Summary

Real-Time DC-dynamische Biasing Methode voor het omschakelen Tijd Verbetering Ernstig Underdamped Fringing-veld elektrostatische MEMS Aandrijvingen

Published: August 15, 2014
doi:

Summary

Het robuuste apparaat ontwerp van fringing-veld elektrostatische MEMS actuatoren resultaten in inherent lage squeeze-film demping omstandigheden en lange afwikkeling keer bij het uitvoeren van schakelingen met behulp van conventionele stap voorspanning. Real-time schakeltijd verbetering met DC-dynamische golfvormen vermindert de afwikkeling van de tijd van fringing-veld MEMS aandrijvingen bij de overgang tussen de up-to-down en down-to-up toestanden.

Abstract

Mechanisch underdamped elektrostatische fringing-veld MEMS actuatoren staan ​​bekend om hun snelle schakeling in reactie op een eenheid stap input bias spanning. Echter, het nadeel van de verbeterde prestaties schakelen een relatief lange stabilisatietijd elke opening lengte in reactie op verschillende aangelegde spanningen bereikt. Voorbijgaande toegepast vooringenomenheid golfvormen worden gebruikt om een ​​beperkte tijden schakelen voor elektrostatische fringing-veld MEMS aandrijvingen met een hoge mechanische kwaliteit factoren te vergemakkelijken. Het verwijderen van de onderliggende substraat van de fringing-veld actuator creëert het lage mechanische demping omgeving nodig zijn om effectief te testen van het concept. De verwijdering van het onderliggende substraat heeft een aanzienlijke verbetering van de betrouwbaarheid uitvoering van de inrichting met betrekking tot falen door kleven. Alhoewel DC-dynamische vertekenende is nuttig bij het verbeteren insteltijd, kunnen de vereiste slew bekijken van typische MEMS agressieve eisen aan de lading p plaatsenumps voor volledig geïntegreerde on-chip ontwerpen. Bovendien kunnen er problemen integreren substraatverwijdering stap in de commerciële CMOS bewerkingsstappen back-end-of-line. Experimentele validatie van gefabriceerde actuatoren toont een verbetering van 50x in schakeltijd vergelijking met conventionele stap vertekenende resultaten. In vergelijking met theoretische berekeningen, de experimentele resultaten zijn in goede overeenstemming.

Introduction

Micro-elektromechanische systemen (MEMS) gebruiken verscheidene bedieningsmechanismen mechanische verplaatsing bereiken. De meest populaire zijn de thermische, piëzo-elektrische, magnetostatische, en elektrostatische. Voor korte schakeltijden, elektrostatische bediening is de meest populaire techniek 1, 2. In de praktijk kritisch gedempte mechanische vormgeving levert het beste compromis tussen de initiële stijging van de tijd en de afwikkeling van de tijd. Bij het toepassen van de DC bias en het bedienen van het membraan naar beneden richting het pull-down elektrode, de afwikkeling van de tijd is niet een belangrijke kwestie als het membraan zal naar beneden breken en zich te houden aan de diëlektrische gecoate bediening elektrode. Diverse toepassingen hebben geprofiteerd van de eerder genoemde elektrostatische bediening ontwerp 3-8. De aanwezigheid van de diëlektrische beklede pull-down elektrode maakt actuator gevoelig diëlektrische laden en kleven.

MEMS membranen kan een u gebruik maken vannderdamped mechanisch ontwerp van een snelle initiële stijging van de tijd te bereiken. Een voorbeeld van een underdamped mechanisch ontwerp is het elektrostatische veld-randen geactiveerd (EFFA) MEMS. Deze topologie heeft tentoongesteld veel minder kwetsbaarheid voor typische faalmechanismen dat elektrostatische gebaseerde ontwerpen 9-20 teisteren. De afwezigheid van de parallelle tegenelektrode en daarmee het elektrische veld parallel is waarom deze MEMS passende "kleurranden-field" geactiveerd (figuur 1) worden genoemd. Voor het ontwerp EFFA, wordt het pull-down elektrode gesplitst in twee afzonderlijke elektroden die geplaatst zijdelings worden gecompenseerd om de bewegende membraan, het volledig afschaffen van de overlap tussen de beweegbare en stationaire onderdelen van het apparaat. De verwijdering van het substraat onder het beweegbare membraan vermindert de squeeze film demping component waardoor de afwikkeling van tijd toeneemt. Figuur 2B is een voorbeeld van de afwikkeling van de tijd in reactie op stand stap voorspanning. Voorbijgaande of DC-dynamische toegepast vertekenende in real-time kan worden gebruikt om de afwikkeling van de tijd 20-26 verbeteren. Figuren 2C en 2D kwalitatief illustreren hoe een tijdsafhankelijke golfvorm effectief annuleren beltoon. Eerder onderzoek inspanningen gebruiken numerieke methodes om precieze spanning en tijdstippen van de input bias berekenen de schakeltijd verbeteren. De methode in dit werk gebruikt compacte gesloten vorm uitdrukkingen aan de input bias golfvorm parameters te berekenen. Daarnaast eerdere werkzaamheden gericht op parallelle plaat bediening. Terwijl de structuren zijn ontworpen om te worden underdamped, squeeze-film demping is nog beschikbaar in deze configuratie. De bediening methode die in dit werk is fringing-gebied bedienen. In deze configuratie squeeze-film demping wordt effectief geëlimineerd. Dit is een extreem geval waarbij de mechanische demping van de MEMS bundel laag. Dit document beschrijft hoe u de EFFA MEMS dev fabricerenconsumptie-ijs en het uitvoeren van de meting om experimenteel te valideren de golfvorm concept.

Protocol

1 Fabrication van EFFA MEMS vaste vaste Balken (Zie Figuur 3 voor Samengevat Process) UV-lithografie en chemische nat etsen van siliciumdioxide met gebufferd fluorwaterstofzuur (LET OP 27). Gebruik een geoxideerde lage weerstand siliciumsubstraat. Vul een bekerglas met aceton 28 (genoeg om het monster onderdompelen), plaats het monster in de aceton gevulde beker, en ultrasone trillingen gedurende 5 minuten in een waterbad sonicator. Zonder drogen, het monster…

Representative Results

De opstelling in figuur 4 wordt gebruikt om de vervorming versus tijd kenmerken van de MEMS bruggen vangen. Via de laser doppler vibrometer in de continue meetmodus De precieze spanning en tijd parameters resulteerde in een minimale bundel oscillatie van de gewenste spleethoogte. Figuur 5 illustreert een voorbeeld balkdoorbuiging overeenkomt met de 60 V spleethoogte. Het blijkt dat vrijwel al het oscillatie wordt verwijderd. Niet alleen is de dynamische golfvorm bruikbaar voor een splee…

Discussion

Lage restspanning Au film depositie en een droge release met XeF2 zijn kritische componenten in de succesvolle vervaardiging van de inrichting. Elektrostatische fringing-veld actuators bieden relatief lage krachten in vergelijking met parallelle plaat veld actuatoren. Typische MEMS dunne film stress van> 60 MPa zal resulteren in een te hoge rijden spanningen die mogelijk kunnen afbreuk doen aan de betrouwbaarheid van EFFA MEMS. Daarom elektrolytische recept nauwkeurig gekarakteriseerd een dunne film opleve…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

De auteurs willen Ryan Tung bedanken voor zijn hulp en nuttige technische discussies.

De auteurs willen ook de hulp en ondersteuning van de technische staf Birck Nanotechnology Center erkennen. Dit werk werd ondersteund door het Defense Advanced Research Projects Agency onder de Purdue Magnetron Herconfigureerbare Evanescent-modus Cavity Filters Study. En ook door NNSA Center van Voorspelling van betrouwbaarheid, integriteit en de overlevingskansen van Microsystems en het ministerie van Energie onder Award Aantal DE-FC5208NA28617. De standpunten, meningen en / of bevindingen die in deze paper / presentatie zijn die van de auteurs / presentatoren en dient niet te worden geïnterpreteerd als de officiële mening of het beleid, noch uitdrukkelijk noch impliciet, van de Defense Advanced Research Projects Agency of de afdeling van Defensie.

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

  1. Rebeiz, G. . RF MEMS: Theory, Design, and Technology. , (2003).
  2. Senturia, S. D. . Microsystem Design. , (2001).
  3. Bouchaud, J. . Propelled by HP Inkjet Sales, STMicroelectronics Remains Top MEMS Foundry. , (2011).
  4. 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).
  5. Bosch-Wachtel, T. . Knowles Ships 2 Billionth SiSonic MEMS Microphone. , (2011).
  6. Burke, J. . Mirasol Display Capabilities Add Color and Interactivity to Improve User Experience for Renowned Jin Yong Branded Device. , (2012).
  7. Bettler, D. . MEMStronics Captures Prestigious R & D 100 Award. , (2011).
  8. Marsh, C. . Omron Releases New RF MEMS Switch with Superior High Frequency Characteristics rated to 100 Million Operations. , (2008).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. Small, J., et al. Electrostatic fringing field actuation for pull-in free RF-MEMS analog tunable resonators. J. Micromech. Microeng. 22, 095004 (2012).
  15. Su, J. . A lateral-drive method to address pull-in failure in MEMS. , (2008).
  16. Scott, S., Peroulis, D. A capacitively-loaded MEMS slot element for wireless temperature sensing of up to 300°C . , 1161-1164 (2009).
  17. Scott, S., Sadeghi, F., Peroulis, D. Inherently-robust 300C MEMS sensor for wireless health monitoring of ball and rolling element bearings. , 975-978 (2009).
  18. Lee, K. B. Non-contact electrostatic microactuator using slit structures: theory and a preliminary test. J. Micromech. Microeng. 17, 2186-2196 (2007).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. 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).
  26. 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).
  27. . . Transene Sulfite Gold TSG-250. Product Number: 110-TSG-250. , (2012).
  28. . . Gold etchant type TFA. Product Number: 060-0015000. , (2012).
  29. Garg, A., Small, J., Mahapatro, A., Liu, X., Peroulis, D. Impact of sacrificial layer type on thin film metal residual stress. , 1052-1055 (2009).

Play Video

Cite This Article
Small, J., Fruehling, A., Garg, A., Liu, X., Peroulis, D. Real-Time DC-dynamic Biasing Method for Switching Time Improvement in Severely Underdamped Fringing-field Electrostatic MEMS Actuators. J. Vis. Exp. (90), e51251, doi:10.3791/51251 (2014).

View Video