Echtzeit-DC-Vorspannung dynamische Verfahren zur Verbesserung Schaltzeit in stark unterdämpft Fransen-Bereich Elektroantriebe MEMS
Summary
Das robuste Design des Geräts streufeldelektrostatische MEMS Aktoren Ergebnisse in inhärent niedrigen Squeeze-Film-Dämpfung Bedingungen und lange Einschwingzeiten bei der Durchführung von Schaltvorgängen mit herkömmlichen Schritt Vorspannung. Echtzeit-Schaltzeitverbesserung mit DC-dynamischen Wellenformen reduziert die Einschwingzeit des streufeld MEMS-Aktoren, wenn zwischen up-to-down und down-to-up-Staaten.
Abstract
Mechanisch unterdämpften elektrostreufeld MEMS-Betätigungsglieder sind für ihre schnelle Schaltvorgang in Reaktion auf eine Einheitsschritteingabe Vorspannung bekannt. Der Kompromiß für das verbesserte Schaltleistung ist jedoch eine relativ lange Beruhigungszeit, um jeden Spalthöhe in Abhängigkeit von verschiedenen angelegten Spannungen zu erreichen. Transient angelegten Vorspannung Wellenformen werden eingesetzt, um reduzierten Schaltzeiten für elektrostreufeld MEMS Antriebe mit hohen mechanischen Qualitätsfaktoren zu erleichtern. Entfernen der zugrunde liegenden Substrat der streufeld Aktor erstellt der niedrigen mechanischen Dämpfungs Umgebung erforderlich, um effektiv testen das Konzept. Das Entfernen des darunterliegenden Substrats ist auch eine wesentliche Verbesserung der Funktionsfähigkeit der Vorrichtung im Hinblick auf Versagen aufgrund von Haftreibung. Obwohl DC-dynamische Vorspannung ist nützlich bei der Verbesserung der Einschwingzeit, die geforderten Anstiegsgeschwindigkeiten für typische MEMS aggressive Anforderungen an die Ladungs p platzierenUMPS für voll integrierte On-Chip-Designs. Darüber hinaus kann es Herausforderungen die Integration der Substratentfernung Schritt in die Back-End-of-Line-CMOS-kommerziellen Verarbeitungsschritte sein. Experimentelle Validierung hergestellt Aktuatoren zeigt eine Verbesserung von 50x in Schaltzeit im Vergleich zu herkömmlichen Schrittvorspann Ergebnisse. Im Vergleich zu theoretischen Berechnungen, sind die experimentellen Ergebnisse in guter Übereinstimmung.
Introduction
Mikroelektromechanische Systeme (MEMS) nutzen mehrere Betätigungsmechanismen, um mechanische Verschiebung zu erreichen. Die beliebtesten sind thermische, piezoelektrische, magneto und elektrostatische. Für kurze Schaltzeit, ist die elektrostatische Betätigung die beliebteste Technik 1, 2. In der Praxis kritisch-gedämpfte mechanische Designs liefern den besten Kompromiss zwischen Anfangsanstiegszeit und Einschwingzeit. Nach Anwendung der DC-Bias und das Betätigen der Membran nach unten in Richtung der Pull-Down-Elektrode ist der Einschwingzeit kein großes Problem wie die Membran wird sich zu reißen und sich an die dielektrische beschichtete Elektrode Betätigung. 8 – mehrere Anwendungen aus der oben genannten elektrostatische Betätigung Design 3 profitiert. Jedoch ist das Vorhandensein der dielektrischen beschichteten Pulldown-Elektrode der Aktor anfällig dielektrische Aufladung und Haftreibung.
MEMS-Membranen können eine u nutzennderdamped mechanische Konstruktion, um eine schnelle Anfangsanstiegszeit zu erzielen. Ein Beispiel für eine unterkritisch gedämpfte mechanische Aufbau ist die elektrostatische Randfeld betätigt (EFFA) MEMS. Diese Topologie ist weit weniger Anfälligkeit für typische Ausfallmechanismen, die elektrostatische basierte Designs 9-20 Pest ausgestellt. Das Fehlen der Gegenelektrode parallel und folglich die parallelen elektrischen Feld ist, warum diese MEMS angemessen "streufeld" betätigt (Abbildung 1) genannt. Zur EFFA Konstruktion wird der Pull-down-Elektrode in zwei getrennte Elektroden, die seitlich zu der Bewegungs Membran versetzt angeordnet sind, vollständig die Überlappung zwischen den beweglichen und feststehenden Teilen der Vorrichtung unterteilt. Jedoch ist die Entfernung des Substrats von unterhalb der beweglichen Membran reduziert die Squeeze-Film-Dämpfung Komponente, wodurch die Einstellzeit erhöht wird. 2B ist ein Beispiel für die Setzzeit in Reaktion auf STANDARd Schritt Vorspannung. Transiente oder DC-Vorspannung angelegt dynamische in Echtzeit verwendet werden, um die Einschwingzeit 20-26 verbessern. 2C und 2D veranschaulichen, wie ein qualitativ zeitlich variierenden Wellenform effektiv das Klingeln beenden. Früheren Forschungsbemühungen verwenden numerische Verfahren, um die genaue Spannung und Zeitpunkte der Eingangs-Bias zu berechnen, um die Schaltzeit zu verbessern. Das Verfahren in dieser Arbeit verwendet kompakte geschlossene Form Ausdrücke, um die Eingangs-Bias-Wellenform-Parameter berechnen. Darüber hinaus konzentrierte sich auf frühere Arbeiten parallel Platte Betätigung. Während die Strukturen sind für unterdämpft ist, ist Squeeze-Film-Dämpfung noch in dieser Konfiguration. Die in dieser Arbeit vorgestellten Verfahren ist die Betätigung streufeld Betätigung. In dieser Konfiguration Squeeze-Film-Dämpfung wird effektiv eliminiert. Dies stellt einen Extremfall, wo die mechanische Dämpfung der MEMS Strahl ist sehr gering. Dieses Papier beschreibt, wie die EFFA MEMS dev herzustellenICES und die Messung durchführen, um experimentell zu validieren die Wellenform-Konzept.
Protocol
Representative Results
Discussion
Niedrige Restspannung Au Filmabscheidung und eine Trocken Release mit XeF 2 sind kritisch Komponenten in der erfolgreichen Herstellung der Vorrichtung. Elektrostatische streufeld Aktoren bieten relativ geringen Kräften im Vergleich zu Parallelplattenfeldaktoren. Typische MEMS Dünnschicht Spannungen von> 60 MPa wird in einer übermäßig hohen Antriebsspannungen, die potenziell gefährden können, die Zuverlässigkeit von MEMS EFFA führen. Aus diesem Grund ist die Galvanik Rezept wird sorgfältig charakt…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren möchten sich Ryan Tung für seine Hilfe und nützliche technische Diskussionen.
Die Autoren möchten auch die Hilfe und Unterstützung des technischen Personals Birck Nanotechnology Center bestätigen. Diese Arbeit wurde von der Defense Advanced Research Projects Agency unter der Purdue Mikrowelle Reconfigurable Evanescent-Mode unterstützt Cavity Filter-Studie. Und auch von NNSA Center of Vorhersage von Zuverlässigkeit, Integrität und Überlebensfähigkeit von Microsystems und des Energieministeriums unter Preis Nummer DE-FC5208NA28617. Die Ansichten, Meinungen und / oder Ergebnisse in diesem Papier / Präsentation enthalten sind, sind die der Autoren / Referenten und sollte nicht als Vertreter der offiziellen Ansichten oder Strategien interpretiert werden, weder ausdrücklich noch stillschweigend, von der Defense Advanced Research Projects Agency oder der Abteilung der Verteidigung.
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 |
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