في الوقت الحقيقي DC-ديناميكية لتبديل طريقة يتحامل تحسين الوقت في Underdamped بشدة التهديب الميدان كهرباء MEMS المحركات
Summary
تصميم جهاز قوي من الميدان التهديب كهرباء النتائج المحركات MEMS في انخفاض ضغط بطبيعتها فيلم التخميد الظروف والأوقات تسوية طويلة عند تنفيذ عمليات التحويل باستخدام التقليدية خطوة يتحامل. في الوقت الحقيقي التحويل التحسن الوقت مع الطول الموجي DC-ديناميكية يقلل من الوقت تسوية من الميدان التهديب ممس المحركات عند الانتقال بين ما يصل إلى أسفل وأسفل إلى فوق الدول.
Abstract
ميكانيكيا وMEMS كهرباء الميدان التهديب underdamped المحركات معروف جيدا لعملية التحول السريعة في الرد على خطوة وحدة التحيز مساهمة الجهد. ومع ذلك، فإن المفاضلة لتحسين الأداء والتحول هي فترة تسوية طويلة نسبيا للوصول إلى كل ارتفاع الفجوة في الاستجابة لمختلف الفولتية المطبقة. تطبيق عابرة يعملون الطول الموجي التحيز لتسهيل انخفاض مرات التبديل للكهرباء MEMS الميدان التهديب مع المحركات عالية الجودة العوامل الميكانيكية. إزالة الركيزة الأساسية لالمحرك الميدان التهديب يخلق بيئة منخفضة التخميد الميكانيكية اللازمة لاختبار فعالية هذا المفهوم. إزالة الركيزة الأساسية أيضا لديه تحسن كبير على أداء موثوقية الجهاز في ما يخص فشل بسبب stiction. على الرغم من أن يتحامل DC-الديناميكي مفيد في تحسين وقت تسوية، فإن معدلات عدد كبير مطلوب لأجهزة MEMS نموذجية قد يضع متطلبات العدوانية بتهمة صلUMPS على رقاقة تصاميم متكاملة. بالإضافة إلى ذلك، قد تكون هناك تحديات دمج إزالة خطوة الركيزة في الخلفية من خط-CMOS التجارية تجهيز الخطوات. التحقق التجريبي من المحركات ملفقة يدل على تحسين 50X في وقت التحول بالمقارنة مع خطوة يتحامل النتائج التقليدية. بالمقارنة مع الحسابات النظرية، فإن النتائج التجريبية هي في اتفاق جيد.
Introduction
أنظمة ميكانيكية إلكترونية صغيرة (MEMS) تستخدم عدة آليات لتحقيق يشتغل النزوح الميكانيكية. الأكثر شعبية هي الحراري، كهرضغطية، magnetostatic، والكهرباء. لمرة والتبديل قصيرة، يشتغل كهرباء هو الأسلوب الأكثر شعبية 1، 2. في الممارسة العملية، التصاميم الميكانيكية ثبط حاسمة من تقديم أفضل حل وسط بين الأولي وقت صعود والوقت تسوية. علي تطبيق التحيز العاصمة والمشغلات غشاء أسفل نحو القطب المنسدلة، والوقت ليس تسوية قضية هامة مثل الغشاء سوف المفاجئة إلى أسفل والتمسك عازلة المغلفة يشتغل القطب. وقد استفاد العديد من التطبيقات من المذكور كهرباء تصميم يشتغل 3-8. ومع ذلك، وجود عازل المغلفة القطب المنسدلة يجعل المحرك عرضة للشحن عازلة وstiction.
يمكن الأغشية MEMS على الاستفادة شالتصميم الميكانيكي nderdamped لتحقيق ارتفاع الوقت الأولي سريع. مثال على التصميم الميكانيكي underdamped هو كهرباء الميدان التهديب دفعتها (ايفا) MEMS. هذا الهيكل وقد عرضت أقل بكثير من التعرض للآليات الفشل النموذجية التي تصيب التصاميم كهرباء مقرها 9-20. غياب القطب المضاد الموازي وبالتالي الحقل الكهربائي الموازي هو لماذا تسمى هذه MEMS مناسب "التهديب الميدان" دفعتها (الشكل 1). لتصميم ايفا، يتم تقسيم القطب المنسدلة إلى قطبين منفصلة التي يتم وضع موازنة أفقيا إلى غشاء المتحرك، والقضاء تماما على التداخل بين الأجزاء المتحركة والثابتة للجهاز. ومع ذلك، فإن إزالة الركيزة من تحت غشاء المنقولة يقلل بشكل ملحوظ من ضغط التخميد الفيلم المكون مما يزيد من وقت التسوية. الشكل 2B مثال من الوقت تسوية ردا على القياسيهد خطوة يتحامل. عابرة، أو DC-ديناميكية تطبيق يتحامل في الوقت الحقيقي يمكن استخدامها لتحسين وقت تصفية 20-26. أرقام 2C و 2D توضيح كيف نوعيا الموجي متفاوتة الوقت يمكن أن تلغي فعالية رنين. الجهود البحثية السابقة تستخدم الطرق العددية لحساب الجهد وتوقيت دقيق للانحياز مدخلات لتحسين وقت التبديل. الأسلوب في هذا العمل يستخدم تعبيرات المدمجة شكل مغلق لحساب المعلمات الموجي التحيز الإدخال. بالإضافة إلى ذلك، ركز على العمل السابق مواز لوحة يشتغل. في حين تم تصميم الهياكل أن underdamped، ضغط فيلم التخميد لا تزال متاحة في هذا التكوين. طريقة يشتغل المقدمة في هذا العمل هو يشتغل الميدان التهديب. في هذا التكوين هو القضاء على نحو فعال ضغط فيلم التخميد. هذا يمثل حالة متطرفة حيث التخميد الميكانيكية من الحزم MEMS منخفض جدا. توضح هذه الورقة كيف لافتعال ديف ايفا MEMSالثلوج وإجراء قياس للتحقق من صحة تجريبيا مفهوم الموجي.
Protocol
Representative Results
Discussion
انخفاض الإجهاد المتبقي الاتحاد الافريقي ترسب الفيلم وبيان الجاف مع XeF 2 من العناصر حاسمة في تصنيع ناجح للجهاز. توفر كهرباء المحركات الميدان التهديب قوات منخفضة نسبيا إذا ما قورنت موازية لوحة المحركات المجال. سوف MEMS نموذجية الضغوط رقيقة من> 60 ميجا باسكال يؤدي ف…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
الكتاب أود أن أشكر ريان تونغ لله المساعدة والمناقشات التقنية المفيدة.
يرغب الكتاب أيضا أن نعترف المساعدة والدعم من الجهاز الفني مركز Birck تقنية النانو. وأيد هذا العمل من قبل وكالة مشاريع أبحاث الدفاع المتقدمة تحت بوردو الميكروويف اعادة التشكيل زائل-الوضع تجويف فلاتر دراسة. وأيضا عن طريق مركز إدارة الأمن النووي من التنبؤ الموثوقية والنزاهة والبقاء من مايكروسيستمز وزارة الطاقة في إطار جائزة رقم DE-FC5208NA28617. وجهات النظر والآراء والنتائج أو / الواردة في هذه الورقة / العرض هي آراء المؤلفين / العروض، وينبغي ألا تفسر على أنها تمثل وجهات نظر أو سياسات الرسمية، إما صراحة أو ضمنا، من وكالة مشاريع أبحاث الدفاع المتقدمة أو وزارة الدفاع.
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 |
References
- 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).
