Real-Time DC-dinâmico método de polarização para a mudança de melhoria no tempo em Severamente subamortecido Fringing-campo eletrostático MEMS Atuadores
Summary
O design robusto dispositivo de franja-campo eletrostático atuadores MEMS resultados em condições de amortecimento de compressão de filme inerentemente baixos e longos tempos de sedimentação ao realizar operações de comutação usando polarização passo convencional. Em tempo real a mudança melhora o tempo com formas de ondas DC-dinâmicos reduz o tempo de estabilização de franjas em campo MEMS atuadores quando a transição entre-se para baixo e para baixo-à-up estados.
Abstract
Mecanicamente subamortecido MEMS franjas de campo eletrostático atuadores são bem conhecidos por sua operação de comutação rápida em resposta a uma tensão de polarização de entrada degrau unitário. No entanto, em contrapartida, o desempenho melhorado de comutação é um tempo relativamente longo para chegar a resolver cada altura do espaço vazio em resposta a várias tensões aplicadas. Transient aplicadas formas de onda de preconceito são empregadas para facilitar tempos de comutação reduzidas para eletrostáticas MEMS franjas em campo atuadores com fatores de alta qualidade mecânica. Remover o substrato subjacente do atuador franjas-campo cria o ambiente de baixo amortecimento mecânico necessário testar efetivamente o conceito. A remoção do substrato subjacente tem também uma melhoria significativa sobre o desempenho do dispositivo de fiabilidade em relação a falhas devido ao atrito estático. Apesar de polarização DC-dinâmico é útil para melhorar o tempo de assentamento, as taxas de variação necessários para dispositivos MEMS típicos pode colocar exigências agressivas sobre a carga pumps para totalmente integrada projetos on-chip. Além disso, pode haver desafios que integram a etapa de remoção de substrato para as etapas de processamento CMOS comerciais back-end-of-line. Validação experimental de atuadores fabricados demonstra uma melhora de 50x em tempo de comutação em relação à etapa de polarização resultados convencionais. Em comparação com os cálculos teóricos, os resultados experimentais estão de acordo.
Introduction
Sistemas Microeletromecânicos (MEMS) utilizam vários mecanismos de accionamento para atingir o deslocamento mecânico. Os mais populares são térmica, piezoelétrico, magnetostático e eletrostática. Por tempo de comutação curto, atuação eletrostática é a técnica mais popular, 1, 2. Na prática, projetos mecânicos criticamente amortecida oferecer o melhor compromisso entre o tempo de subida inicial e tempo de repouso. Após a aplicação do viés DC e acionamento da membrana em direção ao eletrodo de pull-down, o tempo de estabilização não é uma questão importante como a membrana se encaixará para baixo e aderir ao eletrodo revestido atuação dielétrico. Vários pedidos foram beneficiados pelo projeto atuação eletrostática acima mencionado 3-8. No entanto, a presença do eléctrodo de suspenso dieléctrica revestida faz com que o actuador susceptível de carregamento dieléctrico e agarramento.
Membranas MEMS podem utilizar um udesenho mecânico nderdamped para conseguir um tempo inicial rápida ascensão. Um exemplo de um projeto mecânico subamortecido é a franja-campo eletrostático acionada (EFFA) MEMS. Esta topologia tem exibido muito menos vulnerabilidade a mecanismos típicos de falhas que afligem projetos baseados eletrostáticas 9-20. A ausência de contra-eletrodo paralelo e, conseqüentemente, o campo elétrico paralelo é por isso que estes MEMS são apropriadamente chamadas "franjas-campo" acionada (Figura 1). Para o projeto EFFA, o eletrodo de pull-down é dividido em dois eletrodos separados que são posicionados lateralmente deslocado para a membrana em movimento, eliminando completamente a sobreposição entre as partes móveis e fixas do dispositivo. No entanto, a remoção do substrato por debaixo da membrana móvel reduz significativamente o filme de compressão de amortecimento do componente, aumentando assim o tempo de estabilização. Figura 2B é um exemplo da resolução de tempo em resposta a Standard passo de polarização. Transientes, ou DC-dinâmica aplicada polarização em tempo real pode ser utilizado para melhorar o tempo de assentamento 20-26. Figuras 2C e 2D ilustram qualitativamente como uma forma de onda variável no tempo pode cancelar eficazmente o toque. Esforços de pesquisa anteriores utilizar métodos numéricos para calcular a tensão precisa e horários da polarização de entrada para melhorar o tempo de comutação. O método neste trabalho utiliza compactos expressões de forma fechada para calcular os parâmetros de forma de onda de polarização de entrada. Além disso, o trabalho anterior focou paralelo placa de accionamento. Embora as estruturas são projetadas para serem subamortecido, amortecimento squeeze-filme ainda está disponível nesta configuração. O método de atuação apresentada neste trabalho é franjas-campo de atuação. Nesta configuração amortecimento squeeze-film é efetivamente eliminado. Isto representa um caso extremo em que o amortecimento mecânico do feixe de MEMS é muito baixo. Este artigo descreve como fabricar o dev EFFA MEMSices e realizar a medição para validar experimentalmente o conceito de forma de onda.
Protocol
Representative Results
Discussion
Baixa tensão residual Au deposição de película e uma libertação seca com Xef dois componentes são criticamente bem sucedido na fabricação do dispositivo. Eletrostáticos atuadores franjas em campo fornecimento de forças relativamente baixos quando comparados com os atuadores de campo de placas paralelas. MEMS típicas tensões fina película de> 60 MPa resultará em tensões de acionamento excessivo, que pode comprometer a confiabilidade dos EFFA MEMS. Por esta razão, a receita galvanoplastia é…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Os autores gostariam de agradecer Ryan Tung por sua ajuda e discussões técnicas úteis.
Os autores também gostariam de agradecer o apoio e suporte da equipe técnica Birck Nanotechnology Center. Este trabalho foi financiado pela Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa sob a Purdue Microondas Reconfigurable Evanescentes-Mode Cavity Filtros de Estudo. E também pela NNSA Centro de Previsão de Confiabilidade, Integridade e sobrevivência de Microsystems e do Departamento de Energia sob Prêmio Número DE-FC5208NA28617. Os pontos de vista, opiniões e / ou conclusões contidas neste documento / apresentação são de responsabilidade dos autores / apresentadores e não deve ser interpretada como representando as opiniões ou políticas oficiais, expressa ou implícita, da Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa ou o Departamento da Defesa.
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 |
Referências
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