Проектирование и характеристика методологии для эффективного широкий диапазон МЭМС Перестраиваемые фильтры
Summary
Протокол для фиксированной фиксированного луча дизайн, с использованием лазера Doppler Виброметр (АМГ), включая измерение частоты тюнинг, изменения настройки возможности и недопущение отказа устройства и stiction, представил. Превосходство метода LDV над сетевой анализатор продемонстрировал из-за его выше возможности режима.
Abstract
Здесь мы продемонстрировать преимущества лазера Doppler Виброметр (АМГ) над обычными методами (анализатор сети), а также методы для того чтобы создать фильтр на основе приложений микроэлектромеханических систем (MEMS) и как эффективно использовать его) то есть, тюнинг тюнинг возможности и избежать сбоя и stiction). LDV позволяет решающее значение измерения, которые невозможно с помощью анализатора сети, такие как выше режим обнаружения (высокочувствительный биосенсор приложения) и резонанс измерения для очень малых устройств (быстрое прототипирование). Соответственно АМГ был использован для характеристики Диапазон настройки частоты и частоты резонанса в различных режимах MEMS фильтров, построенных для этого исследования. Этот широкий диапазон частот настройки механизма основана просто на Джоуль, Отопление с закладными нагревателями и относительно высокой тепловой стресс относительно температуры фиксированной фиксированного луча. Однако мы продемонстрировать, что другое ограничение этого метода является полученный высокой тепловой стресс, который может сжечь устройства. Дальнейшее улучшение было достигнуто и показан в первый раз в этом исследовании, таким образом, чтобы настройки возможностей увеличилась на 32% через увеличение приложенного напряжения постоянного тока смещения (25 V до 35 V) между двумя смежными балки. Этот важный вывод устраняет необходимость в дополнительных Джоуль, Отопление на более широкий диапазон настройки частоты. Еще одна возможная неисправность это через stiction и требование оптимизации структуры: Мы предлагаем простой и легкий техника низкой частоты квадратные волны сигнала приложения, которое может успешно отделить балки и устраняет необходимость для более сложные и сложные методы, приведенные в литературе. Выше выводы требуют разработки методологии, и поэтому мы также предоставляем на основе приложений дизайна.
Introduction
Существует растущий спрос на MEMS фильтры из-за их высокую надежность, низкое энергопотребление, компактный дизайн, фактором высокого качества и низкой стоимости. Они широко используются как датчики и как основных частей в беспроводной связи. Датчики температуры1, био датчики2,3, газ датчик4, фильтры5,6,7и осцилляторы являются наиболее популярных областей применения. Самые популярные электростатические фильтры MEMS являются фиксированной фиксированного луча5,8, консольные2, Камертон6, свободно свободного пучка6,7, при изгибе диск дизайн7, и квадратной формы дизайн9.
Существует много важных шагов в реализации MEMS фильтр, например методологии проектирования (оптимизация структуры на основе приложений, широкий диапазон частоты, диапазон настройки и избежать сбоев) и характеристики (быстрое прототипирование, избегая паразитарные емкостей и детектирования выше режимы). Частоты тюнинг возможности обязан компенсировать любые изменения частоты за счет изготовления допуски, или вариации температуры окружающей среды. Различные методы10,,1112 были зарегистрированы в литературе для удовлетворения этого требования; Однако они имеют некоторые недостатки, такие как ограниченный частоты настройки возможности, низкая частота, дополнительная должность обработки требований и внешний нагреватель10,11.
В этом исследовании мы представляем, широкий диапазон частоты тюнинг, Джоуль Отопление метод5,13 частотном ограниченный диапазон через модуль упругости изменить12 (повышение напряжения постоянного тока смещения между двух соседних балок) и материал этап перехода метод10,11. Кроме того выбор оптимальной структуры и разработки на основе приложения были обобщены в Göktaş и Zaghloul13. Здесь мы покажем, как настроить резонансная частота фиксированной фиксированного луча, увеличивая напряжение постоянного тока, применяется встроенный нагреватель с помощью АМГ. Моделирование элементного анализа (FEM) синхронизируется с LDV измерения в том же кадре ради визуализации настройки механизма. Это включает в себя Джоуль Отопление и гибки профиля по всей луча.
Мы также представляем возможных сбоев (жженая устройства и stiction) и их предложенные решения. Джоуль, Отопление метод в сочетании с высокой тепловой стресс фиксированной фиксированного луча обеспечивает широкий диапазон частоты тюнинг, но в то же время может привести к обожженной устройств на определенном уровне температуры. Это объясняется высокой тепловой стресс между14различных материалов. Решение заключается в том, чтобы увеличить напряжение постоянного тока между двумя смежными балки, которые в свою очередь увеличивает диапазон настройки (32%) и устраняет необходимость для высоких температур. Этот метод «тюнинг тюнинг диапазона» впервые был продемонстрирован в Göktaş и Zaghloul5, более подробно в Göktaş и Zaghloul13и повторно представленные здесь. Stiction, с другой стороны, может иметь место во время изготовления процесс или резонанс операции. Там было много методов, предлагаемых для решения этой проблемы, как применение покрытие поверхности для уменьшения прилипания энергии15,16, увеличения шероховатости поверхности17и процесс ремонта лазера18. Напротив мы представляем простой техники, где сигнал прямоугольной волны низкой частоты был применен между двух вложенных балки и разделение был успешно записан АМГ. Этот метод может исключить дополнительные расходы и уменьшить сложности дизайна.
Другой критический шаг в построении состояние искусства MEMS фильтр-характеристика и проверки. Характеристика с сетевой анализатор является одним из самых популярных и широко используемых методов; Однако она имеет некоторые недостатки. Даже небольшие паразитные емкости может убить сигнал и так это обычно требует6,,3цепи усилителя8 для ликвидации шум, и он может только обнаружить первый режим резонанс. С другой стороны характеристика с LDV свободен от этого вопроса паразитные емкости и может обнаружить гораздо меньше перемещений. Это позволяет быстрого прототипирования, устраняя потребность в усилитель дизайн. Кроме того АМГ может обнаружить выше режим резонанс MEMS фильтров. Эта функция является очень перспективным, особенно в области высокочувствительный биодатчиков. Выше консольный режим может обеспечить гораздо больше чувствительности19. Выше режим измерения фиксированной фиксированного луча с LDV показана и применяется к Пэм моделирования измерений. Преждевременное результаты моделирования FEM предлагают до 46 раз улучшения в чувствительности, по сравнению с первым режим фиксированной фиксированного луча.
Protocol
Representative Results
Discussion
Одним из важных шагов в создании фильтров MEMS заключается в разработке устройства, основанные на области приложения. Луч должен быть длиннее или разбавитель для лучшего тюнинг эффективности (ppm/МВт), но короче или разбавитель для ППРЧ или сигнала, отслеживания приложений. В то же время че…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана США армии научно-исследовательская лаборатория, Adelphi, MD, США, под Грант W91ZLK-12-P-0447. Резонанс измерения проводились с помощью Майкл Стоун и Энтони Брок. С помощью Damon Conover из университета Джорджа Вашингтона проводилась измерения тепловизионной камеры.
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 |
Referências
- Göktaş, H., Turner, K., Zaghloul, M. Enhancement in CMOS-MEMS Resonator for High Sensitive Temperature Sensing. IEEE Sensors J. 17 (3), 598-603 (2017).
- Davila, A. P., Jang, J., Gupta, A. K., Walter, T., Aronson, A., Bashir, R. Microresonator mass sensors for detection of Bacillus anthracis Sterne spores in air and water. Biosens. Bioelectron. 22 (12), 3028-3035 (2007).
- Lee, J., et al. Suspended microchannel resonators with piezoresistive sensors. Lab Chip. 11 (4), 645-651 (2011).
- Arash, H., Pourkamali, S. Fabrication and Characterization of MEMS-Based Resonant Organic Gas Sensors. IEEE Sensors J. 12 (6), 1958-1964 (2012).
- Göktaş, H., Zaghloul, M. Tuning In-Plane Fixed-Fixed Beam Resonators with Embedded Heater in CMOS Technology. IEEE Electron Device Lett. 36 (2), 189-191 (2015).
- Li, C. S., Hou, L. J., Li, S. S. Advanced CMOS-MEMS Resonator Platform. IEEE Electron Device Lett. 33 (2), 272-274 (2012).
- Li, M. H., Chen, W. C., Li, S. S. Mechanically Coupled CMOS-MEMS Free-Free Beam Resonator Arrays With Ehanced Power Handling Capability. IEEE Trans. Ultrason. Ferroelect. Freq. Control. 59 (3), 346-357 (2012).
- Lopez, J. L., et al. A CMOS-MEMS RF-Tunable Bandpass Filter Based on Two High-Q 22-MHz Polysilicon Clamped-Clamped Beam Resonators. IEEE Electron Device Lett. 30 (7), 718-720 (2009).
- Khine, L., Palaniapan, M. High-Q bulk-mode SOI square resonator with straight-beam anchors. J. Micromech. Microeng. 19 (1), (2009).
- Manca, N., et al. Programmable mechanical resonances in MEMS by localized joule heating of phase change materials. Adv. Mater. 25 (44), 6430-6435 (2013).
- Rúa, A., et al. Phase transition behavior in microcantilevers coated with M1-phase VO2 and M2-phase VO2:Cr thin films. J. Appl. Phys. 111 (10), 104502 (2012).
- Remtema, T., Lin, L. Active frequency tuning for micro resonators by localized thermal stressing effects. Sens. Actuators A, Phys. 91 (3), 326-332 (2001).
- Göktaş, H., Zaghloul, M. The Implementation of Low Power and Wide Tuning Range MEMS filters for Communication Applications. Radio Sci. 51 (10), 1636-1644 (2016).
- Göktaş, H., Zaghloul, M. The Novel Microhotplate: A Design Featuring Ultra High Temperature, Ultra Low Thermal Stress, Low Power Consumption and Small Response Time. Sensor Comm. , (2013).
- Kushmerick, J. G., et al. The influence of coating structure on micromachine stiction. Tribol Lett. 10 (1), (2001).
- Kim, J. M., et al. Continuous anti-stiction coatings using self-assembled monolayers for gold microstructures. J. Micromech. Microeng. 12 (5), 688-695 (2002).
- Bhattacharya, E., et al. Effect of porous silicon formation on stiction in surface micromachined MEMS structures. Phys. Stat. Sol. (A). 202 (8), 1482-1486 (2005).
- Koppaka, S. B., Phinney, L. M. Release Processing Effects on Laser Repair of Stiction-Failed Microcantilevers. J. Microelectromech. Syst. 14 (2), 410-418 (2005).
- Ghatkesar, M. K., et al. Higher modes of vibration increase mass sensitivity in nanomechanical microcantilevers. Nanotechnology. 18 (44), 445502 (2007).
- Göktaş, H., Mona, Z. High Sensitivity CMOS Portable Biosensor with Flexible Microfluidic Integration. IEEE SENSORS. , (2013).
