Real-Time DC-dynamique Méthode de sollicitation pour Temps de commutation amélioration de franges champ gravement sous-amorti électrostatiques MEMS Actionneurs
Summary
La conception du dispositif robuste de franges-champ électrostatique actionneurs MEMS résultats dans des conditions d'amortissement retrait films intrinsèquement faible et longs de décantation pour effectuer des opérations de commutation à l'aide de polarisation de l'étape classique. L'amélioration de la commutation du temps avec des formes d'onde DC-dynamiques en temps réel réduit le temps de stabilisation de champ de dispersion MEMS actionneurs lors de la transition entre la mise à bas et terre-à-up États.
Abstract
Mécaniquement MEMS franges de champ électrostatique-sous-amorti actionneurs sont bien connus pour leur opération de commutation rapide en réponse à une tension de polarisation d'entrée en échelon unitaire. Toutefois, le compromis entre les performances de commutation amélioré est un temps relativement long pour atteindre chaque régler la hauteur de la fente en réponse à différentes tensions appliquées. Transitoire appliqué des formes d'onde de polarisation sont utilisés pour faciliter des temps de commutation réduits pour les MEMS électrostatiques franges champ actionneurs présentant des facteurs de qualité mécaniques élevées. Retrait du substrat sous-jacent de l'actionneur champ de dispersion crée l'environnement d'amortissement mécanique faible est nécessaire de tester efficacement le concept. Le retrait du substrat sous-jacent a également une amélioration substantielle du rendement de la fiabilité du dispositif en ce qui concerne une défaillance due à un frottement statique. Bien polarisation DC-dynamique est utile pour améliorer le temps de stabilisation, les vitesses de balayage nécessaires pour les appareils typiques de MEMS peuvent imposer des exigences agressives sur la charge pompes pour entièrement intégrés conceptions sur la puce. En outre, il peut y avoir des défis intégrant l'étape d'élimination du substrat dans les CMOS commerciales étapes d'arrière-plan de ligne de traitement. Validation expérimentale des actionneurs fabriqués démontre une amélioration de 50x en temps de commutation par rapport à l'étape de polarisation des résultats classiques. Par rapport aux calculs théoriques, les résultats expérimentaux sont en bon accord.
Introduction
Systèmes micro-électromécaniques (MEMS) utilisent plusieurs mécanismes d'actionnement de réaliser un déplacement mécanique. Les plus populaires sont, thermique, piézoélectrique, magnétostatique et électrostatique. Pour peu de temps de commutation, actionnement électrostatique est la technique la plus populaire 1, 2. Dans la pratique, la conception mécanique critique amorties offrent le meilleur compromis entre le temps de montée initiale et le temps de stabilisation. Lors de l'application de la polarisation continue et l'actionnement de la membrane vers le bas vers l'électrode déroulant, le temps de stabilisation n'est pas un problème important que la membrane se casser vers le bas et adhérer à l'électrode d'actionnement enduit diélectrique. Plusieurs applications ont bénéficié de la conception d'actionnement électrostatique précitée 3-8. Cependant, la présence de l'électrode revêtue déroulant diélectrique rend l'actionneur sensible à la charge diélectrique et le blocage par adhérence.
Membranes MEMS peuvent utiliser un uconception mécanique nderdamped d'atteindre un temps de montée initiale rapide. Un exemple d'une conception mécanique sous-amorti est le champ de dispersion commande électrostatique (EFFA) MEMS. Cette topologie a exposé beaucoup moins vulnérabilité aux mécanismes de défaillance typiques qui affligent conceptions basées électrostatiques 9-20. L'absence de la contre-électrode parallèle et par conséquent, le champ électrique parallèle est la raison pour laquelle ces MEMS sont appelées de façon appropriée "champ de dispersion" actionné (figure 1). Pour la conception EFFA, l'électrode d'excursion basse est divisée en deux électrodes séparées qui sont disposées décalées latéralement de la membrane mobile, ce qui élimine complètement le chevauchement entre les parties mobiles et fixes du dispositif. Cependant, l'élimination du substrat du dessous de la membrane mobile permet de réduire considérablement le film de compression élément d'amortissement augmentant ainsi le temps de décantation. Figure 2B est un exemple d'un temps de stabilisation en réponse à standard étape de sollicitation. Transitoire, ou DC-dynamique de polarisation appliquées en temps réel peut être utilisé pour améliorer le temps de décantation 20-26. Figures 2C et 2D illustrent qualitativement comment une forme d'onde variant de temps peut effectivement annuler la sonnerie. Efforts de recherche antérieurs utilisent des méthodes numériques pour calculer la tension précise et les horaires de la polarisation d'entrée pour améliorer le temps de commutation. Le procédé utilise dans cet ouvrage compacts expressions de forme fermée pour calculer les paramètres de forme d'onde de polarisation d'entrée. En outre, des travaux antérieurs a porté sur plaques parallèles actionnement. Bien que les structures sont conçues pour être sous-amorti, presser film amortissement est toujours disponible dans cette configuration. La méthode d'actionnement présentée dans ce travail est champ de dispersion actionnement. Dans cette configuration resserrement film amortissement est effectivement éliminé. Il s'agit d'un cas extrême où l'amortissement mécanique de la poutre MEMS est très faible. Cet article décrit comment fabriquer le dev EFFA MEMSglaces et d'effectuer la mesure de valider expérimentalement le concept de forme d'onde.
Protocol
Representative Results
Discussion
Faible contrainte résiduelle Au dépôt du film et une libération sec avec XeF2 sont des éléments gravement à la fabrication réussie de l'appareil. Actionneurs frangeant champ électrostatique fournissent des forces relativement faibles par rapport aux actionneurs terrain à plaques parallèles. MEMS typiques minces contraintes de films> 60 MPa donneront lieu à des tensions élevées de l'entraînement qui peuvent potentiellement compromettre la fiabilité de l'EFFA MEMS. Pour cette rais…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Les auteurs tiennent à remercier Ryan Tung pour son aide et discussions techniques utiles.
Les auteurs souhaitent également souligner l'aide et le soutien du personnel technique Birck Nanotechnology Center. Ce travail a été financé par l'Agence Defense Advanced Research Projects sous la Purdue Micro-ondes reconfigurable évanescent Mode cavité Filtres étude. Et aussi par le Centre de prévision NNSA de la fiabilité, l'intégrité et la survie des microsystèmes et ministère de l'Énergie sous Prix Nombre DE-FC5208NA28617. Les vues, les opinions et / ou les conclusions contenues dans le présent document / présentation sont celles des auteurs / présentateurs et ne doivent pas être interprétées comme représentant l'opinion ou les politiques officielles, explicite ou implicite, de l'Agence pour les projets de recherche avancée de défense ou le ministère de la Défense.
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
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