Design en karakterisatie methodologie voor efficiënte Wide Range afstembare MEMS Filters
Summary
Een protocol voor een vaste-fixed beam-ontwerpen met behulp van een laser Doppler vibrometer (LDV), met inbegrip van de meting van de frequentie afstemmen, wijziging van tuning mogelijkheden, en het vermijden van apparaatfout en stiction, wordt gepresenteerd. De superioriteit van de LDV-methode over de netwerkanalyse blijkt toe te schrijven aan zijn hogere modus vermogen.
Abstract
Hier tonen we de voordelen van de laser Doppler vibrometer (LDV) over conventionele technieken (de netwerkanalyse), evenals de technieken voor het maken van een filter programma’s gebaseerde microschakelaars systems (MEMS) en hoe het te gebruiken efficiënt) dat wil zeggen, tuning de tuning-mogelijkheid en vermijden van zowel mislukking en stiction). LDV kunt cruciale metingen die onmogelijk met de netwerkanalyse, zoals hogere modus detectie (hooggevoelige biosensor toepassing) en resonantie meting voor zeer kleine apparaten (snelle prototyping). Dienovereenkomstig, LDV werd gebruikt voor het karakteriseren van de tuning frequentiebereik en de resonantiefrequentie bij verschillende takken van de MEMS geluidsfilters voor deze studie. Dit breed scala frequentie tuning mechanisme berust gewoon op Joule verwarming van de ingesloten verwarmers en relatief hoge thermische stress met betrekking tot de temperatuur van een vaste-vaste bundel. We tonen echter aan dat een andere beperking van deze methode is de resulterende hoge thermische stress, die de apparaten kunt branden. Verdere verbetering was bereikt en weergegeven voor de eerste keer in deze studie, zodanig dat de tuning vermogen steeg met 32% door een toename van de toegepaste bias gelijkspanning (25 V tot en met 35 V) tussen de twee aangrenzende balken. Deze belangrijke bevinding elimineert de noodzaak voor de extra Joule Verwarming op de bredere tuning frequentiebereik. Een andere mogelijke mislukking is door middel van stiction en eis van de optimalisering van de structuur: stellen wij voor een eenvoudige en gemakkelijke techniek van lage frequentie blokgolf signaal toepassing die met succes de balken kunt scheiden en elimineert de noodzaak voor de meer verfijnde en ingewikkelde methoden gegeven in de literatuur. De bovenstaande bevindingen vereisen een Ontwerpmethodologie en dus bieden wij ook een programma’s gebaseerde ontwerp.
Introduction
Er is een groeiende vraag naar MEMS filters vanwege hun hoge betrouwbaarheid, lage machtsconsumptie, compact ontwerp, factor van hoge kwaliteit en lage kosten. Ze worden veel gebruikt als sensoren en als belangrijkste delen in draadloze communicatie. Temperatuur sensoren1, biosensoren2,3, gas-sensoren4,6,7van de5,van de filters en oscillatoren zijn de populairste toepassingsgebieden. De meest populaire elektrostatische MEMS-filters zijn vaste-fixed beam5,8, cantilever2, stemvork6, gratis-gratis beam6,7, buigsterkte-schijf ontwerp7, en vierkant ontwerp9.
Er zijn vele kritische stappen bij het realiseren van een MEMS-filter, zoals Ontwerpmethodologie (programma’s gebaseerde structuur optimalisatie, breed scala frequentie afstelling van bereik, en het vermijden van fouten) en karakterisering (snelle prototyping, vermijden van parasitaire capacitances, en detectie hogere modi). Frequentie afstemming van de capaciteit is vereist om te compenseren voor elke frequentie veranderingen als gevolg van fabricage toleranties, of variaties van de omgevingstemperatuur. 11,12 van de10,van de verschillende technieken zijn gemeld in de literatuur inspelen op deze eis; zij hebben echter een aantal nadelen zoals beperkte frequentie tuning mogelijkheden, lage center frequentie, extra nabewerking eisen, en externe kachel10,11.
In deze studie presenteren we breed scala frequentie afstemming door de Joule verwarming methode5,13 over een beperkte frequentie bereik via een elasticiteitsmodulus tuning wijzigen12 (verhoging van de bias gelijkspanning tussen twee aangrenzende balken) en een materiaal fase overgang methode10,11. Bovendien, de selectie van de optimale structuur en het ontwerp programma’s gebaseerde werden samengevat in Göktaş en Zaghloul13. Hier, laten we het afstellen van de resonantiefrequentie van een vaste-fixed beam doordat de DC spanning toegepast op de ingesloten kachel met de hulp van de LDV. De simulatie van eindige elementen analyse (FEM) wordt gesynchroniseerd met de LDV meting in hetzelfde frame ter wille van het visualiseren van de tuning mechanisme. Het gaat hierbij om de Joule verwarming en profiel gedurende de lichtbundel buigen.
Ook presenteren we de mogelijke storingen (verbrande apparaten en stiction) en de voorgestelde oplossingen. De Joule verwarming methode in combinatie met de hoge thermische belasting van de vaste-vaste lichtbundel biedt breed scala frequentie afstemming maar tegelijkertijd kan leiden tot verbrande apparaten op een bepaalde temperatuur-niveau. Dit wordt toegeschreven aan de hoge thermische stress tussen verschillende materialen14. De oplossing is om de DC-spanning tussen de twee aangrenzende balken, die op zijn beurt verhoogt de tuning bereik (32%), en elimineert de noodzaak voor hoge temperaturen. Deze methode van “tuning de tuning-range” was eerst aangetoond in Göktaş en Zaghloul5, meer uitvoerig toegelicht in Göktaş en Zaghloul13en opnieuw hier gepresenteerd. Stiction, aan de andere kant, kan plaatsvinden tijdens het fabricage proces of resonantie. Er zijn vele technieken voorgesteld om aan te pakken dit probleem zoals het toepassen van de oppervlaktelaag hechting energie15,16, toenemende oppervlakteruwheid17, en de laser reparatie proces18te verminderen. In tegenstelling, presenteren we een eenvoudige techniek waar een lage frequentie blokgolf signaal werd toegepast tussen twee aangesloten balken en de scheiding werd met succes opgenomen door LDV. Deze methode kan elimineren extra kosten en verminderen van de complexiteit van het ontwerp.
Een andere kritische stap in het opbouwen van een ultramoderne MEMS filter is karakterisering en controle. Karakterisering met een netwerkanalyse is een van de meest populaire en meest gebruikte methoden; het heeft echter een aantal nadelen. Zelfs kleine parasitaire capaciteit kan het doden van het signaal en dus dit meestal een versterker circuit3,6,8 voor lawaai wegnemen vereist, en het kan alleen de eerste modus resonantie detecteren. Aan de andere kant, karakterisering met LDV is vrij van dit probleem parasitaire capaciteit, en veel kleinere verplaatsing kan detecteren. Hierdoor is snelle prototyping, terwijl eliminerend de behoefte aan ontwerp van de versterker. Bovendien kan LDV hogere modus resonantie van MEMS filters detecteren. Deze functie is zeer veelbelovend, vooral op het gebied van hooggevoelige biosensoren. Een hogere ‘ Freischwinger ‘-modus kan bieden veel meer gevoeligheid19. De hogere modus meting van een vaste-vaste bundel met LDV is aangetoond en toegepast op FEM simulatie meting. De vroegtijdige resultaten van de simulatie van de FEM bieden tot 46 keer verbetering in gevoeligheid t.o.v. de eerste modus van de lichtbundel vast-vast.
Protocol
Representative Results
Discussion
Een van de kritische stappen voor het bouwen van MEMS filters is het ontwerpen van het apparaat op basis van de module. De lichtbundel moet langer of dunner voor beter afstemmen efficiëntie (ppm/mW), maar korter of dunner voor frequentie hoppen of signaal traceringstoepassingen. Op dezelfde manier is duidelijk signaal detectie via LDV kritisch in apparaat testen en daarom is het beter om het ontwerp van de lichtbundel met ten minste 3-4 µm dikte. Anders is het signaal zal worden luidruchtig, zelfs met een 100 X lens, e…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door het US Army Research Laboratory, Adelphi, MD, USA, onder Grant W91ZLK-12-P-0447. De resonantie-metingen werden uitgevoerd met de hulp van Michael Stone en Anthony Brock. De meting van de thermische camera werd uitgevoerd met behulp van Damon Conover van de George Washington Universiteit.
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 |
Referenzen
- 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).
