Real-Time DC-דינמית הטיית שיטה להחלפת זמן שיפור בשולים בשדה קשות Underdamped תנעי MEMS אלקטרוסטטית
Summary
עיצוב המכשיר חזק של תוצאות מפעילי MEMS אלקטרוסטטי fringing שדה בתנאי מיסוד נמוכים לסחוט סרט דעיכת ופעמים רבות יישוב בעת ביצוע פעולות מיתוג באמצעות הטיית צעד קונבנציונלית. בזמן אמת מיתוג שיפור זמן עם צורות גל DC-דינמיים מקטין את הזמן ליישב של שולים בשדה MEMS מפעילים כאשר מעבר בין up-to-למטה ולמטה אל את המדינות.
Abstract
מכאני מפעילי MEMS fringing השדה אלקטרוסטטי underdamped ידועים, בנוסף לפעולת המיתוג המהיר שלהם בתגובה למתח הטיה קלט צעד יחידה. עם זאת, הפשרה לביצוע המיתוג המשופר היא זמן ארוך יחסית יישוב כדי להגיע לכל גובה פער בתגובה לעם מתח שונים. חלוף להחיל צורות גל הטיה מועסקות כדי להקל פעמים מיתוג מופחתות למפעילי MEMS fringing השדה אלקטרוסטטי עם גורמי איכות מכאניים גבוהים. הסרת המצע הבסיסי של מפעיל fringing השדה יוצר סביבת דעיכת המכנית הנמוכה נחוצה כדי לבדוק בצורה יעילה את הרעיון. ההסרה של המצע הבסיסי גם יש שיפור משמעותי בביצועים אמינים של המכשיר בכל הקשור לכישלון בשל stiction. למרות הטיית DC-דינמית היא שימושית בשיפור זמן שיקוע, שיעורי שורה ארוכה הנדרשים להתקני MEMS טיפוסיים עשויים להציב דרישות אגרסיביות בעמ 'תשלוםumps למלוא משולב עיצובים על השבב. בנוסף, ייתכן שיש אתגרי שילוב צעד הסרת המצע למדרגות עיבוד CMOS המסחרי העורפי של-אונליין. אימות ניסיוני של מפעילים מפוברקים מדגימה שיפור של 50x בזמן מעבר בהשוואה לתוצאות שלב הטיית קונבנציונליות. בהשוואה לחישובים תיאורטיים, תוצאות הניסוי הן בהסכם טוב.
Introduction
מערכות מייקרו (MEMS) לנצל כמה מנגנוני actuation להשיג עקירה מכאנית. הפופולרי ביותר הם תרמית, פיזואלקטריים, magnetostatic, ואלקטרוסטטית. לזמן מיתוג קצר, actuation אלקטרוסטטי הוא הטכניקה הפופולרית ביותר 1, 2. בפועל, עיצובים מכאניים ביקורתי דכאו לספק את הפשרה הטובה ביותר בין זמן עלייה הראשוני וזמן להתיישב. עם החלת ההטיה DC וactuating הקרום מטה לכיוון הנפתח אלקטרודה, זמן השקיעה הוא לא סוגיה משמעותית כקרום יהיה הצמד מטה ולדבוק באלקטרודה actuation המצופה דיאלקטרי. מספר יישומים נהנו מעיצוב actuation אלקטרוסטטי האמור 3 – 8. עם זאת, הנוכחות של האלקטרודה הנפתחת המצופה דיאלקטרי הופכת את המפעיל רגיש לטעינה וstiction דיאלקטרי.
קרומי MEMS יכולים לנצל uתכנון מכאני nderdamped כדי להשיג זמן עלייה ראשוני מהיר. דוגמא של תכנון מכאני underdamped היא שולים בשדה אלקטרוסטטי ומונע (EFFA) MEMS. טופולוגיה זו הציגה הרבה פחות פגיעות למנגנוני כשל אופייניים כי המגפה תכנונים מבוססים אלקטרוסטטי 9-20. ההיעדרות של האלקטרודה הדלפק המקבילה וכתוצאה מכך השדה החשמלי המקביל היא מדוע MEMS אלה נקראים "שולים בשדה" ומונע (איור 1) כראוי. לעיצוב EFFA, הנפתחת אלקטרודה מחולקת לשתי אלקטרודות נפרדות הממוקמים בקיזוז רוחבי בקרום המרגש, ומבטל את החפיפה בין החלקים הניידים ונייחים של המכשיר לחלוטין. עם זאת, ההסרה של המצע מתחת קרום מטלטלין מפחיתה באופן משמעותי את הסרט לסחוט דעיכת רכיב ובכך להגדיל את הזמן להתיישב. איור 2 היא דוגמא לזמן והתיישב בתגובה לstandarהטיית צעד ד. חלוף, או DC-דינמי מיושם הטיית בזמן אמת יכול לשמש כדי לשפר את הזמן ההתייצבות 20-26. איורים 2C ו2D להמחיש איכותי איך צורת גל משתנה זמן בצורה יעילה יכול לבטל את הצלצול. מאמצי מחקר קודם לנצל שיטות מספריות כדי לחשב את המתח ותזמונים המדויקים של ההטיה הקלט כדי לשפר את זמן המיתוג. השיטה בעבודה זו משתמשת בביטויי צורה סגורה קומפקטיים כדי לחשב את הפרמטרים צורת גל ההטיה קלט. בנוסף, עבודה קודמת התמקדה בactuation צלחת המקביל. בעוד המבנים שנועדו לunderdamped, דעיכת לסחוט סרט עדיין זמינה בתצורה זו. השיטה להפעלה ללא שהוצגה בעבודה זו היא actuation fringing השדה. בתצורה זו דעיכת לסחוט סרט מסולקת ביעילות. זה מייצג מקרה קיצוני שבו דעיכת המכנית של קורה MEMS היא נמוכה מאוד. מאמר זה מתאר כיצד לפברק dev EFFA MEMSגלידות ולבצע מדידה כדי לאמת את מושג צורת הגל בניסוי.
Protocol
Representative Results
Discussion
מתח שיורי בתצהיר נמוך Au סרט ושחרור יבש עם XeF 2 הם רכיבים קריטיים בייצור המוצלח של המכשיר. מפעילי fringing שדה אלקטרוסטטי לספק כוחות נמוכים יחסית בהשוואה למפעילי שדה לוחות מקבילים. MEMS אופייני לחצי סרט דקים של> 60 מגפ"ס יגרמו מתחי כונן גבוהים מדי שעלול לפגוע באמינות…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים מבקשים להודות ריאן טונג לעזרתו ודיונים טכניים שימושיים.
המחברים גם מבקשים לציין את הסיוע ותמיכה של צוות הטכני Birck המרכז לננוטכנולוגיה. עבודה זו נתמכה על ידי המחקר מתקדם פרויקטים סוכנות הביטחון תחת Purdue מיקרוגל Reconfigurable החלוף-Mode חלול מסנני מחקר. וגם על ידי מרכז NNSA של חיזוי של אמינות, יושרה ושרידות של מיקרוסיסטמס ומשרד אנרגיה תחת מספר פרס DE-FC5208NA28617. הנופים, חוות דעת, ו / או הממצאים כלולים בנייר / מצגת זו הן אלה של מחברים / מגישים ואין לפרש כמייצג את הדעות או מדיניות הרשמיות, מפורש או משתמעים, של למחקר ההגנה מתקדמות סוכנות פרויקטים או המחלקה ביטחון.
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).
