Real-Time DC-dynamische Biasing Methode voor het omschakelen Tijd Verbetering Ernstig Underdamped Fringing-veld elektrostatische MEMS Aandrijvingen
Summary
Het robuuste apparaat ontwerp van fringing-veld elektrostatische MEMS actuatoren resultaten in inherent lage squeeze-film demping omstandigheden en lange afwikkeling keer bij het uitvoeren van schakelingen met behulp van conventionele stap voorspanning. Real-time schakeltijd verbetering met DC-dynamische golfvormen vermindert de afwikkeling van de tijd van fringing-veld MEMS aandrijvingen bij de overgang tussen de up-to-down en down-to-up toestanden.
Abstract
Mechanisch underdamped elektrostatische fringing-veld MEMS actuatoren staan bekend om hun snelle schakeling in reactie op een eenheid stap input bias spanning. Echter, het nadeel van de verbeterde prestaties schakelen een relatief lange stabilisatietijd elke opening lengte in reactie op verschillende aangelegde spanningen bereikt. Voorbijgaande toegepast vooringenomenheid golfvormen worden gebruikt om een beperkte tijden schakelen voor elektrostatische fringing-veld MEMS aandrijvingen met een hoge mechanische kwaliteit factoren te vergemakkelijken. Het verwijderen van de onderliggende substraat van de fringing-veld actuator creëert het lage mechanische demping omgeving nodig zijn om effectief te testen van het concept. De verwijdering van het onderliggende substraat heeft een aanzienlijke verbetering van de betrouwbaarheid uitvoering van de inrichting met betrekking tot falen door kleven. Alhoewel DC-dynamische vertekenende is nuttig bij het verbeteren insteltijd, kunnen de vereiste slew bekijken van typische MEMS agressieve eisen aan de lading p plaatsenumps voor volledig geïntegreerde on-chip ontwerpen. Bovendien kunnen er problemen integreren substraatverwijdering stap in de commerciële CMOS bewerkingsstappen back-end-of-line. Experimentele validatie van gefabriceerde actuatoren toont een verbetering van 50x in schakeltijd vergelijking met conventionele stap vertekenende resultaten. In vergelijking met theoretische berekeningen, de experimentele resultaten zijn in goede overeenstemming.
Introduction
Micro-elektromechanische systemen (MEMS) gebruiken verscheidene bedieningsmechanismen mechanische verplaatsing bereiken. De meest populaire zijn de thermische, piëzo-elektrische, magnetostatische, en elektrostatische. Voor korte schakeltijden, elektrostatische bediening is de meest populaire techniek 1, 2. In de praktijk kritisch gedempte mechanische vormgeving levert het beste compromis tussen de initiële stijging van de tijd en de afwikkeling van de tijd. Bij het toepassen van de DC bias en het bedienen van het membraan naar beneden richting het pull-down elektrode, de afwikkeling van de tijd is niet een belangrijke kwestie als het membraan zal naar beneden breken en zich te houden aan de diëlektrische gecoate bediening elektrode. Diverse toepassingen hebben geprofiteerd van de eerder genoemde elektrostatische bediening ontwerp 3-8. De aanwezigheid van de diëlektrische beklede pull-down elektrode maakt actuator gevoelig diëlektrische laden en kleven.
MEMS membranen kan een u gebruik maken vannderdamped mechanisch ontwerp van een snelle initiële stijging van de tijd te bereiken. Een voorbeeld van een underdamped mechanisch ontwerp is het elektrostatische veld-randen geactiveerd (EFFA) MEMS. Deze topologie heeft tentoongesteld veel minder kwetsbaarheid voor typische faalmechanismen dat elektrostatische gebaseerde ontwerpen 9-20 teisteren. De afwezigheid van de parallelle tegenelektrode en daarmee het elektrische veld parallel is waarom deze MEMS passende "kleurranden-field" geactiveerd (figuur 1) worden genoemd. Voor het ontwerp EFFA, wordt het pull-down elektrode gesplitst in twee afzonderlijke elektroden die geplaatst zijdelings worden gecompenseerd om de bewegende membraan, het volledig afschaffen van de overlap tussen de beweegbare en stationaire onderdelen van het apparaat. De verwijdering van het substraat onder het beweegbare membraan vermindert de squeeze film demping component waardoor de afwikkeling van tijd toeneemt. Figuur 2B is een voorbeeld van de afwikkeling van de tijd in reactie op stand stap voorspanning. Voorbijgaande of DC-dynamische toegepast vertekenende in real-time kan worden gebruikt om de afwikkeling van de tijd 20-26 verbeteren. Figuren 2C en 2D kwalitatief illustreren hoe een tijdsafhankelijke golfvorm effectief annuleren beltoon. Eerder onderzoek inspanningen gebruiken numerieke methodes om precieze spanning en tijdstippen van de input bias berekenen de schakeltijd verbeteren. De methode in dit werk gebruikt compacte gesloten vorm uitdrukkingen aan de input bias golfvorm parameters te berekenen. Daarnaast eerdere werkzaamheden gericht op parallelle plaat bediening. Terwijl de structuren zijn ontworpen om te worden underdamped, squeeze-film demping is nog beschikbaar in deze configuratie. De bediening methode die in dit werk is fringing-gebied bedienen. In deze configuratie squeeze-film demping wordt effectief geëlimineerd. Dit is een extreem geval waarbij de mechanische demping van de MEMS bundel laag. Dit document beschrijft hoe u de EFFA MEMS dev fabricerenconsumptie-ijs en het uitvoeren van de meting om experimenteel te valideren de golfvorm concept.
Protocol
Representative Results
Discussion
Lage restspanning Au film depositie en een droge release met XeF2 zijn kritische componenten in de succesvolle vervaardiging van de inrichting. Elektrostatische fringing-veld actuators bieden relatief lage krachten in vergelijking met parallelle plaat veld actuatoren. Typische MEMS dunne film stress van> 60 MPa zal resulteren in een te hoge rijden spanningen die mogelijk kunnen afbreuk doen aan de betrouwbaarheid van EFFA MEMS. Daarom elektrolytische recept nauwkeurig gekarakteriseerd een dunne film opleve…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs willen Ryan Tung bedanken voor zijn hulp en nuttige technische discussies.
De auteurs willen ook de hulp en ondersteuning van de technische staf Birck Nanotechnology Center erkennen. Dit werk werd ondersteund door het Defense Advanced Research Projects Agency onder de Purdue Magnetron Herconfigureerbare Evanescent-modus Cavity Filters Study. En ook door NNSA Center van Voorspelling van betrouwbaarheid, integriteit en de overlevingskansen van Microsystems en het ministerie van Energie onder Award Aantal DE-FC5208NA28617. De standpunten, meningen en / of bevindingen die in deze paper / presentatie zijn die van de auteurs / presentatoren en dient niet te worden geïnterpreteerd als de officiële mening of het beleid, noch uitdrukkelijk noch impliciet, van de Defense Advanced Research Projects Agency of de afdeling van Defensie.
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).
