تصميم وتوصيف المنهجية لمرشحات ممس الانضباطي كفاءة واسعة النطاق
Summary
ويرد على بروتوكول لتصميم شعاع ثابت ثابت باستخدام فيبروميتير دوبلر ليزر (لدف)، بما في ذلك قياس تردد ضبط، تعديل ضبط القدرة، وتجنب فشل الجهاز وستيكشن،. ويتجلى تفوق الأسلوب LDV عبر محلل الشبكة نظراً لقدرتها على وضع أعلى.
Abstract
هنا، علينا أن نبرهن مزايا فيبروميتير دوبلر الليزر (لدف) على التقنيات التقليدية (محلل الشبكة)، فضلا عن التقنيات اللازمة لإنشاء عامل تصفية الكهروميكانيكية القائم على تطبيق نظم (MEMS) وكيفية استخدامها (كفاءة أي، وضبط ضبط-القدرة على تجنب الفشل وستيكشن). LDV تمكن القياسات الحاسمة التي من المستحيل مع محلل شبكة اتصال، مثل الكشف عن وضع أعلى (biosensor حساسة للغاية تطبيق) وقياس الرنين لأجهزة صغيرة جداً (سرعة النماذج). وبناء على ذلك، استخدمت LDV لوصف نطاق ضبط تردد وتردد صدى في أوضاع مختلفة من المرشحات ممس بني لهذه الدراسة. هذه الآلية ضبط تردد واسعة النطاق يستند ببساطة جول تدفئة من سخانات المضمنة والإجهاد الحراري عالية نسبيا فيما يتعلق بدرجة حرارة شعاع ثابت ثابت. ومع ذلك، نحن تبين أن قيد آخر لهذا الأسلوب الإجهاد الحراري العالية الناتجة عن ذلك، التي يمكن حرق الأجهزة. تحقيق المزيد من التحسين وسيظهر للمرة الأولى في هذه الدراسة، بحيث أن القدرة على ضبط قد ازداد بنسبة 32% من خلال زيادة التطبيقية DC التحيز الجهد (25 الخامس إلى 35 الخامس) بين الدعامات المجاورة اثنين. هذا الاستنتاج الهام يلغي الحاجة إلى الجول إضافية تدفئة في أوسع نطاق ضبط التردد. فشل محتمل آخر من خلال ستيكشن ومتطلبات الهيكل الأمثل: نقترح تقنية بسيطة وسهلة التطبيق إشارة مربع موجه الترددات المنخفضة التي يمكن بنجاح فصل الحزم ويلغي الحاجة للمزيد أساليب متطورة ومعقدة في الأدب. النتائج المشار إليها أعلاه تتطلب منهجية تصميم، وحتى نوفر أيضا تصميم على أساس التطبيق.
Introduction
وهناك طلب متزايد على مرشحات ممس نظراً للموثوقية العالية، وانخفاض استهلاك الطاقة، تصميم مضغوط، عامل الجودة العالية، ومنخفضة التكلفة. أنها تستخدم على نطاق واسع كأجهزة الاستشعار والأجزاء الأساسية في مجال الاتصالات اللاسلكية. درجة الحرارة أجهزة الاستشعار1وأجهزة الاستشعار الحيوي2،3والغاز-أجهزة الاستشعار4، مرشحات5،،من67والتذبذب هي مجالات التطبيق الأكثر شعبية. مرشحات ممس الالكتروستاتيكي الأكثر شعبية هي شعاع ثابت ثابت5،8، ناتئ2، شوكة رنانة6، شعاع الحرة–الحرة6،7،7من تصميم العاطفة القرص، و تصميم مربع الشكل9.
هناك العديد من الخطوات الحاسمة في تحقيق عامل تصفية ممس، مثل منهجية تصميم (الهيكل القائم على التطبيق الأمثل، ونطاق التردد ضبط النطاق، وتجنب الفشل) ووصف (النماذج بسرعة، وتجنب الطفيلية كاباسيتانسيس، والكشف عن أوضاع أعلى). تردد ضبط القدرة مطلوب للتعويض عن أي تغييرات التردد بسبب تلفيق التحمل، أو تغيرات درجة الحرارة المحيطة. وأبلغ تقنيات مختلفة10،،من1112 في الأدب ولتلبية هذا المطلب؛ ومع ذلك، لديهم بعض العيوب مثل محدودية التردد ضبط القدرة، مركز منخفضة التردد، ومعالجة الاحتياجات وسخان خارجي10،11وظيفة إضافية.
في هذه الدراسة نقدم ضبط تردد واسعة النطاق خلال الجول تدفئة أسلوب5،13 على تردد محدودة ضبط النطاق عن طريق معامل مرونة تغيير12 (زيادة الجهد DC التحيز بين الدعامات المجاورة اثنين) مواد المرحلة الانتقالية الأسلوب10،11. وعلاوة على ذلك، أوجزت اختيار أفضل هيكل وتصميم على أساس التطبيق في Göktaş وزغلول13. هنا، نحن إظهار كيفية ضبط تردد صدى شعاع ثابت–الثابتة بزيادة الجهد DC المطبقة على سخان المضمنة مع المساعدة من لدف. تتم مزامنة المحاكاة (FEM) تحليل عنصر محدود بقياس لدف في نفس الإطار من أجل تصور إليه ضبط. ويشمل هذا الجول التدفئة والانحناء الشخصية في جميع أنحاء الشعاع.
ونقدم أيضا حالات الفشل المحتملة (أجهزة محترقة وستيكشن) والحلول المقترحة لها. الجول تدفئة الأسلوب في تركيبة مع الإجهاد الحراري عالية من شعاع ثابت ثابت يوفر ضبط تردد واسعة النطاق ولكن في الوقت نفسه يمكن أن ينتج أجهزة محترقة في درجة حرارة معينة. وهذا يعزى إلى الإجهاد الحراري عالية بين مختلف المواد14. الحل هو أن زيادة الجهد DC بين الحزم المتاخمة اثنين، الذي بدوره يزيد من نطاق الموالفة (بنسبة 32 في المائة)، ويلغي الحاجة لدرجة حرارة عالية. أولاً كان على هذا الأسلوب “ضبط نطاق ضبط” تظاهروا في Göktaş وزغلول5، أوضح بمزيد من التفصيل في Göktaş وزغلول13، وإعادة المقدمة هنا. ستيكشن، من ناحية أخرى، يمكن أن يحدث أثناء عملية تلفيق عملية أو الرنين. وهناك العديد من الأساليب المقترحة لمواجهة هذه المشكلة، مثل تطبيق طلاء السطح لتقليل التصاق الطاقة15،16وزيادة خشونة السطح17عملية إصلاح الليزر18. وفي المقابل، فإننا نقدم تقنية بسيطة حيث تم تطبيق إشارة مربع موجه تردد المنخفض بين اثنين من الحزمة المرفقة وتم بنجاح تسجيل الفصل قبل LDV. ويمكن القضاء على هذا الأسلوب تكلفة إضافية وتقليل تعقيد التصميم.
آخر خطوة ذات أهمية حاسمة في بناء عامل تصفية ممس الدولة من فن هو توصيف والتحقق. توصيف مع محلل شبكة اتصال واحد من الأساليب الأكثر شعبية وتستخدم على نطاق واسع؛ ومع ذلك، فإنه لديه بعض العيوب. السعة الطفيلية الصغيرة حتى يمكن أن تقتل الإشارة، وحيث أن هذا يتطلب عادة مكبر للصوت دائرة3،،من68 للقضاء على الضوضاء، ويمكن الكشف عن فقط الأولى وضع الرنين. من ناحية أخرى، وصف مع LDV خالية من هذه المسألة السعة الطفيلية، ويمكن الكشف عن الكثير من التشرد أصغر. وهذا يتيح النماذج بسرعة، مع التخلص من الحاجة إلى تصميم مكبر للصوت. وعلاوة على ذلك، يمكن اكتشاف LDV صدى وضع أعلى من مرشحات ممس. هذه الميزة واعدة جداً، لا سيما في مجال أجهزة الاستشعار الحساسة للغاية. يمكن أن توفر طريقة ناتئ أعلى أكثر حساسية19. قياس وضع أعلى من شعاع ثابت ثابت مع LDV ويرد وتطبيقها لقياس محاكاة فيم. توفر نتائج سابقة لأوانها من محاكاة فيم تحسن يصل إلى 46 مرات في حساسية مقارنة بوضع أول شعاع ثابت ثابت.
Protocol
Representative Results
Discussion
إحدى الخطوات الحاسمة في بناء المرشحات ممس تصميم الجهاز استناداً إلى مجال التطبيق. الشعاع ينبغي أن تكون أطول أو أرق لضبط كفاءة (جزء في المليون/ميغاواط)، لكن أقصر أو أرق لتردد التنقل أو إشارة تتبع تطبيقات أفضل. بنفس الطريقة، الكشف عن إشارة واضحة عن طريق LDV الحاسمة في جهاز الاختبار الذي هو الس?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وأيد هذا العمل “مختبر أبحاث الجيش الأمريكي”، اديلفي، ماريلاند، الولايات المتحدة الأمريكية، تحت W91ZLK المنحة-12-P-0447. وقد أجريت قياسات الرنين بمساعدة مايكل ستون وأنطوني بروك. وأجرى قياس الكاميرا الحرارية بمساعدة Conover ديمون من جامعة جورج واشنطن.
Materials
| Laser Doppler Vibrometer | Polytec | Polytec MSA-500 | |
| Scanning Electron Microscope | Zeiss | ||
| Thermal Camera | X | ||
| Power Supply | Egilent | (E3631A) | |
| Microscope | X | ||
| Coventor | Coventor | Simulation Tool | |
| Cadence Virtuoso | Cadence | Simulation Tool | |
| Multisim | Multisim | Simulation Tool |
References
- Göktaş, H., Turner, K., Zaghloul, M. Enhancement in CMOS-MEMS Resonator for High Sensitive Temperature Sensing. IEEE Sensors J. 17 (3), 598-603 (2017).
- Davila, A. P., Jang, J., Gupta, A. K., Walter, T., Aronson, A., Bashir, R. Microresonator mass sensors for detection of Bacillus anthracis Sterne spores in air and water. Biosens. Bioelectron. 22 (12), 3028-3035 (2007).
- Lee, J., et al. Suspended microchannel resonators with piezoresistive sensors. Lab Chip. 11 (4), 645-651 (2011).
- Arash, H., Pourkamali, S. Fabrication and Characterization of MEMS-Based Resonant Organic Gas Sensors. IEEE Sensors J. 12 (6), 1958-1964 (2012).
- Göktaş, H., Zaghloul, M. Tuning In-Plane Fixed-Fixed Beam Resonators with Embedded Heater in CMOS Technology. IEEE Electron Device Lett. 36 (2), 189-191 (2015).
- Li, C. S., Hou, L. J., Li, S. S. Advanced CMOS-MEMS Resonator Platform. IEEE Electron Device Lett. 33 (2), 272-274 (2012).
- Li, M. H., Chen, W. C., Li, S. S. Mechanically Coupled CMOS-MEMS Free-Free Beam Resonator Arrays With Ehanced Power Handling Capability. IEEE Trans. Ultrason. Ferroelect. Freq. Control. 59 (3), 346-357 (2012).
- Lopez, J. L., et al. A CMOS-MEMS RF-Tunable Bandpass Filter Based on Two High-Q 22-MHz Polysilicon Clamped-Clamped Beam Resonators. IEEE Electron Device Lett. 30 (7), 718-720 (2009).
- Khine, L., Palaniapan, M. High-Q bulk-mode SOI square resonator with straight-beam anchors. J. Micromech. Microeng. 19 (1), (2009).
- Manca, N., et al. Programmable mechanical resonances in MEMS by localized joule heating of phase change materials. Adv. Mater. 25 (44), 6430-6435 (2013).
- Rúa, A., et al. Phase transition behavior in microcantilevers coated with M1-phase VO2 and M2-phase VO2:Cr thin films. J. Appl. Phys. 111 (10), 104502 (2012).
- Remtema, T., Lin, L. Active frequency tuning for micro resonators by localized thermal stressing effects. Sens. Actuators A, Phys. 91 (3), 326-332 (2001).
- Göktaş, H., Zaghloul, M. The Implementation of Low Power and Wide Tuning Range MEMS filters for Communication Applications. Radio Sci. 51 (10), 1636-1644 (2016).
- Göktaş, H., Zaghloul, M. The Novel Microhotplate: A Design Featuring Ultra High Temperature, Ultra Low Thermal Stress, Low Power Consumption and Small Response Time. Sensor Comm. , (2013).
- Kushmerick, J. G., et al. The influence of coating structure on micromachine stiction. Tribol Lett. 10 (1), (2001).
- Kim, J. M., et al. Continuous anti-stiction coatings using self-assembled monolayers for gold microstructures. J. Micromech. Microeng. 12 (5), 688-695 (2002).
- Bhattacharya, E., et al. Effect of porous silicon formation on stiction in surface micromachined MEMS structures. Phys. Stat. Sol. (A). 202 (8), 1482-1486 (2005).
- Koppaka, S. B., Phinney, L. M. Release Processing Effects on Laser Repair of Stiction-Failed Microcantilevers. J. Microelectromech. Syst. 14 (2), 410-418 (2005).
- Ghatkesar, M. K., et al. Higher modes of vibration increase mass sensitivity in nanomechanical microcantilevers. Nanotechnology. 18 (44), 445502 (2007).
- Göktaş, H., Mona, Z. High Sensitivity CMOS Portable Biosensor with Flexible Microfluidic Integration. IEEE SENSORS. , (2013).
