वास्तविक समय डीसी गतिशील Biasing विधि गंभीर रूप Underdamped Fringing क्षेत्र इलेक्ट्रोस्टैटिक MEMS actuators में समय सुधार स्विचिंग के लिए
Summary
स्वाभाविक कम दबाव फिल्म भिगोना शर्तों और लंबे समय से निपटाने के बार में fringing क्षेत्र इलेक्ट्रोस्टैटिक MEMS actuators परिणामों की मजबूत डिवाइस डिजाइन पारंपरिक कदम biasing का उपयोग कर स्विचन कार्रवाई कर जब. के बीच संक्रमण जब डीसी गतिशील waveforms के साथ समय सुधार स्विचन वास्तविक समय fringing क्षेत्र के निपटाने के समय को कम कर देता actuators MEMS के लिए नीचे से ऊपर और नीचे करने वाली अप राज्यों.
Abstract
यंत्रवत् underdamped इलेक्ट्रोस्टैटिक fringing क्षेत्र MEMS actuators अच्छी तरह से एक इकाई कदम इनपुट पूर्वाग्रह वोल्टेज के जवाब में उनके तेजी से स्विचन आपरेशन के लिए जाना जाता है. हालांकि, सुधार स्विचन प्रदर्शन के लिए tradeoff विभिन्न voltages लागू करने के लिए प्रतिक्रिया में प्रत्येक अंतराल ऊंचाई तक पहुंचने के लिए एक अपेक्षाकृत लंबे समय से निपटाने के लिए समय है. क्षणिक पूर्वाग्रह waveforms उच्च यांत्रिक गुणवत्ता कारकों के साथ इलेक्ट्रोस्टैटिक fringing क्षेत्र MEMS actuators के लिए कम स्विचिंग बार की सुविधा के लिए कार्यरत हैं लागू होता है. कम यांत्रिक भिगोना वातावरण आवश्यक fringing क्षेत्र actuator के अंतर्निहित सब्सट्रेट बनाता निकाल रहा प्रभावी ढंग अवधारणा का परीक्षण करने के लिए. अंतर्निहित सब्सट्रेट को हटाने के भी एक कारण stiction विफलता के संबंध में युक्ति की विश्वसनीयता प्रदर्शन पर पर्याप्त सुधार है. डीसी गतिशील biasing निपटाने के समय में सुधार करने में उपयोगी है, ठेठ MEMS उपकरणों के लिए आवश्यक निहत दरों प्रभारी पी पर आक्रामक आवश्यकताओं जगह हो सकती हैके लिए umps पर चिप डिजाइन पूरी तरह से एकीकृत. साथ ही, पीठ के अंत की लाइन वाणिज्यिक प्रसंस्करण CMOS चरणों में सब्सट्रेट हटाने कदम को एकीकृत चुनौतियों हो सकता है. पारंपरिक कदम biasing परिणामों की तुलना में जब गढ़े actuators के प्रायोगिक सत्यापन स्विचन समय में 50x के एक सुधार को दर्शाता है. सैद्धांतिक गणना की तुलना में, प्रयोगात्मक परिणाम अच्छे समझौते में हैं.
Introduction
Microelectromechanical सिस्टम (एमईएमएस) यांत्रिक विस्थापन को प्राप्त करने के लिए कई प्रवर्तन तंत्र का उपयोग. सबसे लोकप्रिय थर्मल, piezoelectric, magnetostatic, और electrostatic हैं. कम स्विचिंग समय के लिए, इलेक्ट्रोस्टैटिक actuation के सबसे लोकप्रिय तकनीक 1, 2 है. अभ्यास में, समीक्षकों damped मैकेनिकल डिजाइन प्रारंभिक वृद्धि समय और व्यवस्थित समय के बीच सबसे अच्छा समझौता पहुँचा. डीसी पूर्वाग्रह लागू करने और नीचे पुल से नीचे इलेक्ट्रोड की ओर झिल्ली actuating पर, व्यवस्थित समय नीचे तस्वीर और ढांकता हुआ लेपित actuation इलेक्ट्रोड का पालन करना होगा झिल्ली के रूप में एक महत्वपूर्ण मुद्दा नहीं है. 8 – कई आवेदन aforementioned electrostatic actuation डिजाइन 3 से लाभ हुआ है. हालांकि, ढांकता हुआ लेपित पुल से नीचे इलेक्ट्रोड की उपस्थिति ढांकता चार्ज और stiction को actuator अतिसंवेदनशील बनाता है.
एमईएमएस झिल्ली एक यू का उपयोग कर सकते हैंnderdamped यांत्रिक डिजाइन एक तेजी से प्रारंभिक वृद्धि समय को प्राप्त करने के लिए. एक underdamped मैकेनिकल डिजाइन का एक उदाहरण (EFFA) एमईएमएस actuated इलेक्ट्रोस्टैटिक fringing क्षेत्र है. इस टोपोलॉजी इलेक्ट्रोस्टैटिक आधारित डिजाइन 9-20 प्लेग कि ठेठ विफलता तंत्र को अब तक कम भेद्यता का प्रदर्शन किया है. समानांतर काउंटर इलेक्ट्रोड और फलस्वरूप समानांतर बिजली क्षेत्र की अनुपस्थिति इन एमईएमएस उचित "fringing क्षेत्र" actuated (चित्रा 1) कहा जाता है, यही वजह है. EFFA डिजाइन के लिए, पुल से नीचे इलेक्ट्रोड तैनात पार्श्व पूरी तरह से डिवाइस की चल और स्थिर भागों के बीच ओवरलैप को नष्ट करने, चलती झिल्ली को भरपाई कर रहे हैं कि दो अलग इलेक्ट्रोड में विभाजित है. हालांकि, जंगम झिल्ली के नीचे से सब्सट्रेट को हटाने के लिए काफी है, जिससे व्यवस्थित समय बढ़ती घटक भिगोना निचोड़ फिल्म कम कर देता है. चित्रा 2B standar के जवाब में बसने समय का एक उदाहरण हैडी कदम biasing. क्षणिक, या डीसी गतिशील निपटाने के समय 20-26 में सुधार करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है वास्तविक समय में biasing आवेदन किया. -2 और 2 डी गुणात्मक एक समय अलग तरंग प्रभावी ढंग से बज रद्द कर सकते हैं वर्णन कैसे आंकड़े. पिछले अनुसंधान प्रयासों स्विचिंग समय में सुधार करने के लिए इनपुट पूर्वाग्रह के सटीक वोल्टेज और समय की गणना करने के लिए संख्यात्मक तरीकों का उपयोग. इस काम में विधि इनपुट पूर्वाग्रह तरंग मापदंडों की गणना करने के लिए कॉम्पैक्ट बंद फार्म अभिव्यक्ति का उपयोग करता है. साथ ही, पिछले काम समानांतर थाली प्रवर्तन पर ध्यान केंद्रित किया. संरचनाओं underdamped तैयार हो रहे हैं, वहीं निचोड़ फिल्म भिगोना अभी भी इस विन्यास में उपलब्ध है. इस काम में प्रस्तुत प्रवर्तन विधि fringing क्षेत्र actuation है. इस विन्यास में निचोड़ फिल्म भिगोना प्रभावी रूप से समाप्त हो रहा है. इस एमईएमएस बीम के यांत्रिक भिगोना बहुत कम है, जहां एक चरम मामले का प्रतिनिधित्व करता है. इस पत्र EFFA एमईएमएस देव बनाना बताता है कि कैसेices प्रयोगात्मक तरंग अवधारणा को मान्य करने के लिए माप प्रदर्शन और.
Protocol
Representative Results
Discussion
कम अवशिष्ट तनाव Au फिल्म बयान और XEF 2 के साथ एक सूखी जारी डिवाइस के सफल निर्माण में गंभीर रूप घटक हैं. समानांतर प्लेट क्षेत्र actuators की तुलना में जब इलेक्ट्रोस्टैटिक fringing क्षेत्र actuators अपेक्षाकृत कम बल प्रद?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
लेखकों उसकी सहायता और उपयोगी तकनीकी विचार विमर्श के लिए रयान तुंग का शुक्रिया अदा करना चाहते हैं.
लेखकों को भी Birck नैनो केंद्र तकनीकी कर्मचारियों की सहायता और समर्थन को स्वीकार करना चाहते हैं. यह काम पर्ड्यू माइक्रोवेव Reconfigurable Evanescent मोड गुहा के तहत रक्षा एडवांस्ड रिसर्च प्रोजेक्ट्स एजेंसी द्वारा समर्थित किया गया अध्ययन फिल्टर. और भी पुरस्कार संख्या डे FC5208NA28617 तहत विश्वसनीयता, ईमानदारी और माइक्रोसिस्टम्स के survivability और ऊर्जा विभाग की भविष्यवाणी के NNSA केंद्र द्वारा. इस पत्र / प्रस्तुति में निहित विचार, विचारों, और / या निष्कर्ष लेखकों / प्रस्तुतकर्ताओं के हैं और रक्षा एडवांस्ड रिसर्च प्रोजेक्ट्स एजेंसी या विभाग की आधिकारिक दृश्य या नीतियों का प्रतिनिधित्व के रूप में व्याख्या की, या तो व्यक्त या निहित नहीं होना चाहिए रक्षा.
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).
