Tasarım ve karakterizasyon yöntemleri verimli geniş sıra Tunable MEMS filtreler için
Summary
Tuning, tuning yeteneklilik ve kaçınma aygıt hatası ve stiction, değişiklik frekans ölçümü de dahil olmak üzere bir lazer Doppler vibrometer (LDV), kullanarak sabit-sabit ışın dizaynı için bir protokol sunulmuştur. LDV yöntemi ağ Çözümleyicisi üzerinde üstünlüğü nedeniyle daha yüksek modu kapasitesini gösterilmiştir.
Abstract
Burada, biz göstermek lazer Doppler vibrometer (LDV) avantajları geleneksel teknikleri (ağ Çözümleyicisi) yanı sıra bir uygulama tabanlı mikroelektromekanik sistemler (MEMS) filtresi ve nasıl verimli bir şekilde kullanmak () oluşturmak için teknikler Yani, ayarlama yeteneği ayarlama ve başarısızlık ve stiction kaçınarak). LDV daha yüksek modu algılama (son derece hassas Biyoalgılayıcı uygulaması) ve rezonans ölçüm için çok küçük cihazlar (hızlı prototipleme) gibi ağ çözümleyicisi ile imkansız çok önemli ölçümleri sağlar. Buna göre LDV frekans ayar aralığı ve bu çalışma için inşa MEMS filtreleri farklı mod frekansta rezonans karakterize etmek için kullanıldı. Bu geniş frekans ayarlama mekanizması sadece katıştırılmış ısıtıcılar ve nispeten yüksek termal stres ile ilgili bir sabit-sabit ışın sıcaklığını Isıtma Joule temel alır. Ancak, bu yöntemin başka sınırlama belgili tanımlık aygıt-ebilmek yanmak elde edilen yüksek termal stres, olduğunu göstermektedir. Daha fazla iyileşme elde ve ayarlama becerisini iki bitişik kirişler arasında uygulanan DC önyargı voltaj (25 V 35 V) bir artış ile 32 oranında artış olmuştur öyle ki bu çalışmada ilk kez gösterilen. Bu önemli bulgu daha geniş frekans ayar aralığı Isıtma ilave Joule gereksinimini ortadan kaldırır. Başka bir olası stiction ve yapısını en iyi duruma getirme gerekliliğini başarısızlıktır: basit ve kolay tekniği başarıyla kirişler ayırabilirsiniz ve daha ortadan kaldırır düşük frekans kare dalga sinyali uygulamanın önerdiğimiz literatürde verilen gelişmiş ve karmaşık yöntemler. Yukarıdaki bulgular bir tasarım metodolojisi gerektirebilir ve bu yüzden de bir uygulama tabanlı tasarım sağlar.
Introduction
MEMS filtreleri nedeniyle onların yüksek güvenilirlik, düşük güç tüketimi, kompakt tasarımı, yüksek kalite faktörü ve düşük maliyet için büyüyen bir talep vardır. Bunlar yaygın olarak sensörleri ve kablosuz iletişim çekirdek bölümleri olarak kullanılır. Sıcaklık sensörleri1, biyo-sensörler2,3, gaz-sensörler4, filtreler5,6,7ve osilatörler en popüler uygulama alanları vardır. En popüler Elektrostatik MEMS filtreleri olan sabit-sabit ışın5,8, konsol2, tuning çatal6, ücretsiz-ücretsiz ışın6,7, bükülme disk tasarım7, ve kare şekli tasarım9.
Tasarım Metodolojisi (yapı uygulama tabanlı en iyi duruma getirme, geniş frekans ayarlama aralığı ve hataları önleme) ve karakterizasyonu (hızlı prototipleme paraziter kaçınarak, gibi bir MEMS filtre fark birçok kritik adım vardır capacitances ve saptamak daha yüksek modları). Yeteneği ayarlama frekans frekans değişiklikleri imalat toleransları veya ortam sıcaklığı farklılıklar nedeniyle telafi etmek için gereklidir. Farklı teknikler10,11,12 bu gereksinime yönelik olarak literatürde rapor; Ancak, sınırlı frekans ayarlama yeteneği, düşük Merkezi frekans, ek post işleme gereksinimleri ve dış ısıtıcı10,11gibi bazı dezavantajları var.
Bu çalışmada biz mevcut geniş frekans Joule tarafından ayarlama ayarlama aralığı bir elastik modül ile sınırlı bir frekans üzerinde yöntem5,13 Isıtma (DC önyargı voltaj iki bitişik kirişler arasında artan)12 değiştirmek ve bir malzeme faz geçiş yöntemi10,11. Ayrıca, en uygun yapısı seçimi ve uygulama tabanlı tasarım Göktaş ve Zaglul13‘ te özetlenebilir. İşte, katıştırılmış ısıtıcı yardımıyla LDV, uygulanan DC gerilimi artırarak bir sabit-sabit ışını rezonans frekansını ayarlamak nasıl göstermektedir. Sonlu elemanlar analizi (FEM) simülasyon LDV ölçüm ayarlama mekanizması görselleştirme uğruna aynı çerçevede eşitlenir. Bu Isıtma ve ışın boyunca profil bükme Joule içerir.
Biz de olası hataları (yanmış aygıtlar ve stiction) ve önerilen çözümleri sunuyoruz. Yöntem yüksek termal stres ile birlikte sabit-sabit ışının Isıtma Joule geniş frekans ayarlama sağlar ama aynı zamanda belirli bir sıcaklık düzeyde yanmış cihazlar neden olabilir. Bu farklı malzeme14arasında yüksek termal stres atfedilir. Hangi sırayla ayar aralığı (%32) artırır ve yüksek sıcaklık ortadan kaldırır iki bitişik kirişler arasında DC gerilimi artırmak için çözümdür. Bu “ayarlama ayarlama aralığı” yöntemi ilk Göktaş ve Zaglul5‘ te gösterilen, Göktaş ve Zaglul13‘ te daha ayrıntılı olarak açıklandığı ve burada yeniden sunulan. Stiction, öte yandan, üretim süreci veya rezonans işlemi sırasında yer alabilir. Birçok teknik yüzey kaplama yapışma enerji15,16, artan yüzey pürüzlülüğü17ve lazer onarım süreci18azaltmak için uygulama gibi bu sorunu çözmek için önerilen oldu. Buna ek olarak, biz nerede düşük frekans kare dalga sinyali arasında iki ekli kiriş uygulandı ve ayırma başarıyla LDV tarafından kaydedildi basit bir teknik mevcut. Bu yöntem ortadan kaldırabilir ekstra maliyet ve tasarım karmaşıklığı azaltmak.
Bir sanat devlet MEMS filtre binada başka bir önemli adım karakterizasyonu ve doğrulama gereğidir. Bir ağ çözümleyicisi ile karakterizasyonu en popüler ve yaygın olarak kullanılan yöntemlerden biridir; Bununla birlikte, bunun bazı dezavantajları vardır. Hatta küçük parazit kapasite sinyal öldürebilir ve bu genellikle gürültü eleme için bir amplifikatör devre3,6,8 gerektirir ve bu sadece ilk modu rezonans algılayabilir. Öte yandan, karakterizasyonu LDV ile bu parazit kapasitans sorundan ücretsizdir ve çok daha küçük deplasman algılayabilir. Bu hızlı prototipleme, ayrıcılıklarına olan gereksinimi amplifikatör tasarım sağlar. Ayrıca, LDV MEMS filtre daha yüksek modu rezonans algılayabilir. Bu özellik çok umut verici, son derece hassas biyosensörler alanında özellikle. Daha yüksek bir konsol modu çok daha fazla duyarlılık19sağlayabilir. Bir sabit-sabit ışın LDV ile daha yüksek modu ölçümü gösterildiği ve FEM simülasyon ölçüm için uygulanmıştır. FEM simülasyon erken sonuçlarından en çok 46 kez iyileştirme sabit-sabit ışın ilk moduna göre duyarlılık sunuyoruz.
Protocol
Representative Results
Discussion
MEMS filtreleri binada önemli adımlardan birini uygulama alana dayalı aygıt tasarlamaktır. Işın için daha ince veya daha uzun olması daha iyi verimlilik (ppm/mW), ama daha kısa veya daha ince frekans atlamalı veya sinyal izleme uygulamaları için ayarlama. Aynı şekilde, net sinyal algılama LDV üzerinden en az 3-4 µm kalınlık ile ışın tasarlamak iyidir bu yüzden test aygıtı önemlidir. Aksi takdirde sinyal gürültülü olacak, hatta 100 X mercek ve birden çok nokta (LDV yazılım gömülü) gür…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu eser ABD Ordu Araştırma Laboratuvarı, Adelphi, MD, ABD, Grant W91ZLK-12-P-0447 altında tarafından desteklenmiştir. Rezonans ölçümleri Michael Stone ve Anthony Brock yardımıyla yapılmıştır. Termal Kamera ölçüm George Washington Üniversitesi’nden Damon Conover yardımıyla yapılmıştır.
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).
