Diseño y metodología de caracterización para filtros de MEMS Tunable eficiente toda la gama
Summary
Se presenta un protocolo para un diseño de viga fija fija usando un Vibrómetro Doppler láser (LDV), incluyendo la medición de la frecuencia de sintonización, modificación de ajuste de capacidad y ausencia de fallo del dispositivo y cohesión. Se demuestra la superioridad del método LDV sobre el analizador de red debido a su mayor capacidad de modo.
Abstract
Aquí, demostramos las ventajas del Vibrómetro Doppler láser (LDV) sobre las técnicas convencionales (el analizador de redes), así como las técnicas para crear un filtro de sistemas (MEMS) basado en la aplicación micrométrica y cómo utilizarlo de manera eficiente) es decir, la capacidad de ajuste de ajuste y evitar el fracaso y cohesión). LDV permite medidas cruciales que son imposibles con el analizador de redes, tales como detección de modo mayor (aplicación de biosensores de alta sensibilidad) y medida de la resonancia para dispositivos muy pequeños (prototipado rápido). Por consiguiente, LDV fue utilizado para caracterizar la gama de sintonización de frecuencia y la frecuencia de resonancia en diferentes modos de los filtros de MEMS construidos para este estudio. Este mecanismo de ajuste de frecuencia de amplia gama se basa simplemente en Joule de la calefacción de los calentadores integrados y estrés térmico relativamente alto con respecto a la temperatura de un rayo fijo fijo. Sin embargo, demostramos que otra limitación de este método es la alta tensión térmica resultante, que puede quemar los dispositivos. Otra mejora fue alcanzado y demostrado por primera vez en este estudio, que la capacidad de sintonización se incrementó en un 32% a través de un aumento en el voltaje de bias DC aplicado (25 V a 35 V) entre las dos vigas adyacentes. Este importante hallazgo elimina la necesidad del julio extra de calefacción en la amplia gama de sintonización de frecuencia. Otro posible fallo es a través de la cohesión y el requisito de la optimización de la estructura: se propone una técnica sencilla y fácil de aplicación de señal de onda cuadrada de baja frecuencia que puede separar con éxito las vigas y elimina la necesidad de más métodos sofisticados y complicados dados la literatura. Los resultados anteriores requieren una metodología de diseño, y así también proporcionar un diseño basado en la aplicación.
Introduction
Hay una creciente demanda de filtros MEMS debido a su alta fiabilidad, bajo consumo, diseño compacto, factor de alta calidad y bajo costo. Son ampliamente utilizados como sensores y piezas de la base en comunicación inalámbrica. Sensores de temperatura1, bio-sensores2,3, sensores de gas4, filtros5,6,7y los osciladores son las más populares áreas de aplicación. Los más populares Filtros electrostáticos de MEMS son haz fijo-fijo5,8, voladizo2, diapasón6, libre de la viga6,7, diseño a la flexión en disco7, y forma cuadrada de diseño9.
Hay muchos pasos críticos en la realización de un filtro de MEMS, como metodología de diseño (optimización de la estructura basado en la aplicación, frecuencia de amplia gama de sintonización y evitar los fallos) y caracterización (prototipado rápido, evitar parásitos capacitancias y modos de detección más alto). Capacidad de ajuste de frecuencia es necesaria para compensar los cambios de frecuencia debido a las tolerancias de fabricación, o las variaciones de temperatura ambiente. Diferentes técnicas10,11,12 se han divulgado en la literatura para abordar este requisito; sin embargo, tienen algunos inconvenientes como la limitada frecuencia de ajuste de capacidad, frecuencia central baja, puesto adicional de procesamiento requisitos y sistema de calentamiento externo10,11.
En este estudio presentamos la amplia gama de sintonización de frecuencia por el Joule calefacción método5,13 sobre una limitada frecuencia de afinación rango mediante un módulo de elasticidad cambiar12 (aumento de la tensión diagonal entre dos vigas adyacentes) y un material de la fase transición método10,11. Por otra parte, la selección de la estructura y el diseño basado en la aplicación fueron resumidos en el Göktaş y Zaghloul13. Aquí, nos enseña a sintonizar la frecuencia de resonancia de un haz de luz fijo-fijo incrementando el voltaje de DC aplicado al calentador integrado con la ayuda de la LDV. La simulación de elementos finitos (FEM) de análisis está sincronizada con la medición de LDV en el mismo marco para visualizar el mecanismo de ajuste. Esto incluye el julio calefacción y perfil a lo largo de la viga de flexión.
También presentamos las posibles faltas (dispositivos quemados y cohesión) y sus soluciones propuestas. El método en combinación con la alta tensión térmica de la viga fijo-fijo de calefacción de julio ofrece amplia gama de sintonización de frecuencias pero al mismo tiempo puede resultar en dispositivos quemados en un cierto nivel de temperatura. Esto se atribuye a la alta tensión térmica entre diferentes materiales14. La solución es aumentar la tensión entre las dos vigas adyacentes, que a su vez aumenta la gama de ajuste (32%) y elimina la necesidad de alta temperatura. Este método de “ajuste de la gama de adaptación” primero fue demostrado en Göktaş y Zaghloul5, explican con más detalle en Göktaş y Zaghloul13y representado aquí. Cohesión, por otro lado, puede ocurrir durante la operación de fabricación proceso o resonancia. Ha habido muchas técnicas propuestas para abordar este problema como aplicación de recubrimiento para reducir la adherencia energía15,16, aumento de rugosidad de la superficie de17y el láser reparación proceso18. Por el contrario, presentamos una técnica sencilla donde una señal de onda cuadrada de baja frecuencia se aplicó entre dos vigas de atado y la separación fue grabada con éxito por LDV. Este método puede eliminar extra coste y la complejidad del diseño.
Otro paso fundamental en la construcción de un filtro de MEMS de vanguardia es la caracterización y verificación. Caracterización con un analizador de red es uno de los métodos más populares y ampliamente utilizados; sin embargo, tiene algunas desventajas. Capacitancia parásita pequeña puede matar la señal y esto generalmente requiere un amplificador circuito3,6,8 para eliminación de ruido, y sólo pueden detectar primera resonancia del modo. Por otro lado, caracterización con LDV está libre de este problema de capacitancia parásita y puede detectar mucho más pequeño desplazamiento. Esto permite el prototipado rápido, eliminando la necesidad de diseño de amplificadores de. Además, LDV puede detectar mayor resonancia modo de filtros de MEMS. Esta característica es muy prometedor, especialmente en el campo de los biosensores de alta sensibilidad. Un modo de voladizo mayor puede proporcionar mucha más sensibilidad19. La mayor medición de modo de un haz de luz fijo-fijo con LDV se muestra y se aplica a la medida de la Simulación FEM. Los resultados prematuros de la Simulación FEM ofrecen hasta 46 veces mejora en sensibilidad en comparación con el primer modo de la viga fija fija.
Protocol
Representative Results
Discussion
Uno de los pasos críticos en la construcción de filtros de MEMS es diseñar el dispositivo basado en el área de aplicación. La viga debe ser mayor o más fino para templar mejor eficiencia (ppm/mW), pero más cortas y delgadas para la lupulización de frecuencia o señal de aplicaciones de rastreo. De la misma manera, detección de señal clara por LDV es fundamental en el dispositivo de prueba que es por eso que es mejor para el diseño de la viga con al menos 3-4 μm de grosor. De lo contrario la señal de ruido, i…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo fue apoyado por el laboratorio de investigación del ejército de Estados Unidos y Adelphi, MD, Estados Unidos, en Grant W91ZLK-12-P-0447. Se realizaron las mediciones de resonancia con la ayuda de Michael Stone y Anthony Brock. La medición de la cámara térmica se realizó con la ayuda de Damon Conover de la George Washington University.
Materials
| 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).
