Waiting
Login processing...

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

Engineering

עיצוב, אפיון מתודולוגיה למסננים Tunable MEMS יעיל לטווח רחב

Published: February 4, 2018 doi: 10.3791/56371
Automatic Translation
1
1Department of Electrical and Electronic Engineering, Harran University

Summary

פרוטוקול עבור עיצוב קרן קבועה-קבוע באמצעות של לייזר דופלר ממדי רטט (LDV), כולל את המדידה של תדירות כוונון, שינוי של כוונון יכולת, והימנעות של כשל בהתקן, stiction, מוצג. העליונות של השיטה LDV מעל במנתח רשת הוא הפגין בשל היכולת למצב גבוה יותר.

Abstract

. הנה, נדגים את היתרונות לייזר דופלר ממדי רטט (LDV) טכניקות שגרתיות (מנתח רשת), כמו גם טכניקות כדי ליצור מסנן מערכות (MEMS) המבוססת על יישום microelectromechanical, וכיצד להשתמש בו ביעילות ( כלומר, כוונון של יכולת הכוונון והימנעות כשל וגם stiction). LDV מאפשר מדידות חיוני שאי אפשר. עם מנתח רשת, כגון זיהוי מצב גבוה יותר (יישום ביוסנסור רגישה מאוד) ומדידה תהודה להתקנים קטנים מאוד (שטנץ מהירה). בהתאם לכך, LDV שימש לאפיין את התדרים כוונון ותדר תהודה על מצבים שונים של המסננים MEMS שנבנה עבור מחקר זה. מנגנון כוונון של תדירות מגוון רחב זה מבוסס בפשטות על ג'ול חימום מחממי מוטבע, לחץ תרמית גבוהה יחסית הטמפרטורה של קרן קבועה-קבוע. עם זאת, נדגים כי הגבלה נוספת של שיטה זו הוא וכתוצאה מכך גבוהה תרמי הלחץ, והדבר עלול לצרוב את המכשירים. שיפור נוסף היה מושגת, מופיעה לראשונה במחקר זה, כגון יכולת כוונון הוגדל ב-32% דרך עלייה DC הסטייה מתח המופעל (25 V ל-35 V) בין שתי הקורות סמוכים. ממצא חשוב זה מבטל את הצורך ג'ול תוספת חימום-טווח הכוונון תדר רחב יותר. תקלה אפשרית אחרת היא דרך stiction ודרישת אופטימיזציה מבנה: אנו מציעים טכניקה פשוטה וקלה של יישום אות גל מרובע בתדר נמוך בהצלחה יכול להפריד בין הקורות, מבטלת את הצורך יותר שיטות מתוחכם ומורכב בהתחשב בספרות. הממצאים לעיל מחייבים מתודולוגיה לעיצוב, אז אנו מספקים עיצוב מבוסס-יישום.

Introduction

יש ביקוש גובר והולך למסננים MEMS עקב שלהם אמינות גבוהה, צריכת חשמל נמוכה, העיצוב הקומפקטי, גורם באיכות גבוהה ועלות נמוכה. הם נמצאים בשימוש נרחב חיישנים וכן חלקי הליבה בתקשורת אלחוטית. חיישני טמפרטורה1,2,ביו-חיישנים3, חיישנים גז4, מסננים5,6,7ומתנדים הם האזורים היישום הפופולרי ביותר. המסננים MEMS אלקטרוסטטית הפופולריים ביותר הם קרן קבועה-קבוע5,8, שלוחה2, קולן6,6,קרן חינם-חינם7, עיצוב flexural-דיסק7, ו עיצוב צורה מרובע9.

ישנם שלבים קריטיים רבים במימוש מסנן MEMS, כגון עיצוב מתודולוגיה (מבנה המבוסס על יישום אופטימיזציה, תדירות מגוון רחב טווח כוונון, והימנעות כשלים) ואפיון (שטנץ מהירה, הימנעות טפיליות capacitances, וצורות גילוי גבוה יותר). תדירות כוונון יכולת נדרש כדי לפצות על כל שינוי תדירות טולרנסים פבריקציה נוספת, או וריאציות טמפרטורת הסביבה. טכניקות שונות10,11,12 דווחו בספרות כדי לטפל דרישה זו; עם זאת, יש להם מספר חסרונות כגון תדירות מוגבל כוונון יכולת, בתדר נמוך מרכזי, הודעה נוספת הדרישות ותהליכי חימום חיצוני10,11.

במחקר זה אנו מציגים מגוון רחב תדירות כוונון על ידי ג'אול חימום בשיטה5,13 מעל תדר מוגבל כוונון טווח באמצעות מודול הנפח שינוי12 (עולה המתח DC הסטייה בין שתי הקורות סמוכים) ו- a חומר שלב המעבר שיטת10,11. יתר על כן, הבחירה האופטימלית מבנה, עיצוב מבוסס יישומים היו סיכם Göktaş, מצעי13. כאן, אנו מראים כיצד לכוון את התדירות תהודה של קרן קבועה-קבוע על ידי הגדלת מתח DC שהוחל החימום מוטבעים עם העזרה של LDV... ההדמיה ניתוח (FEM) סופיים מסונכרן עם מדידה LDV באותה מסגרת בשביל להמחיש את מנגנון כוונון. זה כולל את ג'ול חימום וכיפוף פרופיל לאורך הקורה.

אנו מציגים גם את הכשלים אפשרי (שרוף והתקנים stiction) ופתרונות מוצעים שלהם. ג'ול חימום השיטה בשילוב עם הלחץ תרמית גבוהה של קרן קבועה-קבוע מספק מגוון רחב תדירות כוונון, אך באותו זמן יכול לגרום התקני שרוף ברמה טמפרטורה מסוימת. זו מיוחסת הלחץ תרמית גבוהה בין חומרים שונים14. הפתרון הוא להגביר את המתח DC בין הקורות סמוכים שני, אשר בתורו מגביר את טווח הכוונון (ב-32%), והוא מבטל את הצורך בטמפרטורה גבוהה. שיטה זו "כוונון הכוונון-הטווח" היה קודם הפגינו Göktaş, מצעי5, הסביר בפירוט רב יותר Göktaş, מצעי13, והציג מחדש כאן. Stiction, מצד שני, יכול להתרחש במהלך פעולת תהליך או תהודה פבריקציה נוספת. היו טכניקות רבות הציע כדי לטפל בבעיה זו כגון החלת ציפוי פני השטח כדי להפחית אדהזיה אנרגיה15,16, חספוס פני השטח גובר17ולאחר תהליך תיקון18לייזר. לעומת זאת, אנו מציגים טכניקה פשוטה אות גל מרובע בתדר נמוך היה מוחל בין שתי הקורות המצורפת ואיפה ההפרדה הוקלט בהצלחה על ידי LDV. בשיטה זו ניתן לשלול תוספת עלות ולהפחית את המורכבות עיצוב.

עוד צעד קריטי בבניית המדינה של אמנות MEMS מסנן הוא איפיון ואימות. אפיון עם מנתח רשת היא אחת השיטות הפופולריות ביותר והשימוש בהם נפוץ; עם זאת, יש מספר חסרונות. קיבול טפיל קטן אפילו יכול להרוג את האות ולכן זה דורש בדרך כלל6,8 3,מעגל מגבר לחיסול רעש, זה יכול לזהות רק הראשונה במצב תהודה. מצד שני, אפיון עם LDV הינה בחינם מבעיה זו קיבוליות טפילי, ניתן לזהות הרבה תזוזה קטנה יותר. פעולה זו מאפשרת שטנץ מהירה, תוך ביטול הצורך מגבר עיצוב. יתר על כן, LDV יכול לזהות תהודה גבוה יותר מצב של MEMS מסננים. תכונה זו הוא רב מאוד, במיוחד בתחום ביולוגיים רגישה מאוד. מצב זיז גבוה יותר יכול לספק רגישות הרבה יותר19. המדידה מצב גבוה יותר של קרן קבועה-קבוע עם LDV שמוצג וחלים פמ סימולציה מדידה. התוצאות מוקדמת של הסימולציה פמ מציעים שיפור עד 46 פעמים ב רגישות לעומת מצב הראשונה של קרן קבועה-קבוע.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. בחירה ועיצוב מבנה של האופטימלית

  1. בחר את קרן קבועה-קבוע עבור כוונון תדירות מגוון רחב (לעומת מועמדים אחרים, זה מאפשר מגוון רחב כוונון כאשר הוא מחומם עקב שלה מקדם טמפרטורה גדול של תדר (TCF), הרחבה תרמי זניח קבוע).
  2. עיצוב קרן יותר אם המטרה היא כוונון שיפור יעילות. עיצוב קרן קצרה יותר אם המטרה היא תדירות מקפץ או אותות יישומי מעקב.

2. מידול פבריקציה משלימים תחמוצת מתכת מוליכים למחצה (CMOS)

  1. עיצוב וליצור דגם תלת-ממד עבור מסנן MEMS בתוכנית מבוססי FEM.
  2. לשחזר באותה הפריסה בכלי העיצוב מעגל משולב (IC), שכבה אחרי שכבה כדי ליצור את הקובץ gds.
  3. שלח קובץ זה gds לבית היציקה CMOS עבור ייצור (השתמשנו טכנולוגיית CMOS מיקרומטר 0.6).
  4. להמשיך עם עיבוד שלאחר סיום תהליך ה-CMOS (שים לב שיש האסימונים שכבות polysilicon, אלומיניום אוקסיד).
    1. התנהגות /O32 CHF יבש לחרוט תהליך דרך פלזמה inductively בשילוב (ICP) לחרוט המערכת. לחרוט את SiO2 בין שכבות אלומיניום ויוצרים את הקורות על יחס הגובה-רוחב של 5.7. במשך תהליך זה, השתמש בפרמטרים הבאים: CHF3 40 sccm, O2 -5 sccm, לחץ על 0.5 הרשות הפלסטינית, ICP כוח-500 W וכוח מדגם ב-100 W עם הסכום הכולל 56 דקות לחרוט זמן.
    2. להחיל את XeF2 לחרוט בתהליך המצע סיליקון כדי ליצור חלל עומק מיקרומטר 9 תחת הקורות. עבור תהליך זה, השתמש XeF2 תצריב המערכת עבור 3 מחזורים-3T, s 60/מחזור.
  5. לאפיין את ההתקנים עם מיקרוסקופ אלקטרונים סריקה (SEM) כדי להבטיח שהם מיוצרים כהלכה. בשלב זה, לשנות את קרן האצת מתח כדי 2.58 kV ואת המרחק לעבוד עד 9.5 מ"מ.

3. מכשיר בדיקה

הערה: התקן בדיקות מורכבות צעדים רבים כולל את ג'ול חימום מבחן, מבחן תגובת תדר.

  1. מצלמות תרמיות לבדיקת מחממי מוטבע
    1. מקם את המצלמה הטרמית על גבי השבב ובדוק את מחממי מוטבע כדי להבטיח שהם מחממים את הקורות.
    2. לחבר את ספק הכוח על החבילה שבב ולהחיל מתח DC על תנורים מוטבע 0 V 5.7 V במרווחים קטנים כדי להגדיל את הטמפרטורה בכל הקורות.
    3. להקליט את פרופיל הטמפרטורה לאורך כל החבילה שבב באמצעות מצלמה תרמית במהלך תהליך חימום. לשמור את התוצאות בתוכנית מחשוב מספריים, להתוות את הפרופיל חימום.
  2. . מכיילת את הכיוונון LDV ובדיקה
    1. הצב הלייזר על גבי הקורות ארוך 120 מיקרומטר.
    2. חיבור ספק הכוח בין הקורות ארוך 120 2 מיקרומטר להחלת הן 7 V DC מתח V AC 3 עבור הפעולה תהודה. להתחבר המתח הסטייה נוספים של DC מחממי מוטבעים עם מקסימום של 5.7 V להחיל ג'אול חימום הקורות במהלך פעולת תהודה.
    3. להעביר את הלייזר למקום אחר על הקורה להשיג השתקפות לייזר רעש נמוכה. ודא להגביר את עוצמת הפס הכחול כדי להקטין את הרעש.
    4. לחלק את המסך תצוגות מרובות כדי לכייל ולהתחיל את הכיוונון מדידה.
    5. עבור אל הגדרות רכישה, להגדיר את מצב המדידה FFT, לא להשתמש כלשהו המסנן, והגדר את רוחב הפס 2 מגה הרץ.
    6. לשנות את המהירות כך זה יכול לתמוך את התדר המרבי של 2.5 מגה-הרץ.
    7. השתמש waveform מעוצבנת תקופתיים.
      הערה: כאן, משרעת מסמלת מתח AC ואת היסט מסמלת מתח DC.
    8. להתחיל את המדידה עם תוכנית התקנה חדשה זו.
    9. עדכן את ההגדרות רכישה על-ידי שינוי המתח DC ל- 1 V.
    10. להפחית את המתח הסטייה יישומית בחלון הגדרות רכישה כאשר Ref1 מראה את האזעקה אדום (פירוש האות רועש).
    11. להעביר את הלייזר למקום אחר על הקורה להמשיך להגדיל את יחס אות לרעש. מדי פעם, ייתכן כתמים רע על הקורה הגורמת האזעקה אדום על הבר רטט; במקרה זה, להמשיך לחפש המקום הטוב ביותר.
  3. בדיקות 68 מיקרומטר ארוך MEMS מסננים דרך LDV
    1. בחר המסנן MEMS ארוך מיקרומטר 68 לבדיקה.
    2. החל 25 מתח V DC מתח V AC 5 ביחד בין הקורות זמן סמוכים 68 2 מיקרומטר. . כאן, מתח DC מספק כיפוף ומאפשר מתח AC הפעולה תהודה.
    3. חלות של מתח DC נוספים מחממי מוטבעים בקרן ארוכה 68 מיקרומטר, תגביר את המתח בין 0 V כדי 5.7 V במרווחים קטנים. זה יספק תדירות כוונון בהתבסס על ג'ול חימום.
    4. להתבונן להקליט את תדר תהודה ואת שלב התגובה ביחס המתח הסטייה יישומית בכל שלב, לסכם את התוצאות בטבלה. כאן, תדירות הכולל כוונון עבור הדוגמה הוא בסביבות 874 kHz המתח V DC 5.7 מוחל על החימום מוטבעים.
      הערה: סימולציות (מצד ימין) ומדידה אמיתי (בצד שמאליים) מסונכרנים.
  4. מדידה מצבי גבוה יותר
    1. לחץ על הכפתור A/D כדי לעבור חלון הגדרות רכישה הפגינו בסעיף 3.2, לשנות את המהירות כך יתמכו תדרים גבוהים מאוד.
    2. למדוד הראשון ולמצב השני עם השלב שלהם.
      הערה: העקירה תהודה הראשי בכיוון Y עבור מצב-1 וזה בכיוון Z (זה כלפי המיקרוסקופ) עבור מצב-2.

4. הימנעות כשל בהתקן

  1. גל מרובע בתדר נמוך אות ליישום לפתור את stiction
    1. החל אות גל מרובע 1 הרץ כדי לפתור את הבעיה stiction הנובעת טעינה אלקטרוסטטית בין שתי הקורות סמוכים.
    2. עבור תיבת היסט ולהגדיר את מתח DC ל- 1 V, תוך שמירה על מתח AC-1 V.
    3. ללכת אל תיבת תדירות ולהגדיר את התדירות 1 הרץ.
    4. להפעיל וליישם תוכנית התקנה חדשה זו על הקורות.
    5. להתבונן בהפרדה בין הקורות.
  2. עומס תרמי גבוה וצריבה
    1. דוגמה נוספת לשימוש במבחן הלחץ תרמי.
    2. . תגביר את המתח הסטייה שהוחלו על המזגן מוטבע במרווחים קטנים כדי למצוא את המתח המרבי המותר לפני ההתקן נכשל עקב עומס תרמי גבוה

5. להגביר את יכולת כוונון

  1. להחיל מתח V DC 25, 5 V AC מתח יחד בין הקורות סמוכים 68 2 מיקרומטר תוך הגדלת המתח הסטייה שהוחלו על המזגן מוטבע 0 V כדי 5.7 V, עבור משמרת 661 kHz בתדר הכולל.
  2. . תגביר את המתח הסטייה יישומית 25 V ל-35 V כדי להוסיף ל האביב נוספים מלחלח בין הקורות זמן סמוכים 68 2 מיקרומטר, תוך החלת מתח V AC 1 ולשמור את אותו סידור מתח הסטייה בתנור מוטבע
  3. להקליט השיפור 32% משמרת הכולל תדירות כמו זה צריך להגדיל מתוך 661 kHz ל kHz 875 בא באביב נוספים מלחלח ומרכך.
    הערה: לפי מיטב ידיעתנו, לשנות את יכולת כוונון כלי הנגינה MEMS הושגה לראשונה בעבודה זו.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Stiction היה נמנע על ידי החלת אות גל מרובע בתדר נמוך, זה אומתה באמצעות LDV (איור 1). כשל אפשרי עקב עומס תרמי גבוה14 בשעת החלת מתח DC הסטייה גבוהים יחסית על חימום מוטבע אומתה במיקרוסקופ (איור 2). התוכנית פמ שימש כדי להפיק את מצבי גבוה יותר עבור הקרן (איור 3). לשנות את יכולת כוונון (32% עלייה) על-ידי שינוי מתח הסטייה DC (25 V ל-35 V) בין הקורות סמוכים שני הודגם לראשונה זה עבודה5 בעזרת LDV (איור 4). היכולת של מדידת תגובות מצב גבוה יותר באמצעות LDV הודגם בהצלחה, התוצאות הושוו עם הסימולציה FEM. מצבth 5 נמדדה עם LDV על ידי מדידת נקודות מרובות על כל הקורה. הצורה מצב נמדד מתאימים עם הסימולציה פמ (איור 5). יתר על כן, עד 46 פי שיפור בתדר משמרת ביחס במצב הראשון הודגם על ידי ה – FEM כאשר מסה pg 1 היה מחובר למסנן MEMS. תוצאה זו מבטיחה לספק ביוסנסור הרבה יותר רגישים בשילוב עם מצב גבוה יותר לקרוא את היכולת של LDV (איור 6).

Figure 1
איור 1 : Stiction בין המסננים MEMS. Stiction התקיים ב- T = 55 s, עם הקורות ששוחרר ב T = 57 s לאחר החלת את האות גל מרובע בתדר נמוך. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 2
איור 2 : שריפת לאורך כל המסננים MEMS. () 200 מיקרומטר ארוך MEMS מסננים לפני החלת במתח DC מחממי מוטבע (b) 200 מיקרומטר ארוך MEMS המסננים לאחר החלת במתח DC מחממי מוטבע (c) 240 מיקרומטר ארוך MEMS המסננים לאחר החלת במתח DC מחממי מוטבעים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 3
איור 3 : מצב צורות. קרן-מצבי גבוה יותר (מצב-1 למצב-9) אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 4
איור 4 : כוונון יכולת כוונון. תגובת תדר כפונקציה של שונות שהוחלו המתחים הסטייה על מחממי מוטבע של 68 מיקרומטר ארוך MEMS מסנני () כאשר וולט Dc = 25 V ו- Vac = 5 V ו- (b) כאשר וולט Dc = 35 V ו- Vac = 1 נ' אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של figur הזה אי

Figure 5
איור 5 : מדידת מצב גבוה. () נמדד תגובת מצב גבוה עבור L = 152 מיקרומטר ארוך MEMS מסננים. (b) סימולציה פמ ה תוצאות עם הצורה באותו מצב. (ג) נמדד תגובות מצב גבוה יותר עבור L = 152 מיקרומטר ארוך MEMS מסננים בתדרים שונים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 6
איור 6 : מצבים שונים והופעות הצפוי שלהם. . משמרת () תדירות מנורמלת לגבי מצב הראשון עם מסה pg 1 מחובר למסנן MEMS מיקרומטר (b) השוואה בין מדידה סימולציה Coventor גבוהה יותר של תגובות מצב של 152 MEMS זמן לסנן. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

אחד השלבים הקריטיים בבניית MEMS מסננים הוא עיצוב המכשיר מבוסס על האזור יישום. הקרן צריך להיות ארוך יותר או דק יותר עבור כוונון יותר יעילות (עמודים לדקה/mW), אך קצר יותר או מדלל תדירות מקפץ או אות יישומי מעקב. באותו אופן, זיהוי האות ברור דרך LDV הינה קריטית במכשיר בדיקה ולכן עדיף לעצב את הקורה עם עובי מיקרומטר לפחות 3-4. אחרת האות יהיה רעש, אפילו עם 100 X עדשה, וזה לוקח מספר נקודות בדיקה עם חיסול רעש (מוטבע בתוכנת LDV) כדי להשיג זיהוי האופטימלי. עקב TCF גדול שלה, קרן קבועה-קבוע, בהשוואה מועמדים אחרים (זיז קולן, קרן חינם-חינם), מאפשר מגוון רחב תדירות כוונון כאשר הוא מחומם. במחקר זה השתמשנו את ג'ול חימום שיטה עם שכבות polysilicon כמו מחממי מוטבעים.

כיצד להימנע Stiction:

Stiction יכול להתרחש במהלך פעולת התהודה עקב טעינה אלקטרוסטטית. בשיטות רבות ומגוונות הוצגו בספרות, כגון עיצוב הקרן בקבוע נוקשות גבוהה, ציפוי המשטח עם אנטי-stiction כימיה והחלת מתח DC גבוה בכיוון ההפוך. לעומת זאת, לצורך פתרון בעיות, אנו מציגים כאן בעצי טכניקה חלופית, קל. על-ידי החלת אות גל מרובע בתדר נמוך (1 הרץ) מתח גבוה יחסית לזמן קצר (איור 1), הקורות יכול נפרדים אחד מהשני ולהמשיך להדהד. פתרון זה מאפשר עיצוב נמוכים ומסלקת את פתרונות מורכבים יותר כגון ציפוי אנטי-stiction.

כיצד ניתן למנוע כשל בהתקן:

צפיפות גבוהה יחסית הנוכחי זורם לאורך כל הקורות קבוע-קבוע עקב יישום מתח גבוה יכול לגרום כשל בהתקן (שבור או שרוף התקנים) (איור 2). זה הוא בעיקר בגלל חוסר התאמה של קבועי הרחבה תרמי של שכבות שונות ב קבוע-קבוע לשגר13,14. כדי למנוע כשל, המתח המרבי המותר עבור כל קרן קבועה-קבוע שונים צריך להיות למד, מוגדרים היטב, יחד עם התדר המרבי כוונון טווח. המקסימום המותר צריכת חשמל של מתח חשמלי משתנה קרן קרן ותלוי ב- ממדי המכשיר13. המתח המרבי המותר המוחל על חימום מוטבע עבור קרן ארוכה מיקרומטר 68 בעבודה זו הוא בין 6.3-7 V לפני כשל בהתקן.

אפיון יעיל:

אחד האתגרים הגדולים ביותר של השיטה מנתח רשת הוא לחסל טפילים capacitances. כלי העיצוב IC משמש כדי להתוות את התדירות ואת שלב התגובה של המעגל השקול של 120 מיקרומטר ארוך MEMS המסננים. הערך שיא אל שיא S21 בצורה דרסטית ירד מ 6 dB 0.34 dB גם כאשר קיבול טפיליות עלה מ 1 fF ל-20 fF, המחייב בעל עיצוב על שבב מגבר ממוקם ליד MEMS מסנני6,8.

בניגוד מנתח רשת, LDV מציע יתרונות רבים במדידה תהודה של הקורות קבוע-קבוע. קודם כל, שהוא מבטל את קיבול טפילי, דבר המאפשר שטנץ מהירה ואפיון התקן (התקנים בתדירות גבוהה) הרבה יותר קטן. יתר על כן, LDV מציעה אפיון מצב גבוה יותר (איור 3) מנתח רשת מוגבלת אפיון במצב הראשון בלבד. זה מספק יתרונות רבים בתחומים מחקר שונים כגון יישומים ביוסנסור19.

איך לכוון את יכולת הכוונון:

לפי מיטב ידיעתנו, כוונון של יכולת הכוונון הודגם לראשונה זה עבודה5. המעיין נוספים מלחלח מגידול DC הסטייה מתח המופעל בין הקורות סמוכים שני מספק עלייה 32% בשכיחות סך כוונון טווח. הגדלת מתח DC יישומית בין הקורות סמוכים שני מוסיף האביב נוספים ריכוך על ריכוך מ ג'ול חימום, התוצאה היא תדר רחב טווח כוונון. טווח הכוונון מגדילה מ- 661 kHz ל 875 kHz כאשר מתח DC בין הקורות הסמוכים שני מגבירה 25 V ל-35 V (איור 4). תכונה זו היא ביקוש גדול ביישומים כגון תדירות מקפץ, אות מעקב reconfigurable מעגלים מקלט, מקלט-משדר.

המסננים MEMS מציירים תשומת לב אדירה במיוחד עבור ביוסנסור ניידים יישומים2,3,20. ה – FEM משמש כדי לחקור את התגובות למצב גבוה יותר. על פי התוצאות המוקדמות, המצבים גבוה יותר יכול לספק הרבה רגישות יותר (עד 46 פעמים שיפור לעומת מצב הראשון) (איור 6), מאפיין מאוד יקר, המבוקש בשדה ביוסנסור נייד. מסיבה זו, ספיגת של הטכניקה LDV המובאת כאן נחשב בלתי נמנע. מדידת התהודה של מכשירים מצבי גבוה ידרוש מעורבות LDV בשל היכולת של זיהוי מצב גבוה יותר (איור 5). יכולת מרשימה זו של LDV, יחד עם האפשרות של רגישות גבוהה יותר על מצבי גבוהה יותר, עשוי להוביל ביולוגיים משוכללת עם רגישות גבוהה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

אין לנו לחשוף.

Acknowledgments

עבודה זו נתמכה על ידי המעבדה מחקר צבא ארה ב, Adelphi, MD, ארצות הברית, תחת גרנט W91ZLK-12-P-0447. המדידות תהודה נערכו עם העזרה של מיכאל אבן, אנתוני ברוק. המדידה מצלמות תרמיות נערך בעזרת דיימון Conover מאוניברסיטת וושינגטון ג'ורג '.

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).

Tags

הנדסה גיליון 132 Microelectromechanical מערכות (MEMS) מסננים משלימים תחמוצת מתכת מוליכים למחצה (CMOS)-MEMS microresonator כוונון תדר פעיל במגוון רחב גבוה-מצב תהודה ג'ול חימום stiction לייזר (דופלר ממדי רטט LDV)
עיצוב, אפיון מתודולוגיה למסננים Tunable MEMS יעיל לטווח רחב
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Goktas, H. Design and… 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