Tasarım ve karakterizasyon yöntemleri verimli geniş sıra Tunable MEMS filtreler için

Filtreler çok popülerdir ve kablosuz iletişimde alıcı ve verici dizisinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Ek olarak, gaz sensörleri, biyosensörler ve sıcaklık sensörleri en popüler uygulamadır. Bu yüksek talepkar filtreler, iki ayrı yonga arasındaki ekstra kabloları ortadan kaldırarak hem daha güvenilir bir fabrikasyonu hem de düşük gürültülü sinyal tasarımını desteklemek için CMOS MEMS işleminde üretilmelidir.

Burada CMOS, tamamlayıcı metal oksit yarı iletken anlamına gelir ve MEMS, mikroelektromekanik sistemler ve sensörler anlamına gelir. Ayrıca, post işlemi, imalat işlemi sırasında tıkanmayı önleyecek şekilde tasarlanmalıdır. MEMS rezonatörlerinin rezonansını ölçmek için iyi bilinen bir yöntem ağ analizörü kullanmaktır, ancak aşağıdaki nedenlerden dolayı lazer doppler vibrometre tekniği kadar güçlü bir yöntem değildir.

Şebeke analizörü yöntemiyle ilgili en büyük zorluklardan biri, parazitik kapasitansı ortadan kaldırmaktır. 120 mikron uzunluğundaki bir ışın için eşdeğer devrenin frekansını ve faz tepkisini patlatmak için tasarım aracının kullanıldığını görüyorum. Bu iki watt'lık tepeden tepeye değer, parazitik kapasitans bir femtofaraddan 20 femtofarad'a yükseldiğinde bile 6 dB'den 0.34 dB'ye büyük ölçüde azalmıştır.

Bu nedenle, maksimum rezonatörlerin hemen yanında ateşleme tasarımına kadar bir çip gerekir. Lazer doppler vibrometre, ışınların rezonansa girdiklerinde titreşimini algılamak için lazer kullanan başka bir yöntemdir. Şebeke analizörünün aksine lazer doppler vibrometre tekniği ile parazitik kapasitans problemi ortadan kaldırılmıştır.

Ek olarak, biyo-duyarlı uygulamalar gibi farklı araştırma alanlarında birçok avantaj sağlayan daha yüksek modlu rezonansı tespit edebilir ve ağ analizörünün aksine çok daha küçük rezonatörleri karakterize edebilir. Bu, özellikle biyo-hassas uygulamalarda hızlı prototipleme ve daha hassas ve doğru rezonatörler sağlar. Bu çalışmanın amacı, lazer doppler vibrometre kullanarak tasarım sonrası göstermek, frekans ayarını ölçmek, ayar kabiliyetini ayarlamak, çift stictional sabit-sabit ışını önlemek için bir kılavuz sağlamaktır.

Süreç, optimum yapıyı bulmakla başlar. İkinci geniş aralıklı frekans ayarında sabit-sabit ışını seçin, çünkü diğer adaylara kıyasla sabit-sabit ışın, yüksek sıcaklık frekans katsayısı ve bireysel termal genleşme sabiti nedeniyle ısıtıldığında geniş aralıklı ayarlamayı mümkün kılar. Amaç daha iyi ayar verimliliği ise daha uzun ışın tasarlayın.

Amaç frekans atlamalı veya sinyal izleme uygulamalarıysa daha kısa ışın tasarlayın. Sonlu element tabanlı bir programda MEMS besleyici için 3B modeli tasarlayın ve oluşturun. GDS dosyasını oluşturmak için aynı düzeni bir entegre devre tasarım aracında katman katman yeniden oluşturun.

Bu GDS dosyasını imalat için CMOS dökümhanesine gönderin. Burada CMOS 0.6 mikron teknolojisini kullanıyoruz. CMOS işlemi tamamlandıktan sonra, çipler polisilikon, alüminyum ve oksit katmanları ile gelmelidir.

Bir sonraki adım, işlem sonrası adımları gerçekleştirmektir. CHF302 kuru aşındırma işlemini, kirişleri 5.7 en boy oranında oluşturmak için alüminyum katmanlar arasında silikon dioksit olan bir ICPH sistemi aracılığıyla gerçekleştirin. Bu işlem için aşağıdaki parametreleri kullanın.

40 sccm'de CHF3, 5 sccm'de oksijen, 0,5 pascal'da basınç, 500 watt'ta ICP gücü, 100 dakikalık toplam aşındırma süresi ile 56 watt'ta numune gücü. Kirişlerin altında dokuz mikrometre derinliğinde bir boşluk oluşturmak için silikon alt tabakada ksenon florür aşındırma işlemi uygulayın. Bu işlem için, döngü başına 60 saniye boyunca üç torr'da üç döngü için ksenon florür aşındırma sistemini kullanın.

Uygun şekilde üretildiklerinden emin olmak için cihazları ECM kapsamında karakterize edin. Bu adım için, ışın hızlandırma voltajını 2,58 kilovolt ve çalışma mesafesini 9,5 milimetre olarak değiştirin. Cihaz testi, joule ısıtma testi ve frekans tepki testi dahil olmak üzere birçok adımdan oluşur.

Çipin üstündeki termal kamerayı bulun ve ışınları ısıttıklarından emin olmak için ortam ısıtıcılarını test edin. Işınlar boyunca sıcaklığı artırmak için gömülü ısıtıcılara küçük artışlarla 0 volt ile 5.7 volt arasında bir DC voltajı uygulamak için güç kaynağını çip paketine bağlayın. Isıtma işlemi sırasında termal kameranız ile çip paketi boyunca sıcaklık profilini kaydedin ve sonuçları sayısal tamamlama programına kaydedin ve ısıtma profilini çizin.

Lazeri 120 mikrometre uzunluğundaki ışınların üzerine yerleştirin. Rezonans işlemi için yaklaşık yedi yedi volt DC ve üç AC voltajı uygulamak için güç kaynağını iki 120 mikron uzunluğundaki ışın arasına bağlayın. Rezonans işlemi sırasında ışınlara joule ısıtma uygulamak için gömülü ısıtıcılara maksimum 5.7 volt ile ek DC öngerilim voltajı bağlayın.

Daha az uzun bir lazer sapması elde etmek için lazeri ışın üzerinde farklı bir noktaya hareket ettirin. Gürültüyü azaltmak için mavi çubuğun yoğunluğunu artırdığınızdan emin olun. Ölçüm kurulumunu kalibre etmek ve başlatmak için ekranı birden çok görünüme bölün.

Edinme ayarlarına gidin. Ölçüm modunu FFT olarak ayarlayın. Herhangi bir filtre kullanmayın.

Ve bant genişliğini iki megahertz olarak ayarlayın. Maksimum 2,5 megahertz frekansını destekleyebilecek hızı değiştirin. Periyodik çip dalga formu kullanın.

Burada genlik AC voltajı ve ofset DC voltajı anlamına gelir. Bu yeni kurulumla sürekli ölçümü başlatın. DC voltajını bir volt olarak değiştirerek alım ayarlarını güncelleyin.

Ref1 kırmızı alarm gösterdiğinde, sinyalin gürültülü olduğu anlamına gelir. Sorunu çözmek için alım ayarları penceresinde uygulanan önyargı voltajını azaltın. Sinyal-gürültü oranında daha fazla artış elde etmek için lazeri ışın üzerinde farklı bir noktaya hareket ettirin.

Bazen titreşim çubuğunda kırmızı alarma neden olan ışın üzerinde kötü noktalar bulabilirsiniz. Sadece kiriş üzerindeki en iyi noktayı aramaya devam edin. Test için 68 mikron uzunluğundaki MEMS filtresini seçin.

25 mikron uzunluğundaki iki bitişik kiriş arasına 68 volt DC voltaj ve beş volt AC voltaj birlikte uygulayın. Burada DC voltajı bantlamayı sağlar ve AC voltajı rezonans çalışmasını sağlar. 68 mikron uzunluğundaki huzmede bulunan gömülü ısıtıcılara ek bir DC voltajı uygulayın ve küçük kademeli artışlarla voltajı sıfır volttan 5,7 volta yükseltin.

Bu, joule ısıtmaya dayalı frekans ayarı sağlayacaktır. Her adımda uygulanan öngerilim voltajına göre rezonans frekansını ve faz tepkisini gözlemleyin ve kaydedin ve sonuçları bir tabloda özetleyin. Burada, bu örnek için toplam frekans ayarı, gömülü ısıtıcıya 874 volt DC voltajı uygulandığında yaklaşık 5.7 kilohertz'dir.

LDV'yi kalibre etme ve test kurulumu bölümünde gösterilen alım ayarları penceresine gitmek ve çok yüksek frekansları destekleyebilecek hızı değiştirmek için A/D düğmesine basın. Birinci ve ikinci modu fazları ile ölçün. İki bitişik ışından gelen hız yükünden kaynaklanan stiksiyon problemini çözmek için bir hertz kare dalga sinyali uygulayın.

Jeneratör sekmesine gidin ve dalga formu açılır menüsünün altında bir kare dalga formu seçin. Ofset kutusuna gidin ve DC voltajını bir volta ayarlayın. Frekans kutusuna gidin ve frekansı bir hertz olarak ayarlayın.

Bu yeni kurulumu etkinleştirin ve kirişlere uygulayın. Kirişlerin ayrılmasına dikkat edin. Termal stres testi için fazladan bir numune kullanın.

Yüksek termal stres nedeniyle cihaz arızalanmadan önce izin verilen maksimum voltajı bulmak için gömülü ısıtıcıya uygulanan öngerilim voltajını küçük bir artışla artırın. Toplam 25 kilohertz frekans kayması elde etmek için gömülü ısıtıcıya uygulanan önyargı voltajını 0 volttan 5.7 volta yükseltirken, iki 68 mikron bitişik kiriş arasına 661 volt DC voltajı ve beş volt AC voltajı birlikte uygulayın. Bir volt AC voltajı uygularken ve gömülü ısıtıcılarda aynı önyargı voltajı kurulumunu korurken, iki 68 mikron uzunluğundaki bitişik kiriş arasına ek yumuşatma etkisi eklemek için uygulanan öngerilim voltajını 25 volttan 35 volta yükseltin.

Bu ek yumuşatma etkisinden gelen 32 kilohertz'den 661 kilohertz'e yükselmesi gerektiği için toplam frekans kaymasındaki% 875'lik iyileşmeyi kaydedin. Gömülü ısıtıcılara uygulanan öngerilim uygulaması ile geniş frekans ayarı elde edilir ve lazer doppler vibrometre ile doğrulanır. Daha yüksek volt rezonans ölçümü, yüksek hassasiyetli ve hassas biyosensörler için umut verici sonuçlar sunduğu için rezonatörler için çok önemlidir.

Lazer doppler vibrometre, şebeke analizörü ile okunması neredeyse mümkün olmayan yüksek volt ölçümünü mümkün kılar. 5. mod, lazer doppler vibrometre ile her bir ışın üzerinde birden fazla nokta ölçülerek ölçüldü. Eşleşmeleri etkilemek için ölçülen mod şekli, sağ köşede gösterilen sonlu eleman analizine dayalı program sonuçlarıyla eşleşir.

Bu video, uzun dalgaların, geniş aralıklı ayarlanabilir CMOS MEMS filtrelerinin nasıl tasarlanacağını, üretileceğini ve karakterize edileceğini öğretir. Geniş ayarlanabilir MEMS filtreleri, özellikle sinyal izleme ve frekans atlama uygulamalarında çok talepkardır. Bu nedenle, arızayı önlerken ayar aralığını artırdıktan sonra başarılı bir şekilde gösterilir, uygulanması kolaydır ve tekrarlanabilir.

Yanma ve stiksiyon gibi yaygın sorunlardan kaçınma yöntemleri, güvenilirlik ve düşük maliyetli imalat uğruna başarıyla gösterilmiştir. Karakterizasyon amacıyla, lazer doppler vibrometre veya ağ analizörünün üstünlüğü başarıyla gösterilmiştir. sadece beşinci mod şeritlemeyi etkinleştirmekle kalmayıp, aynı zamanda taşınabilir biyosensör ve HIV gibi erken teşhis için en son teknolojiyi de mümkün kılmak.