Real-Time DC-dinamica Metodo di polarizzazione per il tempo di commutazione miglioramento Severamente sottosmorzato frangente campo elettrostatico MEMS Attuatori
Summary
Il design robusto dispositivo di frange di campo elettrostatico attuatori MEMS risultati in condizioni di smorzamento squeeze film intrinsecamente bassi e lunghi tempi di assestamento durante l'esecuzione di operazioni di commutazione con passo polarizzazione convenzionale. Commutazione miglioramento del tempo con forme d'onda DC-dinamici in tempo reale riduce il tempo di assestamento di frange campo MEMS attuatori durante le transizioni tra up-to-down e down-to-up Stati.
Abstract
Meccanicamente MEMS elettrostatico frangente campo sottosmorzato attuatori sono ben noti per il loro funzionamento commutazione veloce in risposta ad un gradino unitario tensione di polarizzazione in ingresso. Tuttavia, il compromesso per le prestazioni di commutazione migliorata è un tempo relativamente lungo assestamento per raggiungere ogni altezza gap in risposta a varie tensioni applicate. Transient applicata forme d'onda di polarizzazione sono impiegati per facilitare i tempi di commutazione ridotti per elettrostatiche MEMS frangente campo attuatori con fattori di alta qualità meccaniche. Rimozione del substrato sottostante dell'attuatore frangente campo crea l'ambiente a basso smorzamento meccanico necessario per testare efficacemente il concetto. La rimozione del substrato sottostante ha anche un miglioramento sostanziale delle prestazioni affidabilità del dispositivo con riferimento a guasti dovuti a fenomeni di incollaggio. Sebbene polarizzazione DC-dinamica è utile per migliorare il tempo di assestamento, la slew rate richiesti per i dispositivi tipici MEMS possono collocare requisiti aggressivi sulla carica pumps per completamente integrata disegni on-chip. Inoltre, ci possono essere sfide che integrano la rimozione del substrato passo verso la CMOS commerciali fasi di elaborazione back-end-of-line. Validazione sperimentale di attuatori fabbricati dimostra un miglioramento di 50 volte nel tempo di commutazione rispetto al passo polarizzazione risultati convenzionali. Rispetto ai calcoli teorici, i risultati sperimentali sono in buon accordo.
Introduction
Sistemi microelettromeccanici (MEMS) utilizzano diversi meccanismi di attuazione per raggiungere spostamento meccanico. Le più popolari sono termale, piezoelettrico, magnetostatico, ed elettrostatiche. Per tempo di commutazione brevi, attuazione elettrostatica è la tecnica più popolare 1, 2. In pratica, i disegni meccanici critica smorzati offrono il miglior compromesso tra tempo di salita iniziale e tempo di assestamento. Dopo l'applicazione della polarizzazione CC e azionare la membrana verso l'elettrodo di pull-down, il tempo di assestamento non è un problema significativo in quanto la membrana si scatto verso il basso e rispettare l'elettrodo di attuazione rivestito dielettrica. Diverse applicazioni hanno beneficiato del suddetto disegno di attuazione elettrostatica 3 – 8. Tuttavia, la presenza del elettrodo rivestito tendina dielettrico rende l'attuatore suscettibile di ricarica dielettrico e attrito statico.
Le membrane MEMS possono utilizzare un uprogettazione meccanica nderdamped per ottenere un veloce tempo di salita iniziale. Un esempio di progettazione meccanica sottosmorzato è il frangente campo elettrostatico azionato (EFFA) MEMS. Questa topologia ha esposto molto meno vulnerabilità di meccanismi di rottura tipici che affliggono i disegni elettrostatici basati 9-20. L'assenza del controelettrodo parallelo e di conseguenza il campo elettrico parallelo e perciò questi MEMS sono naturalmente chiamati "frangente campo" azionato (Figura 1). Per la progettazione EFFA, l'elettrodo di pull-down è suddiviso in due elettrodi separati che sono posizionati lateralmente compensate alla membrana in movimento, eliminando completamente la sovrapposizione tra le parti mobili e fisse del dispositivo. Tuttavia, la rimozione del substrato da sotto la membrana mobile riduce significativamente il film compressione smorzamento componente aumentando così il tempo di assestamento. Figura 2B è un esempio del tempo di assestamento in risposta a standard polarizzazione passo. Transitoria, o DC-dinamica applicate polarizzazione in tempo reale può essere usato per migliorare il tempo di assestamento 20-26. Figure 2C e 2D qualitativamente illustrano come una forma d'onda variabile nel tempo può annullare efficacemente la suoneria. Attività di ricerca precedenti utilizzano metodi numerici per calcolare la tensione precisa e tempi di polarizzazione in ingresso per migliorare il tempo di commutazione. Il metodo in questo lavoro utilizza compatte espressioni in forma chiusa per il calcolo dei parametri della forma d'onda di polarizzazione in ingresso. Inoltre, il lavoro precedente focalizzata sulla piastra di azionamento parallelo. Mentre le strutture sono progettate per essere sottosmorzato, squeeze-film di smorzamento è ancora disponibile in questa configurazione. Il metodo di attuazione presentata in questo lavoro è frangente campo di attuazione. In questa configurazione squeeze-film di smorzamento viene effettivamente eliminato. Questo rappresenta un caso estremo in cui lo smorzamento meccanico della trave MEMS è molto bassa. Questo documento descrive come fabbricare il dev EFFA MEMSgelati ed eseguire la misura per convalidare sperimentalmente il concetto di forma d'onda.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bassa tensione residua Au deposizione di film e un rilascio secco con XeF 2 sono componenti criticamente nella fabbricazione di successo del dispositivo. Attuatori frangente campo elettrostatico forniscono forze relativamente basse rispetto al parallelo-piastra attuatori di campo. MEMS tipici sottili sollecitazioni a film di> 60 MPa si tradurrà in tensioni elevate dell'azionamento che può potenzialmente compromettere l'affidabilità del EFFA MEMS. Per questo motivo la ricetta galvanica è accurat…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gli autori desiderano ringraziare Ryan Tung per la sua assistenza e discussioni tecniche utili.
Gli autori desiderano inoltre ringraziare l'assistenza e il supporto dello staff tecnico Birck Nanotechnology Center. Questo lavoro è stato sostenuto dalla Defense Advanced Research Projects Agency sotto la Purdue Microonde riconfigurabile Evanescent-Mode cavità Filtri di studio. E anche da NNSA Centro di Pronostico affidabilità, integrità e capacità di sopravvivenza dei microsistemi e Dipartimento di Energia sotto Award Numero DE-FC5208NA28617. Le opinioni, pareri, e / o risultanze contenute in questo documento / presentazione sono quelle degli autori / presentatori e non devono essere interpretate come rappresentare le opinioni politiche o ufficiali, sia espressa o implicita, della Defense Advanced Research Projects Agency o il Dipartimento della Difesa.
Materials
| Chemical | Company | Catalogue number | Comments (optional) |
| Buffered oxide etchant | Mallinckrodt Baker | 1178 | Silicon dioxide etch, Ti etch |
| Acetone | Mallinckrodt Baker | 5356 | wafer clean |
| Isopropyl alcohol | Honeywell | BDH-140 | wafer clean |
| Hexamethyldisilizane | Mallinckrodt Baker | 5797 | adhesion promoter |
| Microposit SC 1827 Positive Photoresist | Shipley Europe Ltd | 44090 | Pattern, electroplating |
| Microposit MF-26A developer | Shipley Europe Ltd | 31200 | Develop SC 1827 |
| Tetramethylammonium hydroxide | Sigma-Aldrich | 334901 | Bulk Si etch |
| Hydrofluroic acid | Sciencelab.com | SLH2227 | Silicon dioxide etch |
| Sulfuric acid | Sciencelab.com | SLS2539 | wafer clean |
| Hydrogen peroxide | Sciencelab.com | SLH1552 | Wafer clean |
| Transene Sulfite Gold TSG-250 | Transense | 110-TSG-250 | Au electroplating solution |
| Baker PRS-3000 Positive Resist Stripper | Mallinckrodt Baker | 6403 | Photoresist stripper |
| Gold etchant type TFA | Transense | 060-0015000 | Au etch |
References
- Rebeiz, G. . RF MEMS: Theory, Design, and Technology. , (2003).
- Senturia, S. D. . Microsystem Design. , (2001).
- Bouchaud, J. . Propelled by HP Inkjet Sales, STMicroelectronics Remains Top MEMS Foundry. , (2011).
- Lantowski, K. G. D. The Future of Cinema Has Arrived: More Than 50,000. Theatre Screens Worldwide Feature The Brightest, 2D/3D Digital Cinema Experience With DLP Cinema. , (2011).
- Bosch-Wachtel, T. . Knowles Ships 2 Billionth SiSonic MEMS Microphone. , (2011).
- Burke, J. . Mirasol Display Capabilities Add Color and Interactivity to Improve User Experience for Renowned Jin Yong Branded Device. , (2012).
- Bettler, D. . MEMStronics Captures Prestigious R & D 100 Award. , (2011).
- Marsh, C. . Omron Releases New RF MEMS Switch with Superior High Frequency Characteristics rated to 100 Million Operations. , (2008).
- Rosa, M. A., Bruyker, D. D., Volkel, A. R., Peeters, E., Dunec, J. A novel external electrode configuration for the electrostatic actuation of MEMS based devices. J. Micromech. Microeng. 14, 446-451 (2004).
- Rottenberg, X., et al. Electrostatic fringing-field actuator (EFFA): application towards a low-complexity thin film RF-MEMS technology. J. Micromech. Microeng. 17, S204-S210 (2007).
- Allen, W. N., Small, J., Liu, X., Peroulis, D. Bandwidth-optimal single shunt-capacitor matching networks for parallel RC loads of Q >> 1. Asia-Pacific Microw. Conf (Singapore). , 2128-2131 (2009).
- Small, J., Liu, X., Garg, A., Peroulis, D. Electrostatically tunable analog single crystal silicon fringing-field MEMS varactor. Asia-Pacific Microw Conf (Singapore). , 575-578 (2009).
- Liu, X., Small, J., Berdy, D., Katehi, L. P. B., Chappell, W. J., Peroulis, D. Impact of mechanical vibration on the performance of RF MEMS evanescent-mode tunable resonators. IEEE Microw. Wireless Compon. Lett. 21, 406-408 (2011).
- Small, J., et al. Electrostatic fringing field actuation for pull-in free RF-MEMS analog tunable resonators. J. Micromech. Microeng. 22, 095004 (2012).
- Su, J. . A lateral-drive method to address pull-in failure in MEMS. , (2008).
- Scott, S., Peroulis, D. A capacitively-loaded MEMS slot element for wireless temperature sensing of up to 300°C . , 1161-1164 (2009).
- Scott, S., Sadeghi, F., Peroulis, D. Inherently-robust 300C MEMS sensor for wireless health monitoring of ball and rolling element bearings. , 975-978 (2009).
- Lee, K. B. Non-contact electrostatic microactuator using slit structures: theory and a preliminary test. J. Micromech. Microeng. 17, 2186-2196 (2007).
- Su, J., Yang, H., Fay, P., Porod, W., Berstein, G. H. A surface micromachined offset-drive method to extend the electrostatic travel range. J. Micromech. Microeng. 20, 015004 (2010).
- Small, J., Fruehling, A., Garg, A., Liu, X., Peroulis, D. DC-dynamic biasing for >50x switching time improvement in severely underdamped fringing-field electrostatic MEMS actuators. J. Micromech. Microeng. 22, (2012).
- Borovic, B., Liu, A. Q., Popa, D., Cai, H., Lewis, F. L. Open-loop versus closed-loop control of MEMS devices: Choices and issues. J. Micromech. Microeng. 15, 1917-1924 (2005).
- Pons-Nin, J., Rodriquez, A., Castaner, L. M. Voltage and pull-in time in current drive of electrostatic actuators. J. Microelectromech. Syst. 11, 196-205 (2002).
- Czaplewski, D. A., et al. A Soft Landing Waveform for Actuation of a Single-Pole Single-Throw Ohmic RF MEMS Switch. J. Microelectromech. Syst. 15, 1586-1594 (2006).
- Elata, D., Bamberger, H. On the dynamic pull-in of electrostatic actuators with multiple degrees of freedom and multiple voltage sources. J. Microelectromech. Syst. 15, 131-140 (2006).
- Chen, K. S., Ou, K. S. Fast positioning and impact minimizing of MEMS devices by suppression motion-induced vibration by command shaping method. , 1103-1106 (2009).
- Chen, K. S., Yang, T. S., Yin, J. F. Residual vibration suppression for duffing nonlinear systems with electromagnetical actuation using nonlinear command shaping techniques. ASME J. Vibration and Acoustics. 128, 778-789 (2006).
- . . Transene Sulfite Gold TSG-250. Product Number: 110-TSG-250. , (2012).
- . . Gold etchant type TFA. Product Number: 060-0015000. , (2012).
- Garg, A., Small, J., Mahapatro, A., Liu, X., Peroulis, D. Impact of sacrificial layer type on thin film metal residual stress. , 1052-1055 (2009).
