重度不足減衰フリンジフィールド静電MEMSアクチュエータに時間改善スイッチング用リアルタイムDC-ダイナミックバイアス方式
Summary
本質的に低いスクイーズフィルムダンピング条件と長いセトリング時間のフリンジフィールド静電MEMSアクチュエータ結果の堅牢なデバイス設計は、従来のステップバイアスを使用してスイッチング動作を行うとき。 DC-ダイナミック波形によるリアルタイムスイッチング時間の改善はにダウンアップと状態へアップダウンの間で移行フリンジ場のMEMSアクチュエータのセトリング時間が短縮されます。
Abstract
機械的に減衰しにくい静フリンジフィールドMEMSアクチュエータはよく単位ステップ入力バイアス電圧に応答して、その高速スイッチング動作のために知られている。しかし、改善されたスイッチング性能のためのトレードオフは、さまざまな印加電圧に応じて、各ギャップ高さに到達するために比較的長いセトリング時間である。過渡バイアス波形は、高い機械的品質係数を有する静フリンジフィールドMEMSアクチュエータの低減スイッチング時間を容易にするために使用されて適用した。フリンジフィールドアクチュエータの下にある基板を除去することは、効果的な概念をテストするために必要な低機械的減衰環境を作成します。下にある基板の除去は、スティクションによる故障に関して、デバイスの信頼性·パフォーマンスに実質的な改善を持っています。 DC-ダイナミックバイアスがセトリング時間を改善するのに有用であるが、典型的なMEMSデバイスのために必要なスルーレートは、電荷pに積極的な要件を置くことができる完全に統合されたオンチップ設計にumps。さらに、バックエンドオブライン商業CMOS処理工程中に基板除去工程を統合する課題が存在してもよい。従来のステップ付勢の結果と比較した場合、製造されたアクチュエータの実験的検証は、スイッチング時間の50倍の改善を示している。理論計算と比較して、実験結果はよく一致している。
Introduction
微小電気機械システム（MEMS）の機械的変位を達成するために、いくつかの作動機構を利用する。最も人気のある、熱、圧電、静磁気、静電である。短いスイッチング時間のために、静電駆動は、最も人気のある手法1、2である。実際には、批判的に減衰機械的なデザインは、最初の立ち上がり時間と整定時間の間で最良の妥協点を提供します。膜はスナップダウンと誘電被覆された作動電極に付着するようにDCバイアスを印加し、ダウンプルダウン電極に向かって膜を作動させる際に、セトリング時間が重要な問題ではない。 8 –いくつかのアプリケーションは、上記の静電駆動設計3の恩恵を受けている。しかし、誘電体コーティングされたプルダウン電極の存在は誘電充スティクションにアクチュエータが受けやすくなります。
MEMS膜はuと利用することができる高速の立ち上がり時間を達成するために機械設計をnderdamped。減衰しにくい機械設計の例としては、（EFFA）MEMS作動の静フリンジ·フィールドです。このトポロジでは、静電ベースの設計9-20を悩ませ、一般的な故障メカニズムにはるかに少ない脆弱性を出品しています。これらのMEMSは、適切に（ 図1）が作動「フリンジ場」と呼ばれる理由平行対向電極と、結果として平行電場が存在しないことである。 EFFA設計では、プルダウン電極が位置する横方向に完全に装置の可動部品と静止部品との間の重複を排除し、可動膜にオフセットされた2つの別個の電極に分割される。しかし、可動膜の下からの基板の除去が著しく、それによってセトリング時間を増加させる成分を減衰させるスクイズフィルムを低下させる。 図2Bは standarに応答におけるセトリング時間の一例であるd個のステップバイアス。一過性の、またはDC-ダイナミックリアルタイムで付勢適用セトリング時間20-26を改善するために使用することができる。 図2Cおよび2Dは 、定性的に時間的に変化する波形を効果的にリンギングをキャンセルする方法を説明する。以前の研究努力は、スイッチング時間を改善するために、入力バイアスの正確な電圧およびタイミングを計算するために数値的方法を利用する。この作品での方法は、入力バイアス波形パラメータを計算するために、コンパクトな閉じた形の式を使用しています。さらに、以前の研究では、平行板作動に焦点を当てた。構造は不足制動されるように設計されていますが、スクイーズフィルムダンピングはまだこの構成で利用可能です。この作品で提示作動方法は、フリンジフィールド駆動である。この構成では、スクイーズフィルムダンピングを効果的に排除される。これは、MEMSビームの機械的減衰が非常に低い極端な場合を表す。本稿ではEFFA MEMS DEVを作製する方法について説明します氷と実験的に波形のコンセプトを検証するための測定を行います。
Protocol
Representative Results
Discussion
低残留応力Au膜堆積およびXeF 2を用いたドライリリースは、デバイスが正常に製造において極めて重要なコンポーネントです。平行平板フィールドアクチュエータと比較した場合、静フリンジフィールドアクチュエータは、比較的低い力を提供する。 > 60MPaでの典型的なMEMS薄膜の応力は、潜在的にEFFA MEMSの信頼性が損なわれる可能性が過度に高い駆動電圧になります。この理由のた?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
著者は、彼の支援と便利な技術的な議論のためにライアン桐に感謝したい。
著者はまた、Birckナノテクノロジーセンターの技術スタッフの協力と支援を承認したいと思います。この作品は、パーデュー電子レンジリコンエバネッセントモード空洞の下で国防高等研究計画局によってサポートされていましたが研究をフィルタリングします。また、受賞数DE-FC5208NA28617下の信頼性、整合性とマイクロシステムの耐障害性とエネルギー省の予測のNNSAセンター。この論文/プレゼンテーションに含まれているビュー、意見、および/または所見は、著者/発表者のものであり、米国防総省の国防高等研究計画局や課の、明示または黙示の公式見解や政策を代表するものと解釈すべきではない国防。
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).
