Real-Time DC-dinamik Öngerilimlenmesi Yöntem Ciddi Underdamped saçak-alanında Elektrostatik MEMS Eyleyiciler Zaman İyileştirme Anahtarlama
Summary
Doğal, düşük sıkma film sönümleme koşulları ve uzun yerleşme zamanlarda saçak alan elektrostatik MEMS aktüatörler sonuçlarının cihaz sağlam tasarımı, geleneksel adım toplamanın kullanarak geçiş işlemleri yaparken. Arasında geçiş yaparken DC-dinamik dalga ile zaman iyileşme anahtarlama Gerçek-zamanlı saçak-alan yerleşme zamanını azaltır aktüatörler MEMS için aşağı-yukarı ve aşağı-yukarı devletler.
Abstract
Mekanik underdamped elektrostatik saçak alan MEMS aktüatörler iyi bir birim basamak giriş offset gerilimi tepki olarak hızlı anahtarlama işlemi için bilinir. Bununla birlikte, geliştirilmiş performans için anahtarlama takas çeşitli uygulanan voltajlar yanıt olarak her bir boşluk yüksekliğe ulaşmak için nispeten uzun bir yerleşme zamanı. Geçici önyargı dalga yüksek mekanik kalite faktörleri ile elektrostatik saçak alan MEMS aktüatörler için düşük anahtarlama kez kolaylaştırmak için istihdam edilmektedir uygulanır. Düşük mekanik sönüm ortamı gerekir saçaklanma alan çalıştırıcının alt tabakaya etkili bir şekilde çıkarılması oluşturur kavramını test etmek. , Alt katmanın çıkarılması da bir son stiction başarısızlık açısından cihazının güvenilirliğini performansı üzerinde önemli bir gelişme vardır. DC meyil dinamik yerleşme zamanı iyileştirilmesinde yararlı olsa da, tipik bir MEMS elemanları için gerekli dönüş oranları şarj p agresif şartları yerleştirebiliriçin umps on-chip tasarımlar tam entegre. Ayrıca, arka uç-of-line ticari CMOS işlem adımları içine tabaka kaldırma adımı entegre zorluklar olabilir. Geleneksel adım kutuplama sonuçlarına göre fabrikasyon akçuatörlerin Deneysel doğrulama anahtarlama zamanda 50x bir gelişme göstermektedir. Teorik hesaplamalara göre, deney sonuçları iyi bir uyum içindedir.
Introduction
Mikroelektromekanik sistemler (MEMS) mekanik deplasman ulaşmak için çeşitli çalıştırma mekanizmalarının kullanmaktadır. En popüler termal, piezoelektrik, magnetostatik ve elektrostatik. Kısa anahtarlama süre için, elektrostatik tahrik en popüler teknik 1, 2. Uygulamada, eleştirel-sönümlü mekanik tasarımlar, ilk yükselme zamanı ve yerleşme zamanı arasındaki en iyi dengeyi sağlar. DC önyargı uygulayarak ve aşağı açılan elektrot doğru membran basıldıktan sonra, çöktürme zaman oturması ve dielektrik kaplanmış çalıştırma elektrot uyacaktır membran gibi önemli bir sorun değildir. 8 – Çeşitli uygulamalar yukarıda belirtilen elektrostatik harekete tasarım 3 yararlanmıştır. Bununla birlikte, kaplanmış dielektrik açılan elektrot varlığı dielektrik şarj ve stiction için aktüatör duyarlı hale getirir.
MEMS membranlar u kullanabilirnderdamped mekanik tasarım hızlı bir başlangıç yükselme zamanı elde etmek. Bir underdamped mekanik tasarım örneği (Effa) MEMS harekete elektrostatik saçak-alanıdır. Bu topoloji elektrostatik tabanlı tasarımlar 9-20 veba tipik başarısızlık mekanizmalarına çok daha az güvenlik açığı sergiledi. Paralel elektrot ve buna bağlı olarak paralel elektrik alanının olmaması bu MEMS uygun bir şekilde "saçaklanma alan" çalıştırılan (Şekil 1) olarak adlandırılır nedeni budur. Effa tasarım için, açılan elektrot yer alan yanal olarak tamamen cihazın hareket halindeki ve sabit kısımları arasındaki örtüşme ortadan kaldırarak, hareketli zara ofset iki ayrı elektrot ayrılmıştır. Bununla birlikte, hareketli membran altından alt-tabakanın çıkarılması ve böylece önemli ölçüde yerleşme süresini arttırmak komponenti süspansiyon sıkıştırma filmi azaltır. Şekil 2B standar karşılık olarak bir yerine oturma süresi örneğidird adım kutuplama. Geçici veya DC-dinamik yerleşme zamanını 20-26 iyileştirmek için kullanılabilir, gerçek zamanlı olarak ağırlık verme uygulanır. 2C ve 2D niteliksel bir zaman değişen dalga etkili zil iptal nasıl tasvir. Önceki araştırma çabaları anahtarlama süresini artırmak için giriş önyargı hassas voltaj ve zamanlamaları hesaplamak için sayısal yöntemleri kullanmaktadır. Bu çalışmada yöntem giriş offset dalga parametreleri hesaplamak için kompakt kapalı form ifadeler kullanır. Ayrıca, daha önceki iş paralel plaka harekete odaklanmıştır. Underdamped yapılar için tasarlanmış olsa da, sıkıştırma film süspansiyon hala bu konfigürasyonda kullanılabilir. Bu çalışmada sunulan çalıştırma yöntemi, saçak alan tahrik olduğunu. Bu yapılandırmada sıkmak film sönümleme etkili bir şekilde bertaraf edilir. Bu MEMS kirişin mekanik titreşim sönümleme çok düşük olan bir uç örneğini temsil eder. Bu kağıt Effa MEMS dev imal açıklamaktadırbuzlar deneysel dalga kavramını doğrulamak için ölçüm yapmak ve.
Protocol
Representative Results
Discussion
Düşük artık gerilme, Au film kaplama ve 2 XeF sahip kuru bir serbest bırakma cihazının başarılı üretiminde kritik bileşenleridir. Paralel plaka alan işleticiler ile karşılaştırıldığında zaman elektrostatik saçak alan aktüatörler nispeten düşük kuvvetler sağlamak. > 60 MPa, MEMS ince film tipik gerilmeler potansiyel Effa MEMS güvenirlik sağlamak için çok yüksek gerilimlerin tahrik ile sonuçlanacaktır. Bu nedenle dikkatli bir şekilde elektro tarifi düşük ortalama iki-ek…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar yaptığı yardım ve kullanışlı teknik tartışmalar için Ryan Tung teşekkür etmek istiyorum.
Yazarlar ayrıca Birck Nanoteknoloji Merkezi teknik personelin yardım ve destek için teşekkürlerimizi sunarız. Bu çalışma Purdue Mikrodalga Reconfigurable Evanescent-Mod Boşluğuna altında Gelişmiş Savunma Araştırma Projeleri Ajansı tarafından desteklenmiştir Çalışması Filtreler. Ve ayrıca Ödülü Numarası DE-FC5208NA28617 altında Güvenilirlik, Dürüstlük ve Microsystems beka ve Enerji Bölümü Tahmini NNSA Merkezi tarafından. Bu kağıt / sunumda bulunan görünümleri, görüş ve / veya bulgular yazarlar / sunum aittir ve Savunma İleri Araştırma Projeleri Ajansı veya Bölümü, resmi görüş ve politikalarını temsil olarak yorumlanır, örtülü veya açık olmamalıdır Savunma.
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).
