실시간 DC-동적 바이어스 방법 심각하게 부족 감쇠 프린 징 필드 정전기 MEMS 엑츄에이터에서 시간 개선을 전환하기위한
Summary
본질적으로 낮은 스퀴즈 필름 댐핑 조건으로 긴 정착 시간에 프린 징 필드 MEMS 정전 작동기 결과 견고한 장치 설계는 종래의 공정을 사용하여 바이어스 스위칭 동작을 수행 할 때. 간에 전환 할 때 DC-동적 파형과 시간 개선 스위칭 실시간 언저리 필드의 안정화 시간을 감소 MEMS 액추에이터로 다운 – 업 및 다운으로 가동 상태.
Abstract
기계적으로 부족 감쇠 정전 언저리 필드 MEMS 액추에이터 잘 단위 스텝 입력 바이어스 전압에 응답하여 자신의 고속 스위칭 동작에 공지되어있다. 그러나, 개선 된 스위칭 성능 트레이드 오프는 다양한인가 된 전압에 응답하여 각각의 갭 높이에 도달하는 비교적 긴 안정 시간이다. 과도 바이어스 파형은 높은 기계적 품질 인자 정전 프린 징 필드 MEMS 액추에이터에 대한 스위칭 시간 감소를 용이하게하기 위해 사용된다인가. 낮은 기계적 댐핑 환경이 필요한 프린 징 필드 액츄에이터의 기본 기판을 만듭니다 제거하면 효과적으로 개념을 테스트합니다. 하부 기판의 제거는 또한 스틱 션에 의한 고장에 관해서 장치의 신뢰성 성능에 상당한 향상을 갖는다. DC 바이어스가 동적 안정 시간을 개선하는데 유용하지만, 전형적인 MEMS 장치를위한 필요한 슬 루율 전하 P 공격적인 요구를 게재에 대한 umps는 온 – 칩 디자인을 완벽하게 통합. 또한, 백 – 엔드 – 오브 – 라인 광고 CMOS 처리 단계로, 기판 제거 공정을 통합하는 문제가있을 수있다. 종래의 단계 부세 결과에 비해 제조의 액추에이터 실험 검증은 스위칭 시간에서의 50X 개선을 보여준다. 이론적 인 계산과 비교하여, 실험 결과는 잘 일치하는 것을 알 수 있었다.
Introduction
마이크로 전자 기계 시스템 (MEMS)의 기계적 변위를 달성하기 위해 여러 가지 작동 메커니즘을 이용한다. 가장 인기있는 열, 압전, 정 자기 및 정전기입니다. 짧은 전환 시간의 경우, 정전 작동 가장 인기있는 기술 1, 2입니다. 실제로, 비판적으로 댐핑 기계 설계 초기 상승 시간과 정착 시간의 최고의 타협을 제공합니다. DC 바이어스를인가하고 풀다운 전극쪽으로 막을 작동시, 안정화 시간은 아래로 스냅 유전체 코팅 된 작동 전극에 부착되는 막과 같은 심각한 문제가 아니다. 8 – 여러 응용 프로그램은 상기 정전 작동 디자인 3에서 혜택을. 그러나, 유전체 코팅 풀다운 전극의 존재는 유전체 충전 및 스틱 션에 액츄에이터 예민한 만든다.
MEMS 막은 U 활용할 수nderdamped 기계 설계는 초기 빠른 상승 시간을 달성하기 위해. 부족 감쇠 기계 설계의 예는 (EFFA) MEMS 작동 정전 언저리 필드이다. 이 토폴로지는 정전 기반 설계 9-20을 괴롭히는 전형적인 고장 메커니즘에 훨씬 적은 취약점을 전시하고있다. 평행 한 대향 전극 및 그에 평행 전기장의 부재는 이러한 MEMS 적절히 "프린 징 필드"작동 (도 1)라고하는 이유이다. EFFA 디자인, 풀다운 전극이 위치하는 측 방향으로 완전하게 장치의 가동과 고정 부분 사이의 오버랩을 없애 이동 막으로 오프셋되어 두 개의 전극들로 분할된다. 그러나, 가동 막 아래로부터 기판을 제거함으로써 상당히 안정 시간을 증가 성분을 감쇠 스퀴즈 필름을 줄인다.도 2b는 STANDAR에 응답하여 정착 시간의 예D 단계 바이어스. 일시, 또는 DC-동적 안정 시간 20-26을 향상하는 데 사용될 수있는 실시간 바이어스인가. 2C 및 2D는 질적 시변 파형 효과적으로 울림을 취소 할 수있는 방법을 도시한다. 이전 연구 노력은 스위칭 시간을 개선하기 위해, 입력 바이어스 전압과 정확한 타이밍을 계산하기 위해 수치 적 방법을 활용한다. 이 연구에있어서, 상기 입력 바이어스 파형 파라미터를 계산하도록 콤팩트 폐쇄 형태 표현들을 사용한다. 또한, 이전의 작품은 평행 판 작동에 초점을 맞추었다. 구조가 부족 감쇠 할 수 있도록 설계되어 있지만, 스퀴즈 필름 댐핑은 여전히이 구성에서 사용할 수 있습니다. 이 연구에서 제시된 구동 방법은 프린 징 필드 액츄이다. 이 구성에서 스퀴즈 필름 댐핑이 효과적으로 제거된다. 이것은 MEMS 빔의 기계적 감쇠가 매우 낮은 극단적 인 경우를 나타낸다. 이 논문은 EFFA MEMS 데브을 제조하는 방법에 대해 설명합니다빙과 실험적 파형 개념의 유효성을 검사 할 수있는 측정을 수행합니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
낮은 잔류 응력의 Au 막을 증착하고 XEF 2 건조 방출 장치의 성공적인 제조에 결정적 요소이다. 평행 판들 액츄에이터에 비해 정전 프린 징 필드 액추에이터는 비교적 낮은 힘을 제공한다. > 60 MPA는 일반적인 MEMS 박막의 응력은 잠재적으로 EFFA MEMS의 신뢰성을 손상시킬 수 과도하게 높은 구동 전압 발생합니다. 이 때문에 전기 제조법 신중 낮은 BI-축 평균 응력 박막을 수득하는 것을 특징으…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
저자는 자신의 지원 및 유용한 기술 토론 라이언 퉁을 감사드립니다.
저자는 또한 Birck 나노 기술 센터 기술 직원의 도움과 지원을 인정하고 싶습니다. 이 작품은 퍼듀 마이크로 웨이브 재구성 소멸 모드 캐비티에서 방위 고등 연구 기관에 의해 지원되었다가 연구를 필터링합니다. 또한 보너스 번호 DE-FC5208NA28617에서 신뢰성, 무결성 및 마이크로 시스템즈의 생존과 에너지 부 예측의 NNSA 센터에 의해. 이 논문 / 프리젠 테이션에 포함 된 뷰, 의견 및 / 또는 연구 결과는 저자 / 발표자의 견해이며, 방위 고등 연구 기관 또는 부서의 공식적인 견해 나 정책을 나타내는 것으로 해석, 묵시적인 수 없습니다 국방.
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).
