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高效宽量程可调谐 MEMS 滤波器的设计与表征方法

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Engineering

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Summary

本文提出了一种利用激光多普勒测 (LDV) 进行固定波束设计的协议, 包括频率调谐的测量、调谐能力的修正以及设备故障和迟滞的避免。LDV 方法在网络分析仪上的优越性是由于其较高的模态能力而表现出来的。

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

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Abstract

在这里, 我们展示了激光多普勒测 (LDV) 优于传统技术 (网络分析仪) 的优势, 以及创建基于应用的机械系统 (MEMS) 过滤器的技术, 以及如何有效地使用它 (, 调优功能并避免故障和迟滞。LDV 使网络分析仪无法进行关键的测量, 如高模式检测 (高度灵敏的生物传感器应用) 和非常小设备 (快速原型) 的共振测量。因此, LDV 被用来表征的频率调谐范围和谐振频率在不同模式的 MEMS 滤波器为本研究所建立。这种宽范围频率调谐机构是基于从嵌入式加热器的焦耳加热和相对较高的热应力就固定固定梁的温度。然而, 我们证明, 这种方法的另一个限制是产生高的热应力, 它可以燃烧的设备。在这项研究中首次取得了进一步的改进, 并显示了在两个相邻光束之间增加了外加直流偏置电压 (25 伏至35伏), 从而使调谐能力增加了32%。这个重要的发现消除了额外的焦耳加热在更广泛的频率调谐范围的需要。另一个可能的失败是通过迟滞和结构优化的要求: 我们提出了一种简单易行的低频方波信号应用技术, 它能够成功地分离光束, 消除了需要在文献中给出的复杂的方法。上述发现需要设计方法, 因此我们也提供了基于应用程序的设计。

Introduction

由于其可靠性高、功耗低、设计紧凑、质量因数高、成本低等特点, 对 MEMS 滤波器的需求越来越大。它们在无线通信中被广泛用作传感器和核心部件。温度传感器1、生物传感器23、气体传感器4、过滤器567和振荡器是最受欢迎的应用领域。最流行的静电 MEMS 滤波器有固定固定光束5,8, 悬臂式2, 音叉6, 自由光束6,7, 弯曲磁盘设计7,方形形状设计9

在实现 MEMS 滤波器时, 有许多关键步骤, 如设计方法 (基于应用的结构优化、宽范围频率调谐范围、避免故障) 和特性 (快速原型, 避免寄生电容, 并检测更高的模式)。由于制造公差或环境温度变化引起的频率变化, 需要频率调谐能力来补偿。在文献中报告了不同的技术101112 , 以满足此要求;但是, 它们有一些缺点, 如频率调谐能力有限、中心频率低、附加的后处理要求和外置加热器1011

在本研究中, 我们提出的宽范围频率调谐的焦耳加热法5,13在有限的频率调谐范围内通过弹性模数变化12 (增加直流偏置电压之间的两个相邻的光束) 和材料相变方法10,11。并在 Göktaş和 Zaghloul13中总结了优化结构选择和基于应用的设计。在这里, 我们展示了如何调整固定固定梁的谐振频率, 增加直流电压应用于嵌入式加热器的帮助下, LDV。为了使调谐机构可视化, 有限元分析 (FEM) 模拟与同一帧中的 LDV 测量同步。这包括在整个光束的焦耳加热和弯曲剖面。

我们还介绍了可能的故障 (烧毁设备和迟滞) 及其建议的解决方案。焦耳加热法与固定固定梁的高热应力相结合, 提供了宽范围的频率调谐, 但同时也能在一定的温度水平上产生烧损装置。这归因于不同材料之间的高热应力14。解决办法是增加两个相邻光束之间的直流电压, 从而增加调谐范围 (32%), 并消除对高温的需求。此 "调优范围" 方法首先在 Göktaş和 Zaghloul5中演示, 在 Göktaş和 Zaghloul13中进行了更详细的说明, 并在这里重新介绍。迟滞, 另一方面, 可以发生在制造过程或共振操作。有许多技术提出解决这个问题, 如应用表面涂层, 以减少附着力的能量15,16, 增加表面粗糙度17, 以及激光修复过程18。相比之下, 我们提出了一个简单的技术, 在两个连接光束之间应用了低频方波信号, 并成功地用 LDV 记录了分离。这种方法可以消除额外的成本, 降低设计的复杂性。

另一个关键的步骤, 在建设一个国家的艺术 MEMS 过滤器的特性和验证。用网络分析仪进行表征是最常用和最广泛的方法之一;然而, 它有一些缺点。即使是小的寄生电容也会杀死信号, 所以这通常需要放大电路3,6,8以消除噪声, 并且它只能检测到第一模共振。另一方面, 与 LDV 的表征是无寄生电容问题, 并能检测到更小的位移。这使得快速原型, 同时消除了对放大器设计的需要。此外, LDV 可以检测 MEMS 滤波器的高模态共振。这一特性非常有前景, 特别是在高度敏感的生物传感器领域。较高的悬臂模式可以提供更高的灵敏度19。给出了 LDV 固定梁的高模态测量方法, 并将其应用于有限元模拟测量。有限元模拟的过早结果与固定固定梁的第一模式相比, 灵敏度提高了46倍。

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Protocol

1. 优选结构的选择与设计

  1. 选择用于宽范围频率调谐的固定固定光束 (与其他候选者相比, 它在加热时可以进行宽范围调谐, 因为其温度系数大 (TCF) 和可忽略的热膨胀常数)。
  2. 设计一个更长的光束, 如果目的是调整效率的改善。设计一个较短的光束, 如果目的是跳频或信号跟踪应用。

2. 互补金属氧化物半导体 (CMOS) 的建模和制造

  1. 设计并制作了基于有限元程序的 MEMS 滤波器的3维模型。
  2. 在集成电路 (IC) 设计工具中重建相同的布局, 按层层创建 gds 文件。
  3. 将此 gds 文件提交到 cmos 铸造厂进行制造 (我们使用了 cmos 0.6 µm 技术)。
  4. 在 CMOS 过程完成后继续进行后处理 (请注意, 芯片应该有多晶硅、铝和氧化物层)。
    1. 通过电感耦合等离子体 (ICP) 蚀刻系统进行 CHF3/O2的干式蚀刻过程。在铝层之间蚀刻2 , 并在5.7 的纵横比下形成光束。对于此过程, 请使用以下参数: CHF3 at 40 sccm, O2在 5 sccm, 压力在 0.5 Pa, ICP 电源在 500 w, 采样功率在 100 w 与56分钟总蚀刻时间。
    2. 在硅衬底上应用 XeF2蚀刻工艺, 在梁下创建9µm 深腔。对于此过程, 请使用 XeF2蚀刻系统进行3次周期为 3T, 为六十年代/周期。
  5. 用扫描电子显微镜 (SEM) 表征设备, 以确保它们是正确的制造。对于这一步, 改变光束加速电压到 2.58 kV 和工作距离为9.5 毫米。

3. 设备测试

注: 设备测试包括焦耳加热测试和频率响应测试等多个步骤。

  1. 嵌入式加热器热成像试验
    1. 将热成像摄像机放在芯片的顶部, 并测试嵌入式加热器以确保它们加热光束。
    2. 将电源连接到芯片封装, 并将直流电压从0伏到5.7 伏的嵌入式加热器上应用, 以增加整个光束的温度。
    3. 在加热过程中, 通过热敏相机记录整个芯片封装的温度分布。将结果保存在数值计算程序中, 并绘制发热剖面图。
  2. 校准 LDV 和测试设置
    1. 将激光放置在120µm 长光束的顶端。
    2. 连接两个120µm 长光束之间的电源, 以应用 7 v DC 和 3 v 交流电压进行共振操作。将额外的直流偏置电压与嵌入加热器连接, 最大值为5.7 伏特, 以便在共振操作期间将焦耳加热应用于光束。
    3. 将激光器移到光束的不同位置, 以获得低噪声激光反射。确保增加蓝色棒的强度, 以减少噪音。
    4. 将屏幕分成多个视图以校准和启动测量设置。
    5. 转到采集设置, 将测量模式设置为 FFT, 不使用任何过滤器, 并将带宽设置为 2 MHz。
    6. 更改速度, 使其能够支持 2.5 MHz 的最大频率。
    7. 使用周期性啁啾波形。
      注: 在这里, 振幅代表交流电压和直流电压抵消立场。
    8. 使用此新设置开始测量。
    9. 通过将直流电压更改为 1 v 来更新采集设置
    10. 当 Ref1 显示红色警报 (这意味着信号是嘈杂的) 时, 减少在购置设置窗口中应用的偏置电压。
    11. 将激光器移到光束的不同位置, 以进一步增加信噪比。有时, 横梁上可能有坏的斑点, 导致振动条上出现红色警报;在这种情况下, 继续搜索最佳位置。
  3. 通过 LDV 测试68µm 长 MEMS 滤波器
    1. 选择68µm 长 MEMS 过滤器进行测试。
    2. 在两68µm 长相邻光束之间应用25伏直流电压和5伏交流电压。在这里, 直流电压提供弯曲和交流电压, 使共振操作。
    3. 对放置在68µm 长光束中的嵌入式加热器施加额外的直流电压, 并将电压从0伏增加到5.7 伏。这将提供基于焦耳加热的频率调谐。
    4. 观察并记录每个步骤中应用偏置电压的谐振频率和相位响应, 并在表中总结结果。在这里, 这个样品的总频率调整是大约874赫, 当 5.7 V 直流电压适用于嵌入式加热器。
      注意: 模拟 (在右侧) 和实际测量 (在左端) 是同步的。
  4. 高模量测量
    1. 按下 "a/d" 按钮转到3.2 节中演示的 "购置设置" 窗口, 并更改速度以使其能够支持非常高的频率。
    2. 测量第一个和第二个模式与他们的阶段。
      注: 主共振位移为 Y 方向为 mode-1, 它是在 Z 方向 (即朝向显微镜) 为 mode-2。

4. 避免设备故障

  1. 低频方波信号在解决迟滞中的应用
    1. 应用 1 Hz 方波信号来解决两相邻光束之间的静电充电引起的迟滞问题。
    2. 转到 "偏移" 框并将直流电压设置为 1 V, 同时将交流电压保持在1五
    3. 转到频率框, 并设置频率为1赫兹。
    4. 在横梁上激活并应用这个新的设置。
    5. 观察光束的分离。
  2. 高热应力和燃烧
    1. 使用额外的样品进行热应力测试。
    2. 增加在嵌入式加热器上施加的偏置电压, 以小的增量, 以找到最大的允许电压之前, 设备失效, 由于高热应力。

5. 提高调谐能力

  1. 在两个68µm 相邻的光束之间应用一个25伏直流电压和 5 v 交流电压, 同时在嵌入式加热器上增加应用的偏置电压从 0 v 到 5.7 v, 共661赫频移。
  2. 将施加的偏置电压从25伏增加到35伏, 在两68µm 长相邻光束之间添加额外的弹簧软化效果, 同时应用 1 V 交流电压, 并在嵌入式加热器上保持相同的偏置电压设置。
  3. 记录全频移的32% 的改善, 因为它应该增加从661赫到875赫来自这个额外的春季软化效果。
    注意: 据我们所知, 改变 MEMS 谐振器的调谐能力是第一次在这项工作中实现的。

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Representative Results

采用低频方波信号, 避免了迟滞, 使用 LDV (图 1) 验证了这一点。在显微镜下 (图 2) 验证了在将相对较高的偏置直流电压应用于嵌入式加热器时, 由于高热应力14可能导致的故障。该有限元程序用于推导光束的更高模式 (图 3)。通过改变两个相邻光束之间的直流偏置电压 (25 v 到 35 v) 来改变调谐能力 (32%), 这是在 LDV (图 4) 的帮助下, 在这项工作中第一次5 。成功地证明了通过 LDV 进行高模态响应的能力, 并与有限元模拟结果进行了比较。5th模式是通过测量每个光束上的多个点来测量 LDV 的。测量的模态形状与有限元模拟完全匹配 (图 5)。此外, 当 1 pg 质量附着在 MEMS 滤波器上时, 通过有限元法证明了在第一模态上频移的改进高达46倍。这一可喜的结果将提供一个更敏感的生物传感器时, 结合 LDV 的更高模式阅读能力 (图 6)。

Figure 1
图 1: 在 MEMS 过滤器之间迟滞.迟滞发生在 t = 五十五年代, 与光束被释放在 t = 五十七年代在应用了低频方波信号。请单击此处查看此图的较大版本.

Figure 2
图 2: 在 MEMS 过滤器中燃烧.(a) 200 µm 长 mems 滤波器在将高直流电压应用于嵌入式加热器 (b) 200 µm 后, 将高直流电压应用于嵌入式加热器 (c) 240 µm 长 mems 滤波器后应用高直流电压到嵌入式加热器。请单击此处查看此图的较大版本.

Figure 3
图 3: 模式形状.横梁在更高的方式 (Mode-1 到 Mode-9)请单击此处查看此图的较大版本.

Figure 4
图 4: 调优功能.频率响应作为不同的应用偏置电压在68µm 的嵌入式加热器上的功能 (a) 当 Vdc = 25 v 和 Vac = 5 v 时, 和 (b) 当 Vdc = 35 伏和 Vac = 1 v请点击这里查看更大版本的这个想出e.

Figure 5
图 5: 高模式测量.(a) 测量的高模态响应为 L = 152 µm 长的 MEMS 滤波器。(b) 有限元模拟结果具有相同的模式形状。(c) 测量的更高模式响应为 L = 152 µm 长的 MEMS 滤波器在不同的频率。请单击此处查看此图的较大版本.

Figure 6
图 6: 不同的模式及其预期的性能.(a) 对于与 MEMS 滤波器相连的 1 pg 质量的第一模式, 归一化频率偏移。(b) 152 µm 长 MEMS 滤波器的高模态响应的测量与 Coventor 模拟的比较。请单击此处查看此图的较大版本.

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Discussion

建立 MEMS 滤波器的关键步骤之一是设计基于应用领域的设备。为了更好的调谐效率 (ppm/兆瓦), 光束应该更长或更薄, 但对于跳频或信号跟踪应用来说, 更短或更薄。同样地, 通过 LDV 的清晰信号检测是设备测试的关键, 这就是为什么最好设计至少3-4 µm 厚度的光束。否则, 信号将是嘈杂的, 即使是100X 镜头, 它需要多点测试与噪声消除 (嵌入在 LDV 软件), 以达到最佳的检测。由于其大型 TCF, 固定固定梁, 相比其他候选人 (悬臂, 调谐叉, 自由梁), 使宽范围频率调谐时, 它被加热。在这项研究中, 我们使用的焦耳加热法与多晶硅层作为嵌入式加热器。

如何避免迟滞:

迟滞在谐振操作期间可能发生由于静电充电。在文献中提出了许多不同的方法, 如设计高刚度常数的梁, 用反迟滞化学涂敷表面, 并在反方向施加高直流电压。相比之下, 为了进行故障排除, 我们在这里提供了一种替代的简单技术。通过在短时间内使用相对高电压低频 (1 赫兹) 方波信号(图 1), 光束可以彼此分离并继续共振。此解决方案实现了低成本的设计, 并消除了更复杂的解决方案, 如防迟滞涂层。

如何避免设备故障:

由于较高的电压应用, 在固定固定梁上流动的相对高密度电流会导致设备故障 (损坏或烧坏设备) (图 2)。这主要是由于固定固定梁13,14中不同层的热膨胀常数不匹配。为了避免故障, 应仔细研究和定义每种不同固定梁的最大允许电压, 以及最大频率调谐范围。最大允许电压和功耗因光束而异, 取决于设备尺寸13。在这项工作中, 适用于68µm 长梁的嵌入式加热器的最大允许电压是在设备故障前的 6.3-7 伏之间。

高效的特性:

网络分析仪方法的最大挑战之一就是消除寄生电容。IC 设计工具用于绘制120µm 长 MEMS 滤波器的等效电路的频率和相位响应。即使寄生电容从 1 ff 增加到 20 ff, S21 峰值到峰值值也从 6 db 大幅降低到 0.34 db, 因此必须在 MEMS 过滤器68旁边的片上放大器设计。

与网络分析仪相比, LDV 在固定固定梁的共振测量中具有许多优点。首先, 它消除了寄生电容, 这使得快速原型和更小的设备 (高频设备) 的表征。此外, LDV 提供了更高的模式特性 (图 3), 而网络分析器仅限于描述第一种模式。这在不同的研究领域提供了许多优势, 如生物传感器应用程序19

如何调整调优功能:

据我们所知, 在这项工作5中首次演示了调优功能。由于外加的直流偏置电压增加, 在两个相邻光束之间的外加的弹簧软化效应提供了总频率调谐范围的32% 的增加。增加在两个相邻的光束之间的应用直流电压增加了额外的春季软化的顶部软化从焦耳加热, 这将导致更广泛的频率调谐范围。当两个相邻光束之间的直流电压从25伏增加到 35 v (图 4) 时, 调谐范围从 661 khz 增加到875赫。该特性在跳频、信号跟踪、可重构接收机和收发电路等应用中都有很大的需求。

MEMS 滤波器特别为便携式生物传感器应用提供了极大的关注2,3,20。采用有限元法对高模态响应进行了研究。根据早期的结果, 较高的模式可以提供更好的灵敏度 (高达46倍的改善相比, 第一种模式) (图 6), 一个非常有价值的和追求的特点, 在便携式生物传感器领域。因此, 在这里提出的 LDV 技术的摄取被认为是不可避免的。在较高模式下测量器件的共振将需要 LDV 的参与, 因为它具有更高的模态检测能力 (图 5)。LDV 的这种令人印象深刻的能力, 加上更高灵敏度的可能性在较高的模式, 可能会导致先进的生物传感器的高灵敏度的状态。

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Disclosures

我们没有什么要透露的。

Acknowledgments

这项工作得到了美国陆军研究实验室的支持, 阿德尔菲, 马里兰州, 美国, 根据赠款 W91ZLK-12-P-0447。共振测量是在迈克尔. 斯通和安东尼. 布洛克的帮助下进行的。热摄相机的测量是在科诺菲尔的帮助下进行的乔治华盛顿大学。

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

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References

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Comments

1 Comment

  1. Amazing work.

    Reply
    Posted by: Onur Samet Y.
    February 20, 2018 - 8:51 AM

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