Summary
एक निश्चित-फिक्स्ड बीम डिजाइन एक लेज़र डॉपलर vibrometer (LDV), आवृत्ति ट्यूनिंग की माप, ट्यूनिंग क्षमता के संशोधन, और डिवाइस विफलता और stiction के परिहार सहित, का उपयोग कर के लिए एक प्रोटोकॉल प्रस्तुत किया है । नेटवर्क विश्लेषक पर LDV विधि की श्रेष्ठता अपने उच्च मोड क्षमता के कारण प्रदर्शित किया जाता है ।
Abstract
यहाँ, हम पारंपरिक तकनीक (नेटवर्क विश्लेषक) पर लेजर डॉपलर vibrometer (LDV) के लाभ का प्रदर्शन, साथ ही तकनीक एक आवेदन आधारित microelectromechanical सिस्टम (एमईएमएस) फिल्टर बनाने के लिए और यह कैसे कुशलता से उपयोग करने के लिए ( अर्थात्, ट्यूनिंग की क्षमता ट्यूनिंग और दोनों विफलता और stiction से परहेज) । LDV ऐसे उच्च मोड का पता लगाने के रूप में नेटवर्क विश्लेषक, के साथ असंभव है कि महत्वपूर्ण माप सक्षम बनाता है (अति संवेदनशील उच्च संवेदी आवेदन) और बहुत छोटे उपकरणों के लिए अनुनाद माप (फास्ट प्रोटोटाइप). तदनुसार, LDV इस अध्ययन के लिए बनाया एमईएमएस फिल्टर के विभिन्न मोड पर आवृत्ति ट्यूनिंग रेंज और अनुनाद आवृत्ति विशेषताएं करने के लिए इस्तेमाल किया गया था । इस विस्तृत रेंज आवृत्ति ट्यूनिंग तंत्र बस जूल हीटिंग पर एम्बेडेड हीटर और अपेक्षाकृत उच्च थर्मल तनाव से एक निश्चित-निश्चित बीम के तापमान के संबंध में आधारित है । हालांकि, हम यह है कि इस विधि की एक और सीमा के परिणामस्वरूप उच्च थर्मल तनाव है, जो उपकरणों को जला कर सकते है प्रदर्शित करता है । आगे सुधार प्राप्त किया और इस अध्ययन में पहली बार के लिए दिखाया गया था, इस तरह कि ट्यूनिंग की क्षमता ३२% द्वारा लागू डीसी पूर्वाग्रह वोल्टेज में वृद्धि के माध्यम से वृद्धि हुई थी (25 वी करने के लिए ३५ v) दो आसंन मुस्कराते हुए के बीच । यह महत्वपूर्ण खोज व्यापक आवृत्ति ट्यूनिंग रेंज में अतिरिक्त जूल हीटिंग के लिए की आवश्यकता समाप्त । एक और संभव विफलता stiction और संरचना अनुकूलन की आवश्यकता के माध्यम से है: हम कम आवृत्ति वर्ग तरंग संकेत आवेदन है कि सफलतापूर्वक बीम अलग कर सकते हैं और अधिक के लिए की आवश्यकता समाप्त की एक सरल और आसान तकनीक का प्रस्ताव साहित्य में दी गई परिष्कृत और जटिल विधियाँ. इसके बाद के संस्करण निष्कर्षों जरूरत एक डिजाइन पद्धति है, और इसलिए हम भी एक आवेदन आधारित डिजाइन प्रदान करते हैं ।
Introduction
वहां एमईएमएस उनके उच्च विश्वसनीयता, कम बिजली की खपत, कॉंपैक्ट डिजाइन, उच्च गुणवत्ता कारक है, और कम लागत के कारण फिल्टर के लिए मांग बढ़ रही है । वे व्यापक रूप से सेंसर के रूप में और वायरलेस संचार में मुख्य भागों के रूप में इस्तेमाल कर रहे हैं । तापमान सेंसरों1, जैव सेंसरों2,3, गैस सेंसर4,5,6,7, और oscillators के सबसे लोकप्रिय आवेदन क्षेत्रों रहे हैं । सबसे लोकप्रिय इलेक्ट्रोस्टैटिक एमईएमएस फिल्टर तय कर रहे हैं-फिक्स्ड बीम5,8, ब्रैकट2, ट्यूनिंग कांटा6, मुक्त-मुक्त बीम6,7, वंक-डिस्क डिजाइन7, और स्क्वायर आकार डिजाइन9।
एक एमईएमएस फिल्टर को साकार करने में कई महत्वपूर्ण कदम हैं, जैसे डिजाइन पद्धति (आवेदन आधारित संरचना अनुकूलन, विस्तृत रेंज आवृत्ति ट्यूनिंग रेंज, और विफलताओं से बचने) और लक्षण वर्णन (तेजी से प्रोटोटाइप, परजीवी से परहेज capacitances, और उच्च मोड का पता लगाने) । आवृत्ति ट्यूनिंग क्षमता निर्माण सहिष्णुता, या परिवेश तापमान विविधताओं के कारण किसी भी आवृत्ति परिवर्तन के लिए क्षतिपूर्ति करने के लिए आवश्यक है । अलग तकनीक10,11,12 इस आवश्यकता को संबोधित करने के लिए साहित्य में सूचित किया गया है; हालांकि, वे सीमित आवृत्ति ट्यूनिंग क्षमता, कम केंद्र आवृत्ति, अतिरिक्त पोस्ट प्रोसेसिंग आवश्यकताओं, और बाहरी हीटर10,11के रूप में कुछ कमियां है ।
इस अध्ययन में हम जूल हीटिंग विधि5,13 से एक सीमित आवृत्ति ट्यूनिंग सीमा से अधिक एक लोचदार मापांक परिवर्तन12 (दो आसंन मुस्कराते हुए के बीच डीसी पूर्वाग्रह वोल्टेज में वृद्धि) द्वारा ट्यूनिंग विस्तृत रेंज आवृत्ति वर्तमान और एक सामग्री चरण संक्रमण विधि10,11. इसके अलावा, इष्टतम संरचना चयन और आवेदन आधारित डिजाइन Göktaş और Zaghloul13में संक्षेप थे । यहां, हम कैसे LDV की मदद से एंबेडेड हीटर के लिए आवेदन डीसी वोल्टेज में वृद्धि से एक निश्चित-फिक्स्ड बीम की प्रतिध्वनि आवृत्ति धुन करने के लिए दिखाते हैं । परिमित तत्व विश्लेषण (फेम) सिमुलेशन ट्यूनिंग तंत्र visualizing के लिए एक ही फ्रेम में LDV माप के साथ सिंक्रनाइज़ है । यह बीम भर में जूल हीटिंग और झुकने प्रोफ़ाइल शामिल हैं ।
हम भी संभव विफलताओं (जला उपकरणों और stiction) और उनके प्रस्तावित समाधान मौजूद है । निश्चित-फिक्स्ड बीम के उच्च थर्मल तनाव के साथ संयोजन में जूल हीटिंग विधि विस्तृत रेंज आवृत्ति ट्यूनिंग प्रदान करता है, लेकिन एक ही समय में एक निश्चित तापमान स्तर पर जला उपकरणों में परिणाम कर सकते हैं । यह विभिंन सामग्रियों के बीच उच्च थर्मल तनाव के लिए जिंमेदार ठहराया है14। समाधान के लिए दो आसंन मुस्कराते हुए, जो बारी में ट्यूनिंग रेंज बढ़ जाती है के बीच डीसी वोल्टेज बढ़ाने के लिए है (३२%), और उच्च तापमान की आवश्यकता को समाप्त । यह "ट्यूनिंग-सीमा" विधि पहले Göktaş और Zaghloul5में प्रदर्शित किया गया था, और अधिक विस्तार में Göktaş और Zaghloul13में समझाया, और फिर से यहां प्रस्तुत किया । Stiction, दूसरी ओर, निर्माण प्रक्रिया या अनुनाद आपरेशन के दौरान जगह ले जा सकते हैं । इस तरह के सतह कोटिंग लगाने के लिए आसंजन ऊर्जा को कम करने के रूप में इस समस्या को हल करने के लिए कई तकनीक का प्रस्ताव किया गया है15,16, बढ़ती सतह असहजता17, और लेजर की मरंमत की प्रक्रिया18। इसके विपरीत, हम एक सरल तकनीक जहां एक कम आवृत्ति वर्ग तरंग संकेत दो संलग्न मुस्कराते हुए के बीच लागू किया गया था वर्तमान और जुदाई सफलतापूर्वक LDV द्वारा दर्ज की गई थी । इस विधि अतिरिक्त लागत को खत्म करने और डिजाइन जटिलता को कम कर सकते हैं ।
कला एमईएमएस फिल्टर के एक राज्य के निर्माण में एक और महत्वपूर्ण कदम लक्षण वर्णन और सत्यापन है । एक नेटवर्क विश्लेषक के साथ लक्षण वर्णन सबसे लोकप्रिय और व्यापक रूप से इस्तेमाल किया तरीकों में से एक है; हालांकि इसमें कुछ कमियां हैं । यहां तक कि छोटे परजीवी समाई संकेत मार सकते हैं और इसलिए यह आमतौर पर एक एम्पलीफायर सर्किट की आवश्यकता है3,6,8 शोर उन्मूलन के लिए, और यह केवल पहली विधा प्रतिध्वनि का पता लगा सकते हैं. दूसरी ओर, LDV के साथ लक्षण वर्णन इस परजीवी समाई मुद्दे से मुक्त है, और बहुत छोटे विस्थापन का पता लगा सकते हैं । यह तेजी से प्रोटोटाइप सक्षम बनाता है, जबकि एम्पलीफायर डिजाइन के लिए की जरूरत को नष्ट करने. इसके अलावा, LDV एमईएमएस फिल्टर के उच्च मोड प्रतिध्वनि का पता लगा सकते हैं । यह सुविधा बहुत आशाजनक है, विशेष रूप से अति संवेदनशील संवेदी के क्षेत्र में । एक उच्च ब्रैकट मोड बहुत अधिक संवेदनशीलता19प्रदान कर सकते हैं । LDV के साथ एक निश्चित-फिक्स्ड बीम के उच्च मोड माप दिखाया और फेम सिमुलेशन माप के लिए लागू किया जाता है । फेम सिमुलेशन से समय से पहले परिणाम निश्चित-निश्चित बीम की पहली विधा की तुलना में संवेदनशीलता में ४६ गुना सुधार की पेशकश करते हैं ।
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Protocol
1. चयन और एक इष्टतम संरचना डिजाइनिंग
- वाइड रेंज आवृत्ति ट्यूनिंग के लिए फिक्स्ड-फिक्स्ड बीम का चयन करें (अन्य उंमीदवारों की तुलना में, यह एक विस्तृत रेंज ट्यूनिंग जब यह अपने बड़े तापमान आवृत्ति (एफ) और नगण्य थर्मल विस्तार स्थिरांक के गुणांक के कारण गर्म है सक्षम बनाता है) ।
- एक लंबी बीम डिजाइन यदि उद्देश्य ट्यूनिंग दक्षता सुधार है । एक छोटी बीम डिजाइन यदि उद्देश्य hopping आवृत्ति या संकेत ट्रैकिंग अनुप्रयोगों है ।
2. पूरक धातु में मॉडलिंग और निर्माण-ऑक्साइड अर्धचालक (CMOS)
- डिजाइन और एक फेम आधारित कार्यक्रम में एमईएमएस फिल्टर के लिए 3 डी मॉडल बनाने के लिए ।
- एक एकीकृत परिपथ (आईसी) डिजाइन उपकरण में एक ही लेआउट, परत से परत gds फ़ाइल बनाने के लिए पुनर्निर्माण ।
- निर्माण के लिए cmos फाउंड्री के लिए इस gds फ़ाइल सबमिट करें (हम cmos ०.६ µm प्रौद्योगिकी का इस्तेमाल किया) ।
- बाद प्रसंस्करण के साथ जारी रखें एक बार CMOS प्रक्रिया पूरा हो गया है (ध्यान दें कि चिप्स polysilicon, एल्यूमीनियम, और ऑक्साइड परतों होना चाहिए) ।
- एक inductively युग्मित प्लाज्मा (आईसीपी) खोदना प्रणाली के माध्यम से CHF3/O2 सूखी खोदना प्रक्रिया आचरण । एल्यूमीनियम परतों के बीच सिइओ2 खोदना और ५.७ के पहलू अनुपात में मुस्कराते हुए फार्म । इस प्रक्रिया के लिए, निंन पैरामीटर का उपयोग करें: CHF3 पर ४० sccm, ओ2 पर 5 sccm, ०.५ Pa पर दबाव, ५०० w पर आईसीपी पावर, और ५६ मिनट कुल खोदना समय के साथ १०० w पर नमूना शक्ति ।
- लागू सिलिकॉन सब्सट्रेट में XeF2 खोदना प्रक्रिया बीम के तहत एक 9 µm गहराई गुहा बनाने के लिए । इस प्रक्रिया के लिए, 3T में 3 चक्र के लिए XeF2 नक़्क़ाशी प्रणाली का उपयोग करें, के लिए ६० s/
- एक स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप (SEM) के साथ उपकरणों की विशेषताएं सुनिश्चित करने के लिए वे ठीक से गढ़े हैं । इस चरण के लिए, बीम में तेजी लाने के लिए वोल्टेज में परिवर्तन २.५८ केवी और काम करने की दूरी ९.५ mm ।
3. डिवाइस परीक्षण
नोट: डिवाइस परीक्षण जूल हीटिंग परीक्षण और आवृत्ति प्रतिक्रिया परीक्षण सहित कई चरणों से मिलकर बनता है ।
-
एम्बेडेड हीटर के लिए थर्मल कैमरा परीक्षण
- चिप के शीर्ष पर थर्मल कैमरा स्थिति और वे मुस्कराते हुए गर्मी सुनिश्चित करने के लिए एम्बेडेड हीटर का परीक्षण ।
- चिप पैकेज के लिए बिजली की आपूर्ति कनेक्ट और 0 v से एंबेडेड हीटर पर एक डीसी वोल्टेज लागू छोटे वेतन वृद्धि में ५.७ वी करने के लिए मुस्कराते हुए भर में तापमान में वृद्धि ।
- हीटिंग प्रक्रिया के दौरान एक थर्मल कैमरा के माध्यम से चिप पैकेज भर में तापमान प्रोफ़ाइल रिकॉर्ड । एक संख्यात्मक कंप्यूटिंग कार्यक्रम में परिणाम सहेजें और हीटिंग प्रोफ़ाइल प्लॉट ।
-
LDV और परीक्षण सेटअप जांचना
- १२० µm लंबे मुस्कराते हुए के शीर्ष पर लेजर स्थिति ।
- २ १२० µm के बीच बिजली की आपूर्ति कनेक्ट दोनों 7 वी डीसी और प्रतिध्वनि आपरेशन के लिए 3 वी एसी वोल्टेज लागू करने के लिए लंबे मुस्कराते हुए । ५.७ वी की एक अधिकतम के साथ एम्बेडेड हीटर के लिए एक अतिरिक्त डीसी पूर्वाग्रह वोल्टेज कनेक्ट करने के लिए अनुनाद आपरेशन के दौरान बीम जूल हीटिंग लागू होते हैं ।
- एक कम शोर लेजर प्रतिबिंब पाने के लिए बीम पर एक अलग जगह के लिए लेजर हटो । शोर कम करने के लिए नीले रंग की पट्टी की तीव्रता बढ़ाने के लिए सुनिश्चित करें.
- माप सेटअप जांचने और प्रारंभ करने के लिए स्क्रीन को एकाधिक दृश्यों में विभाजित करें ।
- प्राप्ति सेटिंग्स पर जाएँ, माप मोड FFT करने के लिए सेट करें, किसी भी फ़िल्टर का उपयोग न करें, और बैंडविड्थ 2 मेगाहर्ट्ज सेट करें ।
- वेग बदलें इतना है कि यह २.५ मेगाहर्ट्ज की एक अधिकतम आवृत्ति का समर्थन कर सकते हैं.
- आवधिक कलरव तरंग का उपयोग करें ।
नोट: यहां, आयाम एसी वोल्टेज के लिए खड़ा है और ऑफसेट डीसी वोल्टेज के लिए खड़ा है । - इस नए सेटअप के साथ माप प्रारंभ करें ।
- अद्यतन करने के लिए DC वोल्टेज बदलकर अधिग्रहण सेटिंग्स 1 V.
- Ref1 लाल अलार्म दिखाता है जब अधिग्रहण सेटिंग्स विंडो में लागू पूर्वाग्रह वोल्टेज घटाएं (इसका मतलब है कि संकेत शोर है) ।
- आगे संकेत करने के लिए शोर अनुपात में वृद्धि करने के लिए बीम पर एक अलग स्थान पर लेजर ले जाएँ. कभी कभार, कंपन पट्टी पर लाल अलार्म का कारण बनता है कि बीम पर बुरा धब्बे हो सकता है; इस मामले में, सबसे अच्छा स्थान के लिए खोज करने के लिए जारी रखें ।
-
परीक्षण ६८ µm लंबे एमईएमएस फ़िल्टर via LDV
- परीक्षण के लिए ६८ µm लंबे एमईएमएस फ़िल्टर का चयन करें ।
- लागू 25 वी डीसी वोल्टेज और 5 वी एसी वोल्टेज के बीच एक साथ २ ६८ µm लंबे समय से सटे मुस्कराते हुए । यहां, डीसी वोल्टेज झुकने प्रदान करता है और एसी वोल्टेज अनुनाद आपरेशन सक्षम बनाता है ।
- ६८ µm लंबी बीम में रखा एम्बेडेड हीटर के लिए एक अतिरिक्त डीसी वोल्टेज लागू करें, और वोल्टेज में वृद्धि 0 वी से ५.७ वी छोटे वेतन वृद्धि में. यह जूल हीटिंग पर आधारित आवृत्ति ट्यूनिंग प्रदान करेगा ।
- निरीक्षण और प्रत्येक चरण में लागू पूर्वाग्रह वोल्टेज के संबंध में प्रतिध्वनि आवृत्ति और चरण प्रतिक्रिया रिकॉर्ड और एक तालिका में परिणाम संक्षेप । यहाँ, इस नमूने के लिए ट्यूनिंग कुल आवृत्ति के आसपास है ८७४ kHz जब ५.७ वी डीसी वोल्टेज एम्बेडेड हीटर के लिए लागू किया जाता है.
नोट: सिमुलेशन (दाईं ओर) और वास्तविक माप (बाईं ओर) सिंक्रनाइज़ कर रहे हैं.
-
उच्चतर मोड माप
- ३.२ धारा में प्रदर्शन किया और इतना है कि यह बहुत उच्च आवृत्तियों का समर्थन कर सकते हैं वेग को बदलने के अधिग्रहण सेटिंग्स खिड़की पर जाने के लिए एक/
- पहले और उनके चरण के साथ दूसरे मोड को मापने ।
नोट: प्राथमिक प्रतिध्वनि विस्थापन मोड-1 के लिए Y दिशा में है और यह (है कि माइक्रोस्कोप की ओर है) मोड-2 के लिए जेड दिशा में है ।
4. डिवाइस विफलता से बचना
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stiction को हल करने के लिए कम आवृत्ति वर्ग तरंग संकेत आवेदन
- दो आसंन मुस्कराते हुए के बीच चार्ज इलेक्ट्रोस्टैटिक से परिणाम है कि stiction समस्या को हल करने के लिए एक 1 हर्ट्ज वर्ग तरंग संकेत लागू करें ।
- ऑफ़सेट बॉक्स में जाएं और 1 v पर AC वोल्टेज को रखते हुए, DC वोल्टेज को १ v पर सेट करें.
- आवृत्ति बॉक्स के लिए जाओ और 1 हर्ट्ज के लिए आवृत्ति सेट.
- सक्रिय और बीम पर इस नए सेटअप लागू होते हैं ।
- मुस्कराते हुए जुदाई का निरीक्षण ।
-
उच्च थर्मल तनाव और जलन
- थर्मल तनाव परीक्षण के लिए एक अतिरिक्त नमूना का उपयोग करें ।
- उच्च थर्मल तनाव के कारण डिवाइस विफल रहता है इससे पहले कि अधिकतम स्वीकार्य वोल्टेज खोजने के लिए छोटे वेतन वृद्धि द्वारा एम्बेडेड हीटर पर लागू पूर्वाग्रह वोल्टेज बढ़ाएँ ।
5. ट्यूनिंग क्षमता बढ़ाने
- एक कुल ६६१ kHz आवृत्ति बदलाव के लिए 0 वी से ५.७ वी के लिए एम्बेडेड हीटर पर लागू पूर्वाग्रह वोल्टेज में वृद्धि करते हुए एक 25 वी डीसी वोल्टेज और 5 वी एसी वोल्टेज एक साथ २ ६८ µm आसंन बीम के बीच लागू होते हैं ।
- लागू पूर्वाग्रह वोल्टेज से 25 v ३५ v को बढ़ाने के लिए २ ६८ µm लंबे समय से सटे मुस्कराते हुए के बीच एक अतिरिक्त वसंत नरम प्रभाव जोड़ने के लिए, जबकि एक 1 वी एसी वोल्टेज लागू करने और एक ही पूर्वाग्रह वोल्टेज सेटअप रखने एंबेडेड हीटर पर ।
- रिकॉर्ड कुल आवृत्ति बदलाव में ३२% सुधार के रूप में यह ६६१ khz से ८७५ khz करने के लिए इस अतिरिक्त वसंत नरम प्रभाव से आ रहा से वृद्धि करनी चाहिए.
नोट: हमारे ज्ञान का सबसे अच्छा करने के लिए, एमईएमएस प्रतिध्वनित की ट्यूनिंग की क्षमता को बदलने इस काम में पहली बार हासिल किया गया था ।
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Representative Results
Stiction कम आवृत्ति वर्ग तरंग संकेत लागू करने से बचा लिया गया था और इस LDV का उपयोग करके सत्यापित किया गया था (चित्रा 1). संभव उच्च थर्मल तनाव के कारण विफलता14 जब एंबेडेड हीटर के लिए अपेक्षाकृत उच्च पूर्वाग्रह डीसी वोल्टेज आवेदन माइक्रोस्कोप के तहत सत्यापित किया गया था (चित्रा 2) । फेम कार्यक्रम बीम (चित्रा 3) के लिए उच्च मोड प्राप्त करने के लिए इस्तेमाल किया गया था । ट्यूनिंग की क्षमता (३२% वृद्धि) बदलने से डीसी पूर्वाग्रह वोल्टेज (25 वी से ३५ v) के बीच दो आसंन मुस्कराते हुए इस काम में पहली बार के लिए5 LDV (चित्रा 4) की मदद से प्रदर्शन किया गया । LDV के माध्यम से उच्च मोड प्रतिक्रियाओं को मापने की क्षमता को सफलतापूर्वक प्रदर्शित किया गया था और परिणाम फेम सिमुलेशन के साथ तुलना की गई । 5गु मोड प्रत्येक बीम पर कई बिंदुओं को मापने के द्वारा LDV के साथ मापा गया था । मापा मोड आकार पूरी तरह से फेम सिमुलेशन के साथ मिलान (चित्रा 5). इसके अलावा, पहली विधा के संबंध में आवृत्ति पारी में ४६ बार सुधार करने के लिए जब एक 1 स्नातकोत्तर जन एमईएमएस फ़िल्टर करने के लिए संलग्न किया गया था फेम द्वारा प्रदर्शन किया गया था । इस होनहार परिणाम एक बहुत अधिक संवेदनशील जब LDV (चित्रा 6) के उच्च मोड पढ़ने की क्षमता के साथ संयुक्त सेंसर प्रदान करेगा ।
चित्र 1 : एमईएमएस फ़िल्टर्स के बीच Stiction. Stiction टी में जगह ले ली = ५५ एस, कम आवृत्ति वर्ग तरंग संकेत लागू करने के बाद टी = ५७ एस पर जारी किया जा रहा है मुस्कराते हुए के साथ । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।
चित्र 2 : एमईएमएस फिल्टर भर में जलती हुई । (a) २०० µm लंबे एमईएमएस फ़िल्टर उच्च डीसी वोल्टेज को लागू करने से पहले एंबेडेड हीटर (b) २०० µm लंबे एमईएमएस फिल्टर उच्च डीसी वोल्टेज को लागू करने के बाद एंबेडेड हीटर (सी) २४० µm लंबे एमईएमएस फिल्टर उच्च डीसी वोल्टेज लागू करने के बाद करने के लिए एम्बेडेड हीटर. कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।
चित्र 3 : मोड आकार. उच्च मोड में बीम (विधा-1 मोड-9) कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।
चित्र 4 : ट्यूनिंग क्षमता ट्यूनिंग । ६८ µm लंबे एमईएमएस फिल्टर (ए) जब गाविस = 25 वी और Vac = 5 वी के एम्बेडेड हीटर पर अलग लागू पूर्वाग्रह वोल्टेज के एक समारोह के रूप में आवृत्ति प्रतिक्रिया, और (ख) जब गाविस = ३५ v और Vac = 1 v. कृपया यहां क्लिक करें यह पता लगाने का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए ई.
चित्र 5 : उच्च मोड माप. (क) के लिए मापा उच्च मोड प्रतिक्रिया एल = १५२ µm लंबे एमईएमएस फ़िल्टर. (ख) एक ही विधा के आकार के साथ फेम सिमुलेशन परिणाम । (ग) अलग आवृत्तियों पर एल = १५२ µm लंबे एमईएमएस फिल्टर के लिए मापा उच्च मोड प्रतिक्रियाओं । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।
चित्र 6 : विभिन्न मोड और उनकी उम्मीद प्रदर्शन. (क) एमईएमएस फ़िल्टर करने के लिए संलग्न 1 स्नातकोत्तर जन के साथ पहली विधा के संबंध में सामान्यीकृत आवृत्ति बदलाव. (ख) १५२ µm लंबे एमईएमएस फिल्टर के उच्च मोड प्रतिक्रियाओं के लिए माप और Coventor सिमुलेशन के बीच तुलना । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।
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Discussion
एमईएमएस फिल्टर के निर्माण में महत्वपूर्ण चरणों में से एक आवेदन क्षेत्र के आधार पर डिवाइस डिजाइन करने के लिए है । बीम अब या पतले बेहतर ट्यूनिंग दक्षता के लिए होना चाहिए (पीपीएम/मेगावाट), लेकिन कम या पतले आवृत्ति hopping या संकेत ट्रैकिंग अनुप्रयोगों के लिए । उसी तरह, LDV के माध्यम से स्पष्ट संकेत पता लगाने डिवाइस परीक्षण में महत्वपूर्ण है यही वजह है कि कम से 3-4 µm मोटाई के साथ बीम डिजाइन करने के लिए बेहतर है । अंयथा संकेत शोर होगा, यहां तक कि एक 100X लेंस के साथ, और यह शोर उंमूलन के साथ कई बिंदुओं का परीक्षण लेता है (LDV सॉफ्टवेयर में एंबेडेड) इष्टतम पता लगाने को प्राप्त करने के लिए । इसके बड़े एफ के कारण, फिक्स्ड-फिक्स्ड बीम, अन्य उंमीदवारों की तुलना में (ब्रैकट, ट्यूनिंग कांटा, और मुक्त मुक्त बीम), जब यह गर्म है विस्तृत रेंज आवृत्ति ट्यूनिंग सक्षम बनाता है । इस अध्ययन में हम एंबेडेड हीटर के रूप में polysilicon परतों के साथ जूल हीटिंग विधि का इस्तेमाल किया ।
Stiction से कैसे बचें:
Stiction इलेक्ट्रोस्टैटिक चार्ज के कारण अनुनाद आपरेशन के दौरान जगह ले सकते हैं । कई विभिंन तरीकों साहित्य में प्रस्तुत किया गया है, जैसे उच्च कठोरता के साथ बीम डिजाइनिंग लगातार, विरोधी stiction रसायन विज्ञान के साथ सतह कोटिंग, और रिवर्स दिशा में उच्च डीसी वोल्टेज लागू । इसके विपरीत, समस्या निवारण के प्रयोजन के लिए, हम एक वैकल्पिक, आसान तकनीक यहां मौजूद । एक अपेक्षाकृत उच्च वोल्टेज कम आवृत्ति (1 हर्ट्ज) एक कम समय के लिए वर्ग तरंग संकेत लागू करने से (चित्रा 1), मुस्कराते हुए एक दूसरे से अलग और प्रतिध्वनित करने के लिए जारी कर सकते हैं. यह समाधान कम लागत वाली डिज़ाइन को सक्षम करता है और एंटी-stiction कोटिंग जैसे अधिक जटिल समाधानों को समाप्त कर देता है ।
डिवाइस विफलता से बचने के लिए कैसे:
अपेक्षाकृत उच्च घनत्व वर्तमान फिक्स्ड-फिक्स्ड मुस्कराते हुए उच्च वोल्टेज आवेदन के कारण में बह डिवाइस विफलता (टूट या जला उपकरणों के कारण कर सकते हैं) (चित्रा 2) । यह मुख्य रूप से निश्चित-फिक्स्ड बीम13,14में विभिन्न परतों के थर्मल विस्तार स्थिरांकों में बेमेल होने के कारण है । विफलता से बचने के लिए, अधिकतम आवृत्ति ट्यूनिंग सीमा के साथ प्रत्येक अलग फिक्स्ड-फिक्स्ड बीम का अध्ययन किया जाना चाहिए और ध्यान से परिभाषित, एक साथ । अधिकतम स्वीकार्य वोल्टेज और बिजली की खपत बीम से बीम करने के लिए बदलता है और डिवाइस आयाम13पर निर्भर करता है । इस काम में ६८ µm लंबी बीम के लिए एम्बेडेड हीटर करने के लिए लागू अधिकतम स्वीकार्य वोल्टेज के बीच है 6.3-7 V डिवाइस विफलता से पहले.
कुशल लक्षण वर्णन:
नेटवर्क विश्लेषक विधि की सबसे बड़ी चुनौतियों में से एक परजीवी capacitances को खत्म करने के लिए है । आईसी डिजाइन उपकरण १२० µm लंबे एमईएमएस फिल्टर के लिए समकक्ष सर्किट के आवृत्ति और चरण प्रतिक्रिया साजिश करने के लिए प्रयोग किया जाता है । S21 पीक मूल्य काफी तेजी से 6 db से ०.३४ db से कम भी जब परजीवी समाई 1 एफएफ से 20 एफएफ के लिए वृद्धि हुई है, महसूस एक पर चिप एंपलीफायर डिजाइन एमईएमएस फ़िल्टर6,8के बगल में तैनात ।
नेटवर्क विश्लेषक के विपरीत, LDV निश्चित-फिक्स्ड मुस्कराते हुए प्रतिध्वनि माप में कई फायदे प्रदान करता है । सबसे पहले, यह परजीवी समाई समाप्त और इस तेजी से प्रोटोटाइप और बहुत छोटे डिवाइस (उच्च आवृत्ति उपकरणों) लक्षण वर्णन करता है । इसके अलावा, LDV उच्च मोड लक्षण वर्णन (चित्रा 3) प्रदान करता है, जबकि नेटवर्क विश्लेषक पहले मोड केवल निस्र्पक तक ही सीमित है । इस तरह के विभिंन अनुसंधान क्षेत्रों में कई लाभ प्रदान करता है जैसे कि19अनुप्रयोगों के लिए ।
ट्यूनिंग-क्षमता ट्यून करने के लिए कैसे:
हमारे ज्ञान का सबसे अच्छा करने के लिए, ट्यूनिंग ट्यूनिंग-क्षमता इस काम में पहली बार के लिए प्रदर्शन किया गया था5। अतिरिक्त वसंत नरम दो आसंन मुस्कराते हुए के बीच लागू डीसी पूर्वाग्रह वोल्टेज में वृद्धि के कारण प्रभाव कुल आवृत्ति ट्यूनिंग रेंज में ३२% वृद्धि प्रदान करता है । दो आसंन मुस्कराते हुए के बीच लागू डीसी वोल्टेज में वृद्धि अतिरिक्त वसंत जूल हीटिंग से नरम के शीर्ष पर नरम कहते हैं, और एक व्यापक आवृत्ति ट्यूनिंग रेंज में यह परिणाम है । ट्यूनिंग सीमा ६६१ khz करने के लिए ८७५ khz से बढ़ जाती है जब दो आसंन मुस्कराते हुए 25 v से ३५ वी तक बढ़ जाती है के बीच डीसी वोल्टेज (चित्रा 4) । इस सुविधा जैसे hopping आवृत्ति, सिग्नल ट्रैकिंग, और पुनर्विन्यास रिसीवर और ट्रांसीवर सर्किट के रूप में अनुप्रयोगों में काफी मांग है ।
एमईएमएस फिल्टर विशेष रूप से पोर्टेबल,3,20अनुप्रयोगों के लिए अत्यधिक ध्यान आकर्षित किया गया है । फेम के लिए उच्च मोड प्रतिक्रियाओं का अध्ययन किया जाता है । प्रारंभिक परिणामों के अनुसार, उच्च मोड अधिक बेहतर संवेदनशीलता प्रदान कर सकते हैं (पहले मोड की तुलना में ४६ गुना सुधार करने के लिए) (चित्र 6), एक अत्यधिक मूल्यवान और मांगी-के बाद विशेषता पोर्टेबल में उच्च संवेदी क्षेत्र । इस कारण से यहाँ प्रस्तुत LDV तकनीक का अधिकाधिक ध्यान अपरिहार्य माना जाता है. उच्च मोड पर उपकरणों की गूंज को मापने उच्च विधा का पता लगाने (चित्रा 5) की अपनी क्षमता के कारण LDV भागीदारी की आवश्यकता होगी. LDV के इस प्रभावशाली क्षमता, उच्च स्तर पर उच्च संवेदनशीलता की संभावना के साथ साथ, उच्च संवेदनशीलता के साथ कला के राज्य के लिए नेतृत्व कर सकते हैं ।
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Disclosures
हमारे पास खुलासा करने के लिए कुछ नहीं है ।
Acknowledgments
यह काम अमेरिकी सेना अनुसंधान प्रयोगशाला, Adelphi, प्रबंध निदेशक, संयुक्त राज्य अमेरिका, अनुदान W91ZLK-12-P-०४४७ के तहत द्वारा समर्थित किया गया था । अनुनाद माप माइकल स्टोन और एंथनी बिज्जू की मदद से आयोजित किया गया । थर्मल कैमरा माप जॉर्ज वाशिंगटन विश्वविद्यालय से Damon की मदद से आयोजित किया गया था ।
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).
