Méthodologie de conception et caractérisation pour filtres MEMS Tunable efficace Wide Range

Il y a une demande croissante pour les filtres de MEMS en raison de leur haute fiabilité, faible consommation, design compact, facteur de qualité élevé et faible coût. Ils sont largement utilisés comme capteurs et éléments essentiels dans la communication sans fil. Capteurs de température¹, bio-capteurs^2,3, capteurs de gaz⁴, filtres^5,6,7et oscillateurs sont les domaines d’application les plus populaires. Les plus populaires filtres électrostatiques de MEMS sont faisceau fixe-fixe^5,8, cantilever², Diapason⁶, libre-libre faisceau^6,7, flexion disques⁷, et conception de forme carrée⁹.

Il y a plusieurs étapes cruciales dans la réalisation d’un filtre de MEMS, tels que la méthodologie de conception (optimisation de la structure axée sur la demande, large gamme de fréquence de syntonisation étendue et en évitant les échecs) et caractérisation (prototypage rapide, évitant les parasites capacitances et detection des modes plus élevés). Syntonisation de capacité est nécessaire pour compenser tout changement de fréquence en raison des tolérances de fabrication, ou des variations de la température ambiante. Différentes techniques^10,11,,¹² ont été rapportées dans la littérature pour répondre à ces besoins ; Toutefois, ils ont quelques inconvénients tels que la fréquence limitée tuning capacité, fréquence basse centrale, post-traitement supplémentaire aux exigences et chauffage externe^10,11.

Dans cette étude nous présentons éventail réglage de fréquence par le Joule méthode^5,13 de chauffage sur une fréquence limitée de syntonisation étendue via un module d’élasticité variation¹² (augmentant la tension de polarisation DC entre deux faisceaux adjacents) et un matériel de phase transition méthode^10,11. En outre, le choix de la structure optimale et la conception axée sur la demande ont été résumées dans Göktaş et zakaria¹³. Ici, nous montrons comment accorder la fréquence de résonance d’un faisceau fixe-fixe en augmentant la tension appliquée à l’appareil de chauffage incorporé à l’aide de la LDV. La simulation (MEF) l’analyse par éléments finis est synchronisée avec la mesure de LDV dans le même cadre, dans un souci de visualisation du mécanisme de réglage. Cela inclut le Joule chauffage et cintrage profil tout au long de la poutre.

Nous présentons aussi les échecs possibles (dispositifs brûlés et prismatique) et les solutions proposées. Le Joule méthode en association avec le stress thermique élevée du faisceau fixe-fixe de chauffage fournit des réglage de fréquence large éventail mais en même temps peut entraîner des dispositifs brûlés à un certain niveau de température. Ceci est attribué au stress thermique élevé entre différents matériaux¹⁴. La solution consiste à augmenter la tension entre les deux faisceaux adjacents, qui à son tour augmente la portée de réglage (32 %) et élimine le besoin de haute température. Cette méthode « mise au point la gamme tuning » a été tout d’abord démontrée dans Göktaş et zakaria⁵, expliquée en détail dans Göktaş et zakaria¹³et re-présentée ici. Prismatique, en revanche, peut avoir lieu pendant l’opération de résonance ou de processus de fabrication. Il y a eu beaucoup de techniques proposées pour traiter ce problème comme l’application de revêtement de surface pour réduire l’adhérence énergie^15,16, croissant de rugosité de surface¹⁷et le laser réparation processus¹⁸. En revanche, nous présentons une technique simple où un signal carré de basse fréquence a été appliqué entre deux faisceaux ci-jointe et la séparation a été enregistrée avec succès par LDV. Cette méthode permet d’éliminer extra coût et réduire la complexité de la conception.

Une autre étape essentielle dans la construction d’un filtre de MEMS de pointe est la caractérisation et la vérification. Qualification avec un analyseur de réseau est une des méthodes plus populaires et largement utilisés ; Toutefois, il a quelques inconvénients. Même une petite capacité parasite peut tuer le signal et donc cela nécessite généralement un amplificateur circuit^3,6,8 pour l’élimination du bruit, et il peut seulement détecter la première résonance de mode. En revanche, la caractérisation avec LDV est exempt de cette question de la capacité parasite et peut détecter beaucoup plus petite cylindrée. Cela permet le prototypage rapide, tout en éliminant la nécessité pour la conception de l’amplificateur. En outre, LDV peut détecter la résonance mode supérieure de filtres MEMS. Cette fonctionnalité est très prometteuse, en particulier dans le domaine des biocapteurs très sensibles. Un mode supérieur de porte-à-faux peut fournir beaucoup plus de sensibilité¹⁹. La mesure supérieure de mode d’un faisceau fixe-fixe avec LDV est indiquée et appliquée au mesurage de simulation de MEF. Les résultats prématurées de la simulation de MEF offrent jusqu’à 46 fois amélioration de sensibilité par rapport au premier mode du faisceau fixe-fixe.