デザインと効率的な広帯域波長可変 MEMS フィルター特性評価手法
Summary
レーザドップラ (LDV) は、チューニング、チューニング機能、および装置の故障や、ヘッドス ライダーの回避の修正周波数測定などを用いた固定固定ビーム設計プロトコルが表示されます。その高いモード機能によりネットワーク アナライザーに LDV 法の優位性を発揮します。
Abstract
ここでは、従来手法 (ネットワーク アナライザー) として、アプリケーション ・ ベースの微小電気機械システム (MEMS) フィルターと効率的 (それを使用する方法を作成するテクニックをレーザドップラ (LDV) の利点を示すすなわち、チューニング チューニング機能と障害とヘッドス ライダーの両方を回避する)。レーザドップラ振動計は、高いモードの検出 (高感度バイオ センサー アプリケーション) と非常に小さいデバイス (高速プロトタイピング) の共鳴測定など、ネットワーク アナライザーで実行可能な重要で測定できます。したがって、LDV は周波数チューニング レンジと本研究用に構築された MEMS フィルターの異なるモードで共振周波数を特徴付けるために使用されました。この広い範囲の周波数チューニング メカニズムは、単にジュール加熱埋め込みヒーター固定固定はりの温度に対して比較的高い熱応力からに基づいています。ただし、このメソッドの別の制限がデバイスを書き込むことができますその結果高熱応力であることを示します。さらなる改善は実現され、本研究で初めて表示されるチューニング機能を増加させる 2 つの隣接する梁の間に応用 DC バイアス電圧 (35 V を 25 V) 32% 増加したなど。この重要な発見は、余分なジュールより広い周波数チューニング レンジで加熱の必要性を排除します。別の可能な障害は、粘着や構造最適化の要件: 低周波の方形波信号アプリケーション正常にビームを区切ることができますより多くの必要性を排除の簡便な手法を提案します。文献は、洗練された、複雑なメソッド。上記調査結果を必要とする設計手法と、アプリケーション ベースの設計をいたします。
Introduction
その高い信頼性、低消費電力、コンパクト設計、高品質係数、低コストによる MEMS フィルターの需要が高まっています。センサーと無線通信のコア部品として広く使用されます。発振器、フィルター5,6、7、ガス センサー4バイオ センサー2,3温度センサー1は、最も人気のあるアプリケーション領域です。静電 MEMS フィルターの最も人気のある、固定固定ビーム5,8、片持ち2、チューニング フォーク6、両端自由はりの6、7、曲げディスク デザイン7と正方形デザインの9。
(アプリケーション ベースの構造最適化、広い範囲の周波数可変範囲、およびエラーの回避) の設計と特性評価 (高速プロトタイピング、寄生を避けるなど、MEMS フィルターを実現するために多くの重要なステップがあります。キャパシタンス、および検出の高次モード)。製作公差または周囲温度の変動による周波数変更を補うために周波数調整機能が必要です。さまざまなテクニック10、11,12は、この要件に対処するため文献で報告されています。しかし、彼らは限られた周波数チューニング機能、低中心周波数、要件、および外部ヒーター10,11追加の後処理など欠点があります。
この研究では限られた周波数チューニング弾性率による距離を加熱方法5,13ジュールで広い範囲の周波数を提案12 (隣接する 2 つのビーム間の DC バイアス電圧の増加) を変更し、材料はフェーズ遷移法10,11です。また、最適構造選択とアプリケーション ベースの設計は Göktaş と Zaghloul の13にまとめた。ここでは、レーザドップラ振動計の助けを借りて埋め込みヒーターに DC 電圧を増やすことによって固定固定梁の共振周波数を調整する方法を示します。有限要素法 (FEM) 解析シミュレーションは、チューニング機構を可視化するために同じ枠で LDV 計測と同期されます。これはジュール加熱と曲げビーム全体のプロファイルが含まれています。
(焦げたデバイスおよびヘッドス ライダー) の障害と彼らの提案された解決策を述べる。ジュール加熱方式固定固定ビームの高熱応力との組み合わせでさまざまな周波数を提供していますが、同時にによって、特定の温度レベルのデバイスが焦げた。これは異なる材料14間高い熱応力に起因します。ソリューションは、順番 (32%) でチューニングの範囲を増加し、高温のための必要性を排除する 2 つの隣接するビーム間の DC 電圧を増やすことです。この「チューニング チューニング範囲」メソッド最初 Göktaş と Zaghloul5で示した Göktaş Zaghloul13, で詳しく説明、再紹介。粘着、その一方で、起こることができる作製プロセスまたは共鳴操作中に。提案する接着エネルギー15,16、増加表面粗さ17、および18レーザー修復プロセスを減らすために表面のコーティングを適用するなど、この問題に対処するための多くの技術がずっとあります。対照的に、低周波の矩形波信号が接続されている 2 つのビーム間適用された、分離正常に LDV による記録された単純な手法を提案する.このメソッドを排除することができます余分なコストし、設計の複雑さを減らします。
最先端の MEMS フィルターを構築する上での重要なステップは、評価と検証。ネットワーク ・ アナライザーの特性は、最も人気のあると広く使用されている方法の 1 つしかし、それはいくつかの欠点があります。小さくても寄生容量が信号を殺すことができるので、これは通常ノイズ除去のアンプ回路3,6,8を必要とし、最初のモードの共振特性を検出できるだけ。その一方で、ldv の特性はこの寄生容量問題から解放され、多くのより小さい変位を検出することができます。高速プロトタイピング、これにより増幅器の設計の必要性を排除できます。さらに、レーザドップラ振動計は、MEMS フィルターの高い共振モードを検出できます。この機能は、非常に有望な高感度バイオ センサーの分野で特に。高いカンチレバー モードより多くの感度19を提供できます。高いモード ldv 固定固定ビーム測定は示す、FEM シミュレーション測定に適用。有限要素法によるシミュレーションの結果から早期固定固定ビームの最初のモードと比較して感度の 46 回改善を提供しています。
Protocol
Representative Results
Discussion
MEMS フィルターを構築する上で重要な手順の 1 つアプリケーション領域に基づいてデバイスを設計することです。ビームは、長いまたはシンナーより効率 (ppm/mW)、短いまたは周波数ホッピングまたは信号追跡アプリケーションのシンナーをチューニングします。同じ方法で LDV による明確なシグナル検出は、デバイスのテストは、少なくとも 3-4 μ m の厚みで梁を設計する方が良いが重要です?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この作品は、米国陸軍研究所、アデルフィ、MD、米国、グラント W91ZLK-12-P-0447 下によって支えられました。ミハエル石とアンソニー ・ ブロックの助けを借りて共鳴測定を行った。ジョージ ・ ワシントン大学からデイモン コノバーの助けを借りて、サーマル カメラ計測を行った。
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 |
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