيق الأمثل، ونطاق التردد ضبط النطاق، وتجنب الفشل) ووصف (النماذج بسرعة، وتجنب الطفيلية كاباسيتانسيس، والكشف عن أوضاع أعلى). تردد ضبط القدرة مطلوب للتعويض عن أي تغييرات التردد بسبب تلفيق التحمل، أو تغيرات درجة الحرارة المحيطة. وأبلغ تقنيات مختلفة10،،من1112 في الأدب ولتلبية هذا المطلب؛ ومع ذلك، لديهم بعض العيوب مثل محدودية التردد ضبط القدرة، مركز منخفضة التردد، ومعالجة الاحتياجات وسخان خارجي10،11وظيفة إضافية.

في هذه الدراسة نقدم ضبط تردد واسعة النطاق خلال الجول تدفئة أسلوب5،13 على تردد محدودة ضبط النطاق عن طريق معامل مرونة تغيير12 (زيادة الجهد DC التحيز بين الدعامات المجاورة اثنين) مواد المرحلة الانتقالية الأسلوب10،11. وعلاوة على ذلك، أوجزت اختيار أفضل هيكل وتصميم على أساس التطبيق في Göktaş وزغلول13. هنا، نحن إظهار كيفية ضبط تردد صدى شعاع ثابت--الثابتة بزيادة الجهد DC المطبقة على سخان المضمنة مع المساعدة من لدف. تتم مزامنة المحاكاة (FEM) تحليل عنصر محدود بقياس لدف في نفس الإطار من أجل تصور إليه ضبط. ويشمل هذا الجول التدفئة والانحناء الشخصية في جميع أنحاء الشعاع.

ونقدم أيضا حالات الفشل المحتملة (أجهزة محترقة وستيكشن) والحلول المقترحة لها. الجول تدفئة الأسلوب في تركيبة مع الإجهاد الحراري عالية من شعاع ثابت ثابت يوفر ضبط تردد واسعة النطاق ولكن في الوقت نفسه يمكن أن ينتج أجهزة محترقة في درجة حرارة معينة. وهذا يعزى إلى الإجهاد الحراري عالية بين مختلف المواد14. الحل هو أن زيادة الجهد DC بين الحزم المتاخمة اثنين، الذي بدوره يزيد من نطاق الموالفة (بنسبة 32 في المائة)، ويلغي الحاجة لدرجة حرارة عالية. أولاً كان على هذا الأسلوب "ضبط نطاق ضبط" تظاهروا في Göktaş وزغلول5، أوضح بمزيد من التفصيل في Göktaş وزغلول13، وإعادة المقدمة هنا. ستيكشن، من ناحية أخرى، يمكن أن يحدث أثناء عملية تلفيق عملية أو الرنين. وهناك العديد من الأساليب المقترحة لمواجهة هذه المشكلة، مثل تطبيق طلاء السطح لتقليل التصاق الطاقة15،16وزيادة خشونة السطح17عملية إصلاح الليزر18. وفي المقابل، فإننا نقدم تقنية بسيطة حيث تم تطبيق إشارة مربع موجه تردد المنخفض بين اثنين من الحزمة المرفقة وتم بنجاح تسجيل الفصل قبل LDV. ويمكن القضاء على هذا الأسلوب تكلفة إضافية وتقليل تعقيد التصميم.

آخر خطوة ذات أهمية حاسمة في بناء عامل تصفية ممس الدولة من فن هو توصيف والتحقق. توصيف مع محلل شبكة اتصال واحد من الأساليب الأكثر شعبية وتستخدم على نطاق واسع؛ ومع ذلك، فإنه لديه بعض العيوب. السعة الطفيلية الصغيرة حتى يمكن أن تقتل الإشارة، وحيث أن هذا يتطلب عادة مكبر للصوت دائرة3،،من68 للقضاء على الضوضاء، ويمكن الكشف عن فقط الأولى وضع الرنين. من ناحية أخرى، وصف مع LDV خالية من هذه المسألة السعة الطفيلية، ويمكن الكشف عن الكثير من التشرد أصغر. وهذا يتيح النماذج بسرعة، مع التخلص من الحاجة إلى تصميم مكبر للصوت. وعلاوة على ذلك، يمكن اكتشاف LDV صدى وضع أعلى من مرشحات ممس. هذه الميزة واعدة جداً، لا سيما في مجال أجهزة الاستشعار الحساسة للغاية. يمكن أن توفر طريقة ناتئ أعلى أكثر حساسية19. قياس وضع أعلى من شعاع ثابت ثابت مع LDV ويرد وتطبيقها لقياس محاكاة فيم. توفر نتائج سابقة لأوانها من محاكاة فيم تحسن يصل إلى 46 مرات في حساسية مقارنة بوضع أول شعاع ثابت ثابت.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1-اختيار وتصميم بنية الأمثل

  1. حدد شعاع ثابت ثابت لضبط تردد واسعة النطاق (مقارنة بالمرشحين الآخرين، فإنه يمكن ضبط واسعة النطاق عند تسخين فإنه سبب لها معامل حرارة كبيرة من التردد (TCF) وثابت التمدد الحراري ضئيلة).
  2. تصميم شعاع أطول إذا كان الغرض هو ضبط تحسين الكفاءة. تصميم شعاع أقصر إذا كان الغرض هو تردد التنقل أو إشارة تتبع التطبيقات.

2-التصميم والتصنيع في التكميلية أكسيد معدني متمم (CMOS)

  1. تصميم وإنشاء 3D-نموذج لتصفية ممس في برنامج يستند إلى FEM.
  2. إعادة تخطيط نفس في أداة تصميم دوائر المتكاملة (IC)، طبقة بطبقة لإنشاء ملف gds.
  3. إرسال هذا الملف التوزيع العالمي مسبك المكمل لتصنيع (استخدمنا تكنولوجيا CMOS 0.6 ميكرومتر).
  4. تواصل مع مرحلة ما بعد المعالجة بمجرد اكتمال عملية CMOS (ملاحظة ضرورة أن الرقائق سليكون والألومنيوم وأكسيد الطبقات).
    1. سلوك جاف/O3فرنك سويسري2 أحفر العملية عبر الحث يقترن بلازما (ICP) أحفر النظام. أحفر SiO2 بين طبقات الألومنيوم وتشكيل الحزم في نسبة العرض إلى الارتفاع 5.7. لهذه العملية، استخدم المعلمات التالية: CHF3 40 sccm، س2 في 5 sccm، الضغط على 0.5 السلطة الفلسطينية، وبرنامج المقارنات الدولية قوة 500 واط، والسلطة عينة على 100 W الذي بلغ 56 دقيقة أحفر الوقت.
    2. تطبيق شيف2 أحفر العملية في الركيزة السيليكون لإنشاء 9 ميكرومتر عمق تجويف تحت الحزم. لهذه العملية، استخدم شيف2 النقش النظام لدورات 3 في 3T، 60 s/دورة.
  5. وتتميز أجهزة المسح الإلكتروني المجهري (SEM) التأكد من أنها هي ملفقة بشكل صحيح. بالنسبة لهذه الخطوة، تغيير شعاع تسريع الجهد إلى 2.58 كيلو فولت والمسافة العامل إلى 9.5 ملم.

3-جهاز اختبار

ملاحظة: اختبار الجهاز تتألف من العديد من الخطوات بما في ذلك الجول تدفئة استجابة التردد واختبار.

  1. اختبار الكاميرا الحرارية لسخانات مضمن
    1. ضع الكاميرا الحرارية على رأس الرقاقة واختبار سخانات المضمنة لضمان أنها الحرارة الحزم.
    2. توصيل التيار الكهربائي إلى مجموعة شرائح وتطبيق جهد DC في سخانات جزءا لا يتجزأ من 0 الخامس إلى 5.7 V تزايدات صغيرة زيادة درجة الحرارة في جميع أنحاء الحزم.
    3. سجل التشكيل الجانبي لدرجة الحرارة في جميع أنحاء مجموعة شرائح عن طريق كاميرا حرارية أثناء عملية التدفئة. حفظ النتائج في برنامج الحوسبة عددية وارسم الشخصية التدفئة.
  2. معايرة الإعداد لدف والاختبار
    1. وضع الليزر على رأس الحزم الطويل 120 ميكرومتر.
    2. قم بتوصيل التيار الكهربائي بين الحزم اثنين 120 ميكرومتر طويلة لتطبيق كل 7 V DC وجهد "التيار المتردد الخامس" 3 لتشغيل الرنين. قم بتوصيل إضافية العاصمة جهد تحيز سخانات مضمن بحد أقصى يبلغ 5.7 V لتطبيق جول تدفئة للحزم أثناء عملية الرنين.
    3. نقل الليزر إلى بقعة مختلفة عن شعاع للحصول على انعكاس ليزر منخفضة ضوضاء. تأكد من زيادة كثافة الشريط الأزرق لتقليل الضوضاء.
    4. تقسيم الشاشة إلى طرق عرض متعددة لمعايرة والبدء في إعداد القياس.
    5. الذهاب "الحصول على إعدادات" تعيين وضع القياس إلى الاتحاد الفرنسي للتنس، عدم استخدام أي عامل تصفية وتعيين عرض النطاق الترددي إلى 2 ميجا هرتز.
    6. تغيير السرعة بحيث أنها يمكن أن تدعم أقصى تردد 2.5 ميغاهرتز.
    7. استخدام الموجي غرد الدوري.
      ملاحظة: هنا، تقف السعة للجهد الكهربي المتردد وإزاحة لتقف على الجهد DC.
    8. بدء القياس مع هذا الإعداد الجديد.
    9. قم بتحديث "الإعدادات اقتناء" بتغيير الجهد DC إلى 1 V.
    10. إنقاص الجهد التحيز التطبيقية في نافذة "الإعدادات اقتناء" عندما يظهر Ref1 الإنذار الأحمر (وهذا يعني أن الإشارة صاخبة).
    11. نقل الليزر إلى بقعة مختلفة عن شعاع لزيادة نسبة الإشارة إلى الضوضاء. في بعض الأحيان، قد يكون هناك بقع سيئة على الحزم التي تسبب إنذار حمراء على شريط الاهتزاز؛ وفي هذه الحالة، يواصل البحث عن أفضل بقعة.
  3. اختبار 68 ميكرومتر طويلة ممس عوامل التصفية عن طريق LDV
    1. حدد 68 ميكرومتر طويلة ممس عامل التصفية للاختبار.
    2. تطبيق 25 V DC الجهد والجهد V AC 5 معا بين الحزم اثنين 68 ميكرومتر المجاورة لها منذ وقت طويل. هنا، ويوفر الجهد DC الانحناء وجهد التيار المتردد بتمكين عملية الرنين.
    3. تنطبق جهد DC إضافية سخانات المضمنة في شعاع طويل 68 ميكرومتر، وزيادة الجهد من 0 الخامس إلى 5.7 الخامس بزيادات صغيرة. سيوفر هذا التردد ضبط استناداً إلى الجول التدفئة.
    4. مراقبة وتسجيل تردد صدى واستجابة المرحلة فيما يتعلق بالجهد التحيز التطبيقية في كل خطوة وتلخيص النتائج في جدول. ضبط التردد الكلي لهذه العينة هو هنا، حوالي 874 كيلوهرتز عند تطبيق الجهد V DC 5.7 سخان المضمنة.
      ملاحظة: يتم مزامنتها المحاكاة (على الجانب الأيمن)، والقياس الحقيقي (على الجانب اليسار).
  4. أعلى طرق القياس
    1. تضغط على الزر A/D للذهاب إلى نافذة "الإعدادات اقتناء" أظهر في الفرع 3-2 وتغيير السرعة بحيث أنها يمكن أن تدعم ترددات عالية جداً.
    2. قياس الأولى ووضع الثانية مع تلك المرحلة.
      ملاحظة: تشريد الرنين الأساسية في اتجاه Y لوضع-1 وفي الاتجاه Z (أي نحو المجهر) لوضع--2.

4-تجنب فشل الجهاز

  1. تطبيق إشارة مربع موجه التردد المنخفض لحل ستيكشن
    1. تطبيق إشارة 1 هرتز مربع موجه لحل مشكلة ستيكشن التي تنتج من الشحن الكهربائي بين الدعامات المجاورة اثنين.
    2. الانتقال إلى المربع المقابل وتعيين الجهد DC إلى 1 V، مع الحفاظ على جهد التيار المتردد في 1 V.
    3. انتقل إلى مربع التردد والتردد إلى 1 هرتز.
    4. تفعيل وتطبيق هذا الإعداد الجديد في الحزم.
    5. احترام الفصل بين الحزم.
  2. عالية من الإجهاد الحراري وحرق
    1. استخدام نموذج إضافي لاختبار الإجهاد الحراري.
    2. زيادة الجهد التحيز المطبقة على سخان مضمن بزيادات صغيرة لإيجاد الجهد الحد الأقصى المسموح به قبل فشل الجهاز بسبب الإجهاد الحراري عالية.

5-تعزيز القدرة على ضبط

  1. تطبيق جهد V DC 25 وجهد التيار المتردد الخامس 5 معا بين عوارض ميكرومتر 68 اثنين المتاخمة مع زيادة الجهد التحيز المطبقة على سخان جزءا لا يتجزأ من 0 الخامس إلى 5.7 الخامس، لتحول تردد 661 kHz مجموع.
  2. زيادة الجهد التحيز التطبيقية من 25 الخامس إلى 35 الخامس إضافة ربيع إضافية تليين تأثير بين الحزم المجاورة منذ فترة طويلة هما 68 ميكرومتر، أثناء تطبيق جهد V AC 1 والاحتفاظ بنفس الإعداد الجهد التحيز في سخانات جزءا لا يتجزأ.
  3. سجل تحسين نسبة 32 في المائة في مجموع التردد العالي كما أنه ينبغي أن تزيد من 661 كيلو هرتز إلى 875 كيلو هرتز قادمة من هذا الربيع إضافية تليين تأثير.
    ملاحظة: على حد علمنا، تغيير القدرة على ضبط مرنانات ممس قد تحقق لأول مرة في هذا العمل.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

ستيكتيون تم تجنبها بتطبيق إشارة مربع موجه التردد المنخفض وتم التحقق من ذلك باستخدام لدف (الشكل 1). تم التحقق من احتمال فشل بسبب الإجهاد الحراري عالية14 عند تطبيق الجهد DC التحيز العالي نسبيا لسخانات مضمن تحت المجهر (الشكل 2). تم استخدام برنامج FEM لاستخلاص طرق أعلى للشعاع (الشكل 3). واتضح تغيير القدرة على ضبط (زيادة بنسبة 32 في المائة) عن طريق تغيير الجهد DC التحيز (25 الخامس إلى 35 الخامس) بين الدعامات المجاورة اثنين لأول مرة في هذا العمل5 مع مساعدة لدف (الشكل 4). القدرة على قياس أعلى وضع الردود عن طريق لدف تجلى بنجاح، وتم مقارنة النتائج مع محاكاة فيم. وتم قياس الوضعال 5 مع لدف بقياس نقاط متعددة على كل شعاع. وضع قياس الشكل متطابق تماما مع محاكاة فيم (الشكل 5). وعلاوة على ذلك، تصل إلى تحسين مرات 46 في التردد التحول فيما يتعلق بوضع الأول تجلى فيم عندما علقت كتلة pg 1 إلى عامل تصفية ممس. وستوفر هذه النتيجة المبشرة بالخير بيوسينسور أكثر حساسية عندما جنبا إلى جنب مع وضع أعلى قراءة قدرة لدف (الشكل 6).

Figure 1
الشكل 1 : ستيكشن بين المرشحات ممس. ستيكشن جرت في T = 55 ق، مع عوارض أن يطلق سراحه في T = 57 s بعد تطبيق إشارة مربع موجه التردد المنخفض. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 2
الشكل 2 : حرق طوال مرشحات ممس. () 200 ميكرومتر طويلة ممس مرشحات قبل تطبيق عالية الجهد DC لسخانات مضمن (ب) 200 ميكرومتر طويلة ممس عوامل التصفية بعد تطبيق عالية الجهد DC لسخانات مضمن (ج) 240 ميكرومتر طويلة ممس عوامل التصفية بعد تطبيق عالية الجهد DC لسخانات المضمنة. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 3
الشكل 3 : وضع الأشكال. شعاع في أوضاع أعلى (الوضع إلى وضع-9-1) الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 4
الشكل 4 : القدرة على ضبط ضبط. استجابة التردد كوظيفة من وظائف مختلفة تطبق الفولتية التحيز في سخانات جزءا لا يتجزأ من 68 ميكرومتر طويلة ممس عوامل التصفية () عندما Vdc = 25 الخامس وفولت من التيار المتردد = 5 الخامس، و (ب) عندما Vdc = 35 الخامس وبطالة = 1 ف من فضلك انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا figur هاء

Figure 5
الشكل 5 : قياس الوضع عالية. () قياس الوضع عالية الاستجابة للأم = 152 ميكرومتر طويلة ممس عوامل التصفية. (ب) محاكاة "فيم" النتائج مع وضع نفس الشكل. (ج) قياس ارتفاع وضع الردود للأم = 152 ميكرومتر طويلة مرشحات ممس ترددات مختلفة. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 6
الرقم 6 : طرق مختلفة وأدائهم المتوقع. () تواتر طبيعية التحول فيما يتعلق بالوضع الأول مع كتلة pg 1 المرفقة إلى عامل تصفية ممس. ميكرومتر (ب) مقارنة بين القياس والمحاكاة كوفينتور لأعلى وضع الردود 152 من تصفية ممس طويلة. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

إحدى الخطوات الحاسمة في بناء المرشحات ممس تصميم الجهاز استناداً إلى مجال التطبيق. الشعاع ينبغي أن تكون أطول أو أرق لضبط كفاءة (جزء في المليون/ميغاواط)، لكن أقصر أو أرق لتردد التنقل أو إشارة تتبع تطبيقات أفضل. بنفس الطريقة، الكشف عن إشارة واضحة عن طريق LDV الحاسمة في جهاز الاختبار الذي هو السبب في أنه من الأفضل لتصميم الشعاع مع سمك على الأقل 3-4 ميكرون. خلاف ذلك الإشارة سوف تكون صاخبة، حتى مع 100 × العدسة، وأنه يأخذ عدة نقاط اختبار مع القضاء على الضوضاء (مضمنة في برامج LDV) تحقيقا للكشف عن الأمثل. سبب لها تريليون قدم مكعب كبير، تمكن شعاع ثابت ثابت، مقارنة بالمرشحين الآخرين (ناتئ، شوكة رنانة، وشعاع الحرة--الحرة)، ضبط تردد واسعة النطاق عند فإنه يتم تسخينها. في هذه الدراسة استخدمنا الجول تدفئة الأسلوب مع طبقات سليكون سخانات المضمنة.

كيفية تجنب ستيكشن:

ستيكشن يمكن أن تحدث أثناء العملية صدى بسبب الشحن الكهربائي. كما قدمت العديد من الأساليب المختلفة في الأدب، مثل تصميم الشعاع مع ثابت صلابة عالية، وطلاء السطح مع الكيمياء ستيكشن المضادة، وتطبيق عالية الجهد DC في الاتجاه المعاكس. وفي المقابل، غرض استكشاف الأخطاء وإصلاحها، نقدم تقنية بديلة وسهلة هنا. عن طريق تطبيق إشارة مربع موجه تردد المنخفض (1 هرتز) جهد العالي نسبيا لفترة قصيرة (الرقم 1)، الحزم يمكن منفصلة عن بعضها البعض ولا تزال لها صدى. هذا الحل يمكن تصميم منخفضة التكلفة ويزيل الحلول الأكثر تعقيداً مثل الطلاء المضادة ستيكتيون.

كيفية تجنب حدوث عطل في الجهاز:

كثافة عالية نسبيا المتدفقة في جميع أنحاء عوارض ثابتة--الثابتة بسبب ارتفاع الجهد تطبيق الحالي يمكن أن يسبب فشل الجهاز (كسر أو حرق الأجهزة) (الشكل 2). هذا هو أساسا بسبب عدم تطابق في ثوابت التمدد الحراري من طبقات مختلفة في ثابتة--الثابتة شعاع13،14. لتجنب الفشل، ينبغي دراستها وتعريفها بدقة، جنبا إلى جنب مع الحد الأقصى لتردد ضبط نطاق الجهد الحد الأقصى المسموح به لكل شعاع ثابت ثابتة مختلفة. الحد الأقصى المسموح به استهلاك الطاقة والجهد يختلف من شعاع لشعاع ويعتمد على أبعاد الجهاز13. الجهد المسموح به الحد الأقصى المطبقة على سخانات المضمنة لشعاع طويل 68 ميكرومتر في هذا العمل ما بين 6.3-7 الخامس قبل فشل الجهاز.

خصائص الكفاءة:

واحدة من أكبر التحديات في أسلوب محلل الشبكة القضاء على كاباسيتانسيس الطفيلية. تستخدم الأداة تصميم IC الأرض بالتردد واستجابة المرحلة من حلبة مكافئ للمرشحات ممس طويلة 120 ميكرومتر. قيمة الذروة إلى الذروة S21 انخفاض حاد من 6 dB إلى 0.34 dB حتى عندما زادت السعة الطفيلية من 1 فرنك فرنسي إلى 20 فرنك فرنسي، مما يستلزم وجود تصميم مكبر للصوت على شريحة المتمركزة بجوار ممس تصفية6،8.

على النقيض من محلل الشبكة، LDV يوفر مزايا عديدة في قياس الرنين من الحزم ثابت ثابت. أولاً وقبل كل شيء، أنه يقضي على السعة الطفيلية، وهذا يتيح سرعة النماذج وتوصيف الجهاز (الأجهزة ذات تردد عال) أصغر بكثير. وعلاوة على ذلك، يقدم LDV أعلى وضع توصيف (الشكل 3) بينما محلل الشبكة يقتصر على وصف الوضع الأولى فقط. وهذا يوفر العديد من المزايا في المجالات البحثية المختلفة مثل تطبيقات بيوسينسور19.

كيفية ضبط ضبط-القدرة على:

على حد علمنا، تجلى ضبط ضبط-القدرة لأول مرة في هذا العمل5. ربيع إضافية تليين تأثير بسبب زيادة في الجهد التحيز DC التطبيقية بين الدعامات المجاورة اثنين يوفر زيادة 32% في مجموع تكرار ضبط النطاق. زيادة الجهد DC المطبق بين الدعامات المجاورة اثنين يضيف ربيع إضافية تليين على رأس تليين من الجول التدفئة، وهذا يؤدي إلى ضبط نطاق تردد أوسع. نطاق الموالفة يزيد من 661 كيلو هرتز إلى 875 كيلو هرتز عند زيادة الجهد DC بين الدعامات المجاورة اثنين من 25 الخامس إلى 35 الخامس (الشكل 4). تعتبر هذه الميزة في الطلب الكبير في تطبيقات مثل تردد التنقل وإشارة تتبع وإعادة التشكيل دوائر الاستقبال والإرسال والاستقبال.

تم رسم المرشحات ممس اهتماما هائلا لا سيما بالنسبة بيوسينسور المحمولة تطبيقات2،3،20. فيم تستخدم لدراسة الردود وضع أعلى. ووفقا للنتائج الأولية، يمكن أن توفر وسائط أعلى كثير حساسية أفضل (46 مرات تصل إلى تحسن مقارنة بوضع أول) (الشكل 6)، سمة من سمات عالية القيمة ورواجا في ميدان بيوسينسور المحمولة. ولهذا السبب، يعتبر الإقبال على تقنية LDV المعروضة هنا لا مفر منه. قياس صدى للأجهزة في أوضاع أعلى سيتطلب مشاركة LDV نظراً لقدرتها على الكشف عن وضع أعلى (الشكل 5). قد يؤدي هذا قدرة مثيرة للإعجاب من لدف، إلى جانب إمكانية حساسية أعلى في أوضاع أعلى، إلى أحدث أجهزة استشعار العوامل البيولوجية مع حساسية عالية.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

ليس لدينا شيء الكشف عنها.

Acknowledgments

وأيد هذا العمل "مختبر أبحاث الجيش الأمريكي"، اديلفي، ماريلاند، الولايات المتحدة الأمريكية، تحت W91ZLK المنحة-12-P-0447. وقد أجريت قياسات الرنين بمساعدة مايكل ستون وأنطوني بروك. وأجرى قياس الكاميرا الحرارية بمساعدة Conover ديمون من جامعة جورج واشنطن.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Göktaş, H., Turner, K., Zaghloul, M. Enhancement in CMOS-MEMS Resonator for High Sensitive Temperature Sensing. IEEE Sensors J. 17, (3), 598-603 (2017).
  2. 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).
  3. Lee, J., et al. Suspended microchannel resonators with piezoresistive sensors. Lab Chip. 11, (4), 645-651 (2011).
  4. Arash, H., Pourkamali, S. Fabrication and Characterization of MEMS-Based Resonant Organic Gas Sensors. IEEE Sensors J. 12, (6), 1958-1964 (2012).
  5. 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).
  6. Li, C. S., Hou, L. J., Li, S. S. Advanced CMOS-MEMS Resonator Platform. IEEE Electron Device Lett. 33, (2), 272-274 (2012).
  7. 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).
  8. 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).
  9. Khine, L., Palaniapan, M. High-Q bulk-mode SOI square resonator with straight-beam anchors. J. Micromech. Microeng. 19, (1), (2009).
  10. Manca, N., et al. Programmable mechanical resonances in MEMS by localized joule heating of phase change materials. Adv. Mater. 25, (44), 6430-6435 (2013).
  11. 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).
  12. Remtema, T., Lin, L. Active frequency tuning for micro resonators by localized thermal stressing effects. Sens. Actuators A, Phys. 91, (3), 326-332 (2001).
  13. 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).
  14. 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).
  15. Kushmerick, J. G., et al. The influence of coating structure on micromachine stiction. Tribol Lett. 10, (1), (2001).
  16. Kim, J. M., et al. Continuous anti-stiction coatings using self-assembled monolayers for gold microstructures. J. Micromech. Microeng. 12, (5), 688-695 (2002).
  17. 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).
  18. Koppaka, S. B., Phinney, L. M. Release Processing Effects on Laser Repair of Stiction-Failed Microcantilevers. J. Microelectromech. Syst. 14, (2), 410-418 (2005).
  19. Ghatkesar, M. K., et al. Higher modes of vibration increase mass sensitivity in nanomechanical microcantilevers. Nanotechnology. 18, (44), 445502 (2007).
  20. Göktaş, H., Mona, Z. High Sensitivity CMOS Portable Biosensor with Flexible Microfluidic Integration. IEEE SENSORS. (2013).
تصميم وتوصيف المنهجية لمرشحات ممس الانضباطي كفاءة واسعة النطاق
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Goktas, H. Design and Characterization Methodology for Efficient Wide Range Tunable MEMS Filters. J. Vis. Exp. (132), e56371, doi:10.3791/56371 (2018).More

Goktas, H. Design and Characterization Methodology for Efficient Wide Range Tunable MEMS Filters. J. Vis. Exp. (132), e56371, doi:10.3791/56371 (2018).

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