Real-Time DC-dinámico Método de polarización de conmutación Tiempo Mejoras en Severamente Subamortiguado Fleco campo electrostático MEMS actuadores
Summary
El diseño robusto dispositivo de franja de campos electrostáticos actuadores MEMS resultados en condiciones de amortiguación de compresión de película inherentemente bajos y largos tiempos de sedimentación cuando se realizan operaciones de conmutación que utilizan polarización paso convencional. Conmutación mejora el tiempo con formas de onda DC-dinámicos en tiempo real reduce el tiempo de establecimiento de franjas de campo MEMS actuadores de paso de una puesta al abajo y abajo-a-arriba estados.
Abstract
Mecánicamente MEMS electrostático franja de campo Subamortiguado actuadores son bien conocidos por su operación de conmutación rápida en respuesta a una tensión de polarización de entrada escalón unitario. Sin embargo, la desventaja para el rendimiento de la conmutación mejorado es un tiempo relativamente largo para llegar a la solución de cada altura de vacío en respuesta a diversos voltajes aplicados. Transitoria aplicada se emplean ondas de polarización para facilitar tiempos de conmutación reducidas para electrostáticas MEMS franja de campo actuadores con factores mecánicos de alta calidad. Extracción del sustrato subyacente del actuador franja de campo crea el entorno de baja amortiguación mecánica necesaria para probar de manera efectiva el concepto. La eliminación del sustrato subyacente también tiene una mejora sustancial en el rendimiento de fiabilidad del dispositivo en cuanto a fallo debido a la fricción estática. Aunque polarización DC-dinámico es útil para mejorar el tiempo de asentamiento, las velocidades de respuesta requeridos para los dispositivos típicos de MEMS pueden colocar requisitos agresivos en el cargo pumps para totalmente integrados diseños en el chip. Además, puede haber desafíos que integran la etapa de eliminación del sustrato en los pasos de procesamiento CMOS comerciales back-end de línea. Validación experimental de actuadores fabricados demuestra una mejora de 50x en tiempo de conmutación cuando se compara a los resultados del paso de desviación convencionales. En comparación con los cálculos teóricos, los resultados experimentales están en buen acuerdo.
Introduction
Sistemas microelectromecánicos (MEMS) utilizan varios mecanismos de actuación para lograr el desplazamiento mecánico. Los más populares son térmico, piezoeléctrico, magnetostática y electrostática. Por corto tiempo de conmutación, activación electrostática es la técnica más popular 1, 2. En la práctica, los diseños mecánicos críticamente amortiguados-ofrecen el mejor compromiso entre tiempo de subida inicial y el tiempo de establecimiento. Al aplicar la polarización de CC y el accionamiento de la membrana hacia el electrodo desplegable, el tiempo de establecimiento no es un problema importante ya que la membrana se ajustará hacia abajo y se adhieren al electrodo de accionamiento recubierto dieléctrico. Varias aplicaciones se han beneficiado con el diseño de actuación electrostática mencionado 3-8. Sin embargo, la presencia del electrodo desplegable revestida dieléctrico hace que el actuador susceptible a la carga dieléctrica y la fricción estática.
Membranas MEMS pueden utilizar una underdamped diseño mecánico para lograr un tiempo de subida inicial rápida. Un ejemplo de un diseño mecánico subamortiguado es el halo-campo electrostático accionado (EFFA) MEMS. Esta topología ha mostrado mucho menos vulnerabilidad a los mecanismos de falla típicos que afectan a los diseños basados electrostáticas 9-20. La ausencia del electrodo contador en paralelo y en consecuencia el campo eléctrico paralelo es por qué estos MEMS están apropiadamente llamados "halo-campo" accionado (Figura 1). Para el diseño EFFA, el electrodo desplegable se divide en dos electrodos separados que se colocan desplazado lateralmente a la membrana en movimiento, eliminando por completo el solapamiento entre las partes móviles y estacionarias del dispositivo. Sin embargo, la eliminación del sustrato de debajo de la membrana móvil reduce significativamente la película de compresión de amortiguación componente que aumenta el tiempo de establecimiento. Figura 2B es un ejemplo de el tiempo de establecimiento en respuesta a standard paso de desviación. Transitorio, o DC-dinámico de empuje aplicadas en tiempo real se puede utilizar para mejorar el tiempo de establecimiento 20-26. Figuras 2C y 2D ilustran cualitativamente cómo una forma de onda variando el tiempo puede cancelar eficazmente el zumbido. Los esfuerzos de investigación anteriores utilizan métodos numéricos para calcular la tensión precisa y tiempos de la polarización de entrada para mejorar el tiempo de conmutación. El método en este trabajo utiliza expresiones de forma cerrada compactos para calcular los parámetros de forma de onda de polarización de entrada. Además, el trabajo previo se centró en la placa de accionamiento paralelo. Mientras que las estructuras están diseñadas para ser subamortiguado, amortiguación de compresión de película está disponible en esta configuración. El método de actuación se presenta en este trabajo es que franja campo de actuación. En esta configuración de amortiguación de compresión de película se elimina de manera efectiva. Esto representa un caso extremo en que la amortiguación mecánica del haz de MEMS es muy bajo. Este artículo describe cómo fabricar el dev EFFA MEMShielos y realizar la medición para validar experimentalmente el concepto de forma de onda.
Protocol
Representative Results
Discussion
Baja tensión residual Au deposición de la película y una liberación en seco con XeF 2 son componentes críticos en la fabricación exitosa del dispositivo. Actuadores franja de campos electrostáticos proporcionan fuerzas relativamente bajas en comparación con los impulsores de campo de placas paralelas. MEMS típicas tensiones de película delgada de> 60 MPa darán lugar a tensiones de activación excesivamente altos que potencialmente pueden poner en peligro la fiabilidad de EFFA MEMS. Por esta raz?…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Los autores desean agradecer a Ryan Tung por su asistencia y discusiones técnicas útiles.
Los autores también desean agradecer la ayuda y el apoyo del personal técnico Birck Centro de Nanotecnología. Este trabajo fue apoyado por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa bajo la Purdue Microondas Reconfigurable evanescente-Mode Cavidad Filtros Estudio. Y también por el Centro de Predicción de la NNSA fiabilidad, integridad y supervivencia de Microsystems y el Departamento de Energía bajo Premio número DE-FC5208NA28617. Los puntos de vista, opiniones y / o conclusiones contenidas en este documento / presentación son las de los autores / presentadores y no deben interpretarse como representación de los puntos de vista ni las políticas oficiales, ya sea expresa o implícita, de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa o el Departamento de Defensa.
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 |
Referenzen
- 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).
