Design och karakterisering metod för effektiv Wide Range avstämbara MEMS filter
Summary
Ett protokoll för en fast-fast beam design använder en laser Doppler vibrometer (LDV), inklusive mätning av frekvens tuning, modifiering av tuning förmåga, och undvikande av enhetsfel och stiction, presenteras. Överlägsenheten av metoden LDV över nätanalysator demonstreras på grund av dess högre mode förmåga.
Abstract
Här, demonstrera vi fördelarna med laser Doppler vibrometern (LDV) över konventionella tekniker (den network analyzer), as well as teknikerna för att skapa en ansökan-baserade mikroelektromekaniska system (MEMS) filter och hur man använder det effektivt) dvs, tuning tuning-kapaciteten och undvika både misslyckande och stiction). LDV möjliggör avgörande mätningar som är omöjligt med network analyzer, såsom högre läge detektering (mycket känsliga biosensor application) och resonans mätning för mycket små enheter (snabba prototyper). Följaktligen användes LDV att karakterisera trim frekvensområde och resonansfrekvensen vid olika lägen av MEMS filtren byggd för denna studie. Denna rad frekvens trim mekanism baseras helt enkelt på Joule värme från inbäddade värmare och relativt hög termisk stress med avseende på temperaturen av en fast-fast beam. Vi visar dock att en annan begränsning med denna metod är den resulterande hög termiska stress, som kan bränna enheterna. Ytterligare förbättringar var uppnåtts och visas för första gången i denna studie, så att funktionen trim ökade med 32% genom en ökning av den tillämpade DC bias spänningen (25 V 35 V) mellan två angränsande balkar. Denna viktiga slutsats eliminerar behovet av extra Joule värme på bredare trim frekvensområdet. Ett annat möjligt misslyckande är genom stiction och kravet på struktur optimering: föreslår vi en enkel och lätt teknik av lågfrekventa fyrkantsvåg-signal program som framgångsrikt kan separata balkar och eliminerar behovet av mer sofistikerad och komplicerade metoder som anges i litteraturen. Ovanstående slutsatser nödvändiggör en designmetodik, och så ger vi också en ansökan-baserad design.
Introduction
Det finns en växande efterfrågan på MEMS filter på grund av deras hög tillförlitlighet, låg strömförbrukning, kompakt design, hög kvalitetsfaktor och låg kostnad. De används som sensorer och som viktiga delar inom trådlös kommunikation. De mest populära tillämpningsområdena är temperatur sensorer1, bio-sensorer2,3, gas-sensorer4, filter5,6,7och oscillatorer. De mest populära elektrofilter MEMS är fast-fast beam5,8, fribärande2, stämgaffel6, gratis-free beam6,7, böj-disk design7, och fyrkantig form design9.
Det finns många kritiska steg för att förverkliga en MEMS filter, såsom designmetodik (-baserade program struktur optimering, brett utbud frekvens tuning utbud och undvika fel) och karakterisering (snabba prototyper, undvika parasitsjukdomar kapacitanser och upptäcka högre lägen). Frekvens tuning förmåga krävs för att kompensera för eventuella frekvens förändringar på grund av fabrication toleranser eller omgivande temperaturvariationer. Olika tekniker10,11,12 har rapporterats i litteraturen att ta itu med detta krav; de har dock vissa nackdelar såsom begränsad frekvens tuning förmåga, låg mittfrekvensen, ytterligare efterbearbetning krav och externa värmare10,11.
I denna studie presenterar vi brett utbud frekvensinställning av Joule värme metod5,13 över en begränsad frekvens tuning utbud via en elasticitetsmodul ändra12 (öka den DC bias spänningen mellan två angränsande balkar) och en material fas övergången metod10,11. Dessutom resumerades valet optimal struktur och design-baserade program i Göktaş och Zaghloul13. Här visar vi hur man stämmer en fast-fast beam resonansfrekvens genom att öka den DC-spänning tillämpas på inbäddade värmaren med hjälp av LDV. Finita element analys (FEM) simulering är synkroniserad med LDV mätningen i samma ram för skull visualisera trim mekanismen. Detta inkluderar Joule värme och bockning profil i hela balken.
Vi presenterar också de möjliga misslyckanden (brända enheter och stiction) och deras förslag till lösningar. Joule värme metod i kombination med hög termisk stress av fast-fast balken ger brett utbud frekvensinställning men samtidigt kan resultera i brända enheter vid en viss temperatur. Detta tillskrivs hög termisk stress mellan olika material14. Lösningen är att öka DC spänningen mellan två angränsande balkar, vilket i sin tur ökar inställningsområdet (med 32%), och eliminerar behovet av hög temperatur. Denna ”tuning tuning-intervallet” metod var först visat i Göktaş och Zaghloul5, förklaras i detalj i Göktaş och Zaghloul13och åter presenteras här. Stiction, däremot, kan äga rum under åtgärden fabrication process eller resonans. Det har förekommit många tekniker föreslog att lösa detta problem såsom ytbehandlar beläggning för att minska vidhäftning energi15,16, ökande ytjämnhet17och laser reparation processen18. Däremot presenterar vi en enkel teknik där en låg frekvens Kvadrera vinkar signalerar tillämpades mellan två bifogade balkar och separation spelades framgångsrikt av LDV. Denna metod kan eliminera extra kostnad och minska design komplexiteten.
En annan avgörande steg i att bygga en toppmodern MEMS filter är karakterisering och verifiering. Karakterisering med en nätanalysator är en av de mest populära och mest använda metoderna. Det har dock vissa nackdelar. Även små parasitiska kapacitans kan döda signalen och så detta kräver oftast en förstärkare krets3,6,8 för buller eliminering, och den kan endast upptäcka första läget resonans. Däremot, karakterisering med LDV är fri från problemet parasitiska kapacitans och kan upptäcka mycket mindre deplacement. Detta möjliggör snabb prototyping, samtidigt som eliminerar behovet av förstärkare design. LDV kan dessutom upptäcka högre läge resonans av MEMS filter. Denna funktion är mycket lovande, särskilt inom känsliga biosensorer. En högre cantilever-läge kan ge mycket mer känslighet19. Högre läge mätning av en fast-fast balk med LDV visas och tillämpas på FEM simulering mätning. För tidig resultaten från de FEM-simuleringen erbjuder upp till 46 gånger förbättring i känslighet jämfört med det första läget av fast-fast balken.
Protocol
Representative Results
Discussion
En av de kritiska steg i byggnad MEMS filter är att utforma enheten baserat på området. Balken ska vara längre eller tunnare för bättre stämmande effektivitet (ppm/mW), men kortare eller tunnare för hoppfrekvens eller signal spårningsprogram. På samma sätt är tydlig signal upptäckt via LDV kritisk i enhetstestning varför det är bättre att designa balken med minst 3-4 µm tjocklek. Annars signalen kommer vara bullrig, även med en 100 X objektiv, och det tar flera punkter testning med buller eliminering (i…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöds av US Army Research Laboratory, Adelphi, MD, USA, under Grant W91ZLK-12-P-0447. Resonans mätningarna genomfördes med hjälp av Michael Stone och Anthony Brock. Värmekamera mätning genomfördes med hjälp av Damon Conover från George Washington University.
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).
