עיצוב, אפיון מתודולוגיה למסננים Tunable MEMS יעיל לטווח רחב
Summary
פרוטוקול עבור עיצוב קרן קבועה-קבוע באמצעות של לייזר דופלר ממדי רטט (LDV), כולל את המדידה של תדירות כוונון, שינוי של כוונון יכולת, והימנעות של כשל בהתקן, stiction, מוצג. העליונות של השיטה LDV מעל במנתח רשת הוא הפגין בשל היכולת למצב גבוה יותר.
Abstract
. הנה, נדגים את היתרונות לייזר דופלר ממדי רטט (LDV) טכניקות שגרתיות (מנתח רשת), כמו גם טכניקות כדי ליצור מסנן מערכות (MEMS) המבוססת על יישום microelectromechanical, וכיצד להשתמש בו ביעילות ( כלומר, כוונון של יכולת הכוונון והימנעות כשל וגם stiction). LDV מאפשר מדידות חיוני שאי אפשר. עם מנתח רשת, כגון זיהוי מצב גבוה יותר (יישום ביוסנסור רגישה מאוד) ומדידה תהודה להתקנים קטנים מאוד (שטנץ מהירה). בהתאם לכך, LDV שימש לאפיין את התדרים כוונון ותדר תהודה על מצבים שונים של המסננים MEMS שנבנה עבור מחקר זה. מנגנון כוונון של תדירות מגוון רחב זה מבוסס בפשטות על ג’ול חימום מחממי מוטבע, לחץ תרמית גבוהה יחסית הטמפרטורה של קרן קבועה-קבוע. עם זאת, נדגים כי הגבלה נוספת של שיטה זו הוא וכתוצאה מכך גבוהה תרמי הלחץ, והדבר עלול לצרוב את המכשירים. שיפור נוסף היה מושגת, מופיעה לראשונה במחקר זה, כגון יכולת כוונון הוגדל ב-32% דרך עלייה DC הסטייה מתח המופעל (25 V ל-35 V) בין שתי הקורות סמוכים. ממצא חשוב זה מבטל את הצורך ג’ול תוספת חימום-טווח הכוונון תדר רחב יותר. תקלה אפשרית אחרת היא דרך stiction ודרישת אופטימיזציה מבנה: אנו מציעים טכניקה פשוטה וקלה של יישום אות גל מרובע בתדר נמוך בהצלחה יכול להפריד בין הקורות, מבטלת את הצורך יותר שיטות מתוחכם ומורכב בהתחשב בספרות. הממצאים לעיל מחייבים מתודולוגיה לעיצוב, אז אנו מספקים עיצוב מבוסס-יישום.
Introduction
יש ביקוש גובר והולך למסננים MEMS עקב שלהם אמינות גבוהה, צריכת חשמל נמוכה, העיצוב הקומפקטי, גורם באיכות גבוהה ועלות נמוכה. הם נמצאים בשימוש נרחב חיישנים וכן חלקי הליבה בתקשורת אלחוטית. חיישני טמפרטורה1,2,ביו-חיישנים3, חיישנים גז4, מסננים5,6,7ומתנדים הם האזורים היישום הפופולרי ביותר. המסננים MEMS אלקטרוסטטית הפופולריים ביותר הם קרן קבועה-קבוע5,8, שלוחה2, קולן6,6,קרן חינם-חינם7, עיצוב flexural-דיסק7, ו עיצוב צורה מרובע9.
ישנם שלבים קריטיים רבים במימוש מסנן MEMS, כגון עיצוב מתודולוגיה (מבנה המבוסס על יישום אופטימיזציה, תדירות מגוון רחב טווח כוונון, והימנעות כשלים) ואפיון (שטנץ מהירה, הימנעות טפיליות capacitances, וצורות גילוי גבוה יותר). תדירות כוונון יכולת נדרש כדי לפצות על כל שינוי תדירות טולרנסים פבריקציה נוספת, או וריאציות טמפרטורת הסביבה. טכניקות שונות10,11,12 דווחו בספרות כדי לטפל דרישה זו; עם זאת, יש להם מספר חסרונות כגון תדירות מוגבל כוונון יכולת, בתדר נמוך מרכזי, הודעה נוספת הדרישות ותהליכי חימום חיצוני10,11.
במחקר זה אנו מציגים מגוון רחב תדירות כוונון על ידי ג’אול חימום בשיטה5,13 מעל תדר מוגבל כוונון טווח באמצעות מודול הנפח שינוי12 (עולה המתח DC הסטייה בין שתי הקורות סמוכים) ו- a חומר שלב המעבר שיטת10,11. יתר על כן, הבחירה האופטימלית מבנה, עיצוב מבוסס יישומים היו סיכם Göktaş, מצעי13. כאן, אנו מראים כיצד לכוון את התדירות תהודה של קרן קבועה-קבוע על ידי הגדלת מתח DC שהוחל החימום מוטבעים עם העזרה של LDV… ההדמיה ניתוח (FEM) סופיים מסונכרן עם מדידה LDV באותה מסגרת בשביל להמחיש את מנגנון כוונון. זה כולל את ג’ול חימום וכיפוף פרופיל לאורך הקורה.
אנו מציגים גם את הכשלים אפשרי (שרוף והתקנים stiction) ופתרונות מוצעים שלהם. ג’ול חימום השיטה בשילוב עם הלחץ תרמית גבוהה של קרן קבועה-קבוע מספק מגוון רחב תדירות כוונון, אך באותו זמן יכול לגרום התקני שרוף ברמה טמפרטורה מסוימת. זו מיוחסת הלחץ תרמית גבוהה בין חומרים שונים14. הפתרון הוא להגביר את המתח DC בין הקורות סמוכים שני, אשר בתורו מגביר את טווח הכוונון (ב-32%), והוא מבטל את הצורך בטמפרטורה גבוהה. שיטה זו “כוונון הכוונון-הטווח” היה קודם הפגינו Göktaş, מצעי5, הסביר בפירוט רב יותר Göktaş, מצעי13, והציג מחדש כאן. Stiction, מצד שני, יכול להתרחש במהלך פעולת תהליך או תהודה פבריקציה נוספת. היו טכניקות רבות הציע כדי לטפל בבעיה זו כגון החלת ציפוי פני השטח כדי להפחית אדהזיה אנרגיה15,16, חספוס פני השטח גובר17ולאחר תהליך תיקון18לייזר. לעומת זאת, אנו מציגים טכניקה פשוטה אות גל מרובע בתדר נמוך היה מוחל בין שתי הקורות המצורפת ואיפה ההפרדה הוקלט בהצלחה על ידי LDV. בשיטה זו ניתן לשלול תוספת עלות ולהפחית את המורכבות עיצוב.
עוד צעד קריטי בבניית המדינה של אמנות MEMS מסנן הוא איפיון ואימות. אפיון עם מנתח רשת היא אחת השיטות הפופולריות ביותר והשימוש בהם נפוץ; עם זאת, יש מספר חסרונות. קיבול טפיל קטן אפילו יכול להרוג את האות ולכן זה דורש בדרך כלל6,8 3,מעגל מגבר לחיסול רעש, זה יכול לזהות רק הראשונה במצב תהודה. מצד שני, אפיון עם LDV הינה בחינם מבעיה זו קיבוליות טפילי, ניתן לזהות הרבה תזוזה קטנה יותר. פעולה זו מאפשרת שטנץ מהירה, תוך ביטול הצורך מגבר עיצוב. יתר על כן, LDV יכול לזהות תהודה גבוה יותר מצב של MEMS מסננים. תכונה זו הוא רב מאוד, במיוחד בתחום ביולוגיים רגישה מאוד. מצב זיז גבוה יותר יכול לספק רגישות הרבה יותר19. המדידה מצב גבוה יותר של קרן קבועה-קבוע עם LDV שמוצג וחלים פמ סימולציה מדידה. התוצאות מוקדמת של הסימולציה פמ מציעים שיפור עד 46 פעמים ב רגישות לעומת מצב הראשונה של קרן קבועה-קבוע.
Protocol
Representative Results
Discussion
אחד השלבים הקריטיים בבניית MEMS מסננים הוא עיצוב המכשיר מבוסס על האזור יישום. הקרן צריך להיות ארוך יותר או דק יותר עבור כוונון יותר יעילות (עמודים לדקה/mW), אך קצר יותר או מדלל תדירות מקפץ או אות יישומי מעקב. באותו אופן, זיהוי האות ברור דרך LDV הינה קריטית במכשיר בדיקה ולכן עדיף לעצב את הקורה עם ע?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי המעבדה מחקר צבא ארה ב, Adelphi, MD, ארצות הברית, תחת גרנט W91ZLK-12-P-0447. המדידות תהודה נערכו עם העזרה של מיכאל אבן, אנתוני ברוק. המדידה מצלמות תרמיות נערך בעזרת דיימון Conover מאוניברסיטת וושינגטון ג’ורג ‘.
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).
