Design en karakterisatie methodologie voor efficiënte Wide Range afstembare MEMS Filters

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, biosensoren^2,3, gas-sensoren⁴,^6,7van de^5,van de filters en oscillatoren zijn de populairste toepassingsgebieden. De meest populaire elektrostatische MEMS-filters zijn vaste-fixed beam^5,8, cantilever², stemvork⁶, gratis-gratis beam^6,7, 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 de^10,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 kachel^10,11.

In deze studie presenteren we breed scala frequentie afstemming door de Joule verwarming methode^5,13 over een beperkte frequentie bereik via een elasticiteitsmodulus tuning wijzigen¹² (verhoging van de bias gelijkspanning tussen twee aangrenzende balken) en een materiaal fase overgang methode^10,11. 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 energie^15,16, 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 circuit^3,6,8 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.