Method Article

Tasarım ve karakterizasyon yöntemleri verimli geniş sıra Tunable MEMS filtreler için

DOI:

10.3791/56371

⸱

February 4th, 2018

1Department of Electrical and Electronic Engineering, Harran University

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Tuning, tuning yeteneklilik ve kaçınma aygıt hatası ve stiction, değişiklik frekans ölçümü de dahil olmak üzere bir lazer Doppler vibrometer (LDV), kullanarak sabit-sabit ışın dizaynı için bir protokol sunulmuştur. LDV yöntemi ağ Çözümleyicisi üzerinde üstünlüğü nedeniyle daha yüksek modu kapasitesini gösterilmiştir.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Burada, biz göstermek lazer Doppler vibrometer (LDV) avantajları geleneksel teknikleri (ağ Çözümleyicisi) yanı sıra bir uygulama tabanlı mikroelektromekanik sistemler (MEMS) filtresi ve nasıl verimli bir şekilde kullanmak () oluşturmak için teknikler Yani, ayarlama yeteneği ayarlama ve başarısızlık ve stiction kaçınarak). LDV daha yüksek modu algılama (son derece hassas Biyoalgılayıcı uygulaması) ve rezonans ölçüm için çok küçük cihazlar (hızlı prototipleme) gibi ağ çözümleyicisi ile imkansız çok önemli ölçümleri sağlar. Buna göre LDV frekans ayar aralığı ve bu çalışma için inşa MEMS filtreleri farklı mod frekansta rezonans karakterize etmek için kullanıldı. Bu geniş frekans ayarlama mekanizması sadece katıştırılmış ısıtıcılar ve nispeten yüksek termal stres ile ilgili bir sabit-sabit ışın sıcaklığını Isıtma Joule temel alır. Ancak, bu yöntemin başka sınırlama belgili tanımlık aygıt-ebilmek yanmak elde edilen yüksek termal stres, olduğunu göstermektedir. Daha fazla iyileşme elde ve ayarlama becerisini iki bitişik kirişler arasında uygulanan DC önyargı voltaj (25 V 35 V) bir artış ile 32 oranında artış olmuştur öyle ki bu çalışmada ilk kez gösterilen. Bu önemli bulgu daha geniş frekans ayar aralığı Isıtma ilave Joule gereksinimini ortadan kaldırır. Başka bir olası stiction ve yapısını en iyi duruma getirme gerekliliğini başarısızlıktır: basit ve kolay tekniği başarıyla kirişler ayırabilirsiniz ve daha ortadan kaldırır düşük frekans kare dalga sinyali uygulamanın önerdiğimiz literatürde verilen gelişmiş ve karmaşık yöntemler. Yukarıdaki bulgular bir tasarım metodolojisi gerektirebilir ve bu yüzden de bir uygulama tabanlı tasarım sağlar.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

MEMS filtreleri nedeniyle onların yüksek güvenilirlik, düşük güç tüketimi, kompakt tasarımı, yüksek kalite faktörü ve düşük maliyet için büyüyen bir talep vardır. Bunlar yaygın olarak sensörleri ve kablosuz iletişim çekirdek bölümleri olarak kullanılır. Sıcaklık sensörleri1, biyo-sensörler2,3, gaz-sensörler4, filtreler5,6,7ve osilatörler en popüler uygulama alanları vardır. En popüler Elektrostatik MEMS filtreleri olan sabit-sabit ışın5,8, konsol2, tuning çatal6, ücretsiz-ücretsiz ışın6,7, bükülme disk tasarım7, ve kare şekli tasarım9.

Tasarım Metodolojisi (yapı uygulama tabanlı en iyi duruma getirme, geniş frekans ayarlama aralığı ve hataları önleme) ve karakterizasyonu (hızlı prototipleme paraziter kaçınarak, gibi bir MEMS filtre fark birçok kritik adım vardır capacitances ve saptamak daha yüksek modları). Yeteneği ayarlama frekans frekans değişiklikleri imalat toleransları veya ortam sıcaklığı farklılıklar nedeniyle telafi etmek için gereklidir. Farklı teknikler10,11,12 bu gereksinime yönelik olarak literatürde rapor; Ancak, sınırlı frekans ayarlama yeteneği, düşük Merkezi frekans, ek post işleme gereksinimleri ve dış ısıtıcı10,11gibi bazı dezavantajları var.

Bu çalışmada biz mevcut geniş frekans Joule tarafından ayarlama ayarlama aralığı bir elastik modül ile sınırlı bir frekans üzerinde yöntem5,13 Isıtma (DC önyargı voltaj iki bitişik kirişler arasında artan)12 değiştirmek ve bir malzeme faz geçiş yöntemi10,11. Ayrıca, en uygun yapısı seçimi ve uygulama tabanlı tasarım Göktaş ve Zaglul13' te özetlenebilir. İşte, katıştırılmış ısıtıcı yardımıyla LDV, uygulanan DC gerilimi artırarak bir sabit-sabit ışını rezonans frekansını ayarlamak nasıl göstermektedir. Sonlu elemanlar analizi (FEM) simülasyon LDV ölçüm ayarlama mekanizması görselleştirme uğruna aynı çerçevede eşitlenir. Bu Isıtma ve ışın boyunca profil bükme Joule içerir.

Biz de olası hataları (yanmış aygıtlar ve stiction) ve önerilen çözümleri sunuyoruz. Yöntem yüksek termal stres ile birlikte sabit-sabit ışının Isıtma Joule geniş frekans ayarlama sağlar ama aynı zamanda belirli bir sıcaklık düzeyde yanmış cihazlar neden olabilir. Bu farklı malzeme14arasında yüksek termal stres atfedilir. Hangi sırayla ayar aralığı (%32) artırır ve yüksek sıcaklık ortadan kaldırır iki bitişik kirişler arasında DC gerilimi artırmak için çözümdür. Bu "ayarlama ayarlama aralığı" yöntemi ilk Göktaş ve Zaglul5' te gösterilen, Göktaş ve Zaglul13' te daha ayrıntılı olarak açıklandığı ve burada yeniden sunulan. Stiction, öte yandan, üretim süreci veya rezonans işlemi sırasında yer alabilir. Birçok teknik yüzey kaplama yapışma enerji15,16, artan yüzey pürüzlülüğü17ve lazer onarım süreci18azaltmak için uygulama gibi bu sorunu çözmek için önerilen oldu. Buna ek olarak, biz nerede düşük frekans kare dalga sinyali arasında iki ekli kiriş uygulandı ve ayırma başarıyla LDV tarafından kaydedildi basit bir teknik mevcut. Bu yöntem ortadan kaldırabilir ekstra maliyet ve tasarım karmaşıklığı azaltmak.

Bir sanat devlet MEMS filtre binada başka bir önemli adım karakterizasyonu ve doğrulama gereğidir. Bir ağ çözümleyicisi ile karakterizasyonu en popüler ve yaygın olarak kullanılan yöntemlerden biridir; Bununla birlikte, bunun bazı dezavantajları vardır. Hatta küçük parazit kapasite sinyal öldürebilir ve bu genellikle gürültü eleme için bir amplifikatör devre3,6,8 gerektirir ve bu sadece ilk modu rezonans algılayabilir. Öte yandan, karakterizasyonu LDV ile bu parazit kapasitans sorundan ücretsizdir ve çok daha küçük deplasman algılayabilir. Bu hızlı prototipleme, ayrıcılıklarına olan gereksinimi amplifikatör tasarım sağlar. Ayrıca, LDV MEMS filtre daha yüksek modu rezonans algılayabilir. Bu özellik çok umut verici, son derece hassas biyosensörler alanında özellikle. Daha yüksek bir konsol modu çok daha fazla duyarlılık19sağlayabilir. Bir sabit-sabit ışın LDV ile daha yüksek modu ölçümü gösterildiği ve FEM simülasyon ölçüm için uygulanmıştır. FEM simülasyon erken sonuçlarından en çok 46 kez iyileştirme sabit-sabit ışın ilk moduna göre duyarlılık sunuyoruz.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. seçme ve Optimum bir yapısını tasarlama

  1. Geniş frekans ayarlama için sabit-sabit ışın seçin (diğer adaylara göre bu frekans (TCF) ve ihmal edilebilir termal genleşme sürekli onun büyük sıcaklık katsayısı nedeniyle ısıtıldığında geniş ayarlama sağlar).
  2. Amaç verimlilik iyileştirme ayarlama, daha uzun bir ışın tasarlayın. Amaç frekans atlamalı veya sinyal izleme uygulamaları ise daha kısa bir ışın tasarlayın.

2. modelleme ve Tamamlayıcı Metal oksit yarı iletkeni (CMOS) içinde imalat

  1. Tasarım ve 3D model MEMS Filtresi için FEM tabanlı bir programda oluşturun.
  2. Bir tümleşik devre (IC) tasarım aracı, katman katman gds dosyası oluşturmak için aynı düzende yeniden.
  3. Gds Resimi (biz CMOS 0.6 µm teknoloji kullanılan) imalat için CMOS döküm gönderin.
  4. CMOS işlemi tamamlandıktan sonra Post-processing ile devam (Not fişleri polysilikon, alüminyum ve oksit Katmanlar olmalıdır).
    1. CHF3/O2 kuru kuralları etch işlem İndüktif eşleşmiş plazma (ICP) yolu ile sistem etch. Alüminyum katmanlar arasında SiO2 etch ve kirişler 5,7 oranında oluştururlar. Bu işlem için aşağıdaki parametreleri kullanın: CHF3 40 sccm, O2 5 sccm adlı, basıncı 0,5 Pa, 500 W gücünde ICP ve örnek güç 100 W ile 56 min Toplam etch zaman.
    2. XeF uygulamak2 etch kirişler altında 9 µm derinliği boşluğu oluşturmak için silikon substrat sürecinde. Bu işlem için 60 s/döngüsü için 3T, adlı 3 kür için sistem aşındırma XeF2 kullanın.
  5. Taramalı elektron mikroskobu (SEM) düzgün cihazlarında emin olmak için aygıtlarla karakterize. Bu adımda, gerilim 2,58 için hızlandırılması ışın değiştirmek kV ve 9,5 mm çalışma mesafesi.

3. cihaz test

Not: Cihaz test test ve frekans yanıtı testi Isıtma Joule dahil olmak üzere birçok adımlardan oluşur.

  1. Katıştırılmış ısıtıcılar için termal kamera testi
    1. Termal kamerayı çip üzerine yerleştirin ve belgili tanımlık ışık ısı sağlamak için gömülü ısıtıcılar sınayın.
    2. Küçük parça paket güç kaynağını bağlayın ve 5,7 V kiriş boyunca sıcaklığı artırmak için küçük artışlarla için 0 V ısıtıcılar katıştırılmış bir DC gerilim uygulayın.
    3. Sıcaklık profil boyunca küçük parça paket Termal Kamera ile Isıtma işlemi sırasında kayıt. Bir sayısal bilgisayar programında sağlamaları ve Isıtma profil çiz.
  2. LDV ve test Kur ayarlama
    1. Lazer 120 µm uzun kirişler üzerine getirin.
    2. Hem 7 V DC uygulamak için iki 120 µm uzun kiriş ve 3 V AC gerilimi rezonans işlemi arasında güç kaynağını bağlayın. Ek bir DC önyargı voltaj 5,7 V kirişler için rezonans işlemi sırasında Isıtma Joule uygulamak için fazla katıştırılmış Isıtma cihazları bağlayın.
    3. Lazer ışını bir düşük gürültü lazer yansıma almak için farklı bir noktaya taşıyın. Gürültü azaltmak için mavi çubuğun yoğunluğunu artırmak emin olun.
    4. Ekran ayarlama ve ölçüm Kur'u başlatmak için birden çok görünüm bölün.
    5. Satın alma ayarları'na gidin, FFT için ölçüm modunu ayarlamak, değil herhangi bir filtre kullanın ve 2 MHz bant genişliği ayarla.
    6. O-ebilmek çekmek 2.5 MHz maksimum frekans hızı değiştirin.
    7. Periyodik cıvıltı dalga formu kullanın.
      Not: Burada, genlik AC gerilimi anlamına gelir ve ofset DC gerilim için duruyor.
    8. Ölçüm bu yeni kuruluma başlayın.
    9. Satın alma ayarlarını 1 V DC gerilimi değiştirerek güncelleştirin.
    10. Başv1 kırmızı alarm (sinyal gürültülü anlamına gelir) gösterdiğinde uygulanan önyargı voltaj satın alma ayarları penceresinde azaltın.
    11. Lazer ışını sinyal-gürültü oranı daha da artırmak için farklı bir noktaya taşıyın. Zaman zaman, kırmızı alarm titreşim çubuğunda neden kiriş üzerindeki kötü noktalar olabilir; Bu durumda, için iyi bir yer aramaya devam edin.
  3. 68 µm uzun MEMS filtreleri LDV üzerinden test
    1. Test için 68 µm uzun MEMS filtreyi seçin.
    2. 25 V DC gerilimi ve 5 V AC gerilim iki 68 µm uzun bitişik kirişler arasında birlikte uygulanır. Burada, bükme DC gerilimi sağlar ve AC gerilimi rezonans işlemi sağlar.
    3. 68 µm uzun ışını yerleştirilen katıştırılmış ısıtıcılar ek bir DC gerilim uygulamak ve 0 V gerilim 5,7 V küçük artışlarla için artırın. Bu frekans Joule üzerinde dayanan ayarlama Isıtma sağlar.
    4. Gözlemlemek ve rezonans frekans ve faz yanıtı ile ilgili uygulamalı önyargı voltaj her adımda kayıt ve bir tablodaki sonuçları özetlemek. Katıştırılmış ısıtıcı 5.7 V DC gerilim uygulandığında, bu örnek için toplam frekans ayarlama civarında 874 kHz işte.
      Not: Simülasyonları (sağ tarafta) ve (sol tarafta) gerçek ölçüm eşitlenir.
  4. Daha yüksek modları ölçüm
    1. Bölüm 3.2 gösterdi satın alma ayarları penceresine gitmek için A/D düğmeye ve o-ebilmek çekmek çok yüksek frekanslarda hızı değiştirin.
    2. İlk ve ikinci modu onların faz ile ölçmek.
      Not: Birincil rezonans deplasman modu-1 için Y yönde ve modu-2 (yani doğru mikroskop) Z yönde içindir.

4. kaçınarak aygıt hatası

  1. Düşük frekans kare dalga sinyali uygulama stiction çözmek için
    1. Elektrostatik iki bitişik kirişler arasında şarj üzerinden sonuç stiction sorunu çözmek için 1 Hz kare dalga sinyali uygulanır.
    2. Mahsup kutusuna git ve DC gerilimi 1 V AC gerilim tutarken V, 1'e ayarlayın.
    3. Frekans kutusuna gidin ve sıklığını ayarlamak için 1 Hz.
    4. Etkinleştirmek ve bu yeni kurulum kirişler üzerinde uygulayın.
    5. Belgili tanımlık ışık ayrılması gözlemlemek.
  2. Yüksek termal stres ve yanma
    1. İlave bir örnek termal stres testi için kullanın.
    2. Katıştırılmış ısıtıcı üzerinde uygulanan önyargı voltaj cihaz yüksek termal stres nedeniyle başarısız olmadan önce en fazla izin verilen gerilim bulmak için küçük artışlarla artırmak.

5. ayarlama becerisini artırılması

  1. 25 V DC gerilimi ve 5 V AC gerilim birlikte uygulanan önyargı voltaj 0 V toplam 661 kHz frekans kayması için katıştırılmış ısıtıcı için 5,7 V, üzerinde artırırken iki 68 µm bitişik kirişler arasında geçerlidir.
  2. Ek baharın etkisi ise 1 V AC gerilim uygulayarak ve katıştırılmış ısıtıcılar aynı önyargı voltaj Kur tutmak iki 68 µm uzun bitişik kirişler arasında yumuşama eklemek için 35 V 25 V uygulanan önyargı voltajı yükseltin.
  3. 875 etkisi yumuşatma ek bu bahar geliyor kHz 661 kHz artırması gerektiğini % 32 iyileştirme toplam Frekans kayma kaydedin.
    Not: bizim bilgi en iyi şekilde, MEMS rezonatörler ayarlama becerisini değişen Bu eser ilk kez elde edildi.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Stiction düşük frekans kare dalga sinyali uygulayarak kaçınılması ve bu LDV (şekil 1) kullanılarak doğrulandı. Olası hatası nedeniyle nispeten yüksek önyargı DC gerilim için katıştırılmış ısıtıcılar uygularken yüksek termal stres14 mikroskop altında (Şekil 2) doğrulandı. Kiriş (şekil 3) için daha yüksek modları türetmek için FEM programı kullanılmışsa. İki bitişik kirişler ara...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

MEMS filtreleri binada önemli adımlardan birini uygulama alana dayalı aygıt tasarlamaktır. Işın için daha ince veya daha uzun olması daha iyi verimlilik (ppm/mW), ama daha kısa veya daha ince frekans atlamalı veya sinyal izleme uygulamaları için ayarlama. Aynı şekilde, net sinyal algılama LDV üzerinden en az 3-4 µm kalınlık ile ışın tasarlamak iyidir bu yüzden test aygıtı önemlidir. Aksi takdirde sinyal gürültülü olacak, hatta 100 X mercek ve birden çok nokta (LDV yazılım gömülü) gürültü eleme optimum algılama elde etmek...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

İfşa etmek yok.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Bu eser ABD Ordu Araştırma Laboratuvarı, Adelphi, MD, ABD, Grant W91ZLK-12-P-0447 altında tarafından desteklenmiştir. Rezonans ölçümleri Michael Stone ve Anthony Brock yardımıyla yapılmıştır. Termal Kamera ölçüm George Washington Üniversitesi'nden Damon Conover yardımıyla yapılmıştır.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Lazer Doppler VibrometrePolytecPolytec MSA-500
Taramalı Elektron MikroskobuZeiss
Termal KameraX
Güç Kaynağı Egilent(E3631A)
MikroskopX
CoventorCoventorSimülasyon Aracı
Cadence VirtüözCadenceSimülasyon Aracı
MultisimMultisimSimülasyon Aracı

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  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).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

MEMS FiltersLaser Doppler VibrometerFrequency TuningJoule HeatingStiction AvoidanceCMOS ProcessThermal StressDC Bias VoltageResonance MeasurementHigher Mode Detection

Related Articles