Real-Time DC-dynamisk Biasing metoden for veksling Tid Bedring i Alvorlig Underdamped Fringing-feltet Elektro MEMS Aktuatorer
Summary
Den robuste enhet utforming av fringing-feltelektro MEMS aktuatorer resultater i iboende lave klemme-film demping forhold og lang settling ganger når du utfører bytte operasjoner ved hjelp av konvensjonelle skritt vekting. Sanntids skiftetid forbedring med DC-dynamiske kurver reduserer innsovningstid av fringing-feltet MEMS aktuatorer når overgangen mellom up-to-ned og down-to-up stater.
Abstract
Mekanisk underdamped elektrostatisk feltspredning-MEMS aktuatorer er kjent for sin raske svitsjeoperasjon som reaksjon på en inngangsenhet trinn forspenning. Imidlertid er kompromisset for det forbedrede koblingsytelse relativt lang bunnfellingstid å nå hvert gap høyde som reaksjon på forskjellige anvendte spenninger. Forbigående anvendt skjevhet bølgeformer er ansatt for å legge til rette for reduserte koblingstider for elektrostatisk fringing-felt MEMS aktuatorer med høy mekanisk kvalitetsfaktorer. Fjerning av det underliggende substrat på spredning-feltet aktuator skaper den lave mekanisk demping miljø nødvendig for effektivt å teste konseptet. Fjerning av den underliggende substrat også en har betydelig forbedring på påliteligheten enhetens ytelse i forhold til svikt på grunn av stiction. Selv om DC-dynamisk forspenning er nyttig i å forbedre innsovningstid, de nødvendige drepte priser for typiske MEMS enheter kan plassere aggressive krav til kostnad pumps for fullt integrert on-chip design. I tillegg kan det være utfordringer integrere underlaget fjerning skritt inn i back-end-of-line kommersielle CMOS behandlingstrinn. Eksperimentell validering av fabrikkert aktuatorer viser en forbedring på 50x i bytte tid sammenlignet med konvensjonelle trinn vekting resultater. Sammenlignet med teoretiske beregninger, de eksperimentelle resultatene er i god avtale.
Introduction
Mikroelektromekaniske systemer (MEMS) utnytter flere aktiveringsmekanismer for å oppnå mekanisk forskyvning. De mest populære er termisk, piezoelektrisk, magnetostatic, og elektro. For kort responstid kommer, er elektro aktivering mest populær teknikk 1, 2. I praksis kritiker dempede mekaniske konstruksjoner levere det beste kompromisset mellom innledende stigning tid og settling tid. Ved anvendelse av DC forspenning og aktivering av membranen ned mot rullegardin elektrode, er settling tid ikke et signifikant problem som membranen vil feste seg og holder seg til den dielektriske belagte aktiveringselektrode. Flere programmer har dratt nytte av den nevnte elektro aktivering utforming 3 – 8. Men tilstedeværelsen av den dielektriske belagte pull-down-elektroden gjør aktuatoren utsatt for dielektrisk lading og stiction.
MEMS membraner kan utnytte en underdamped mekanisk konstruksjon for å oppnå en rask innledende stigetid. Et eksempel på en underdamped mekanisk utforming er den elektrostatiske feltspredning-betjent (Effa) MEMS. Denne topologien har utstilt langt mindre sårbarhet for typiske feilmekanismer som plager elektro basert design 9-20. Fraværet av den parallelle motelektroden, og dermed parallell elektriske feltet er derfor disse MEMS er hensiktsmessig kalles "spredning-field" betjent (figur 1). For Effa design, er rullegardin elektrode delt i to separate elektroder som er plassert lateralt utlignet til bevegelige membran, helt eliminere overlappingen mellom de bevegelige og stasjonære deler av enheten. Imidlertid, fjerning av underlaget fra under den bevegelige membran reduserer klemme filmen dempekomponent for derved å øke sedimenterings tid. Figur 2B er et eksempel på sedimenterings tid som svar på standard skritt vekting. Forbigående eller DC-dynamiske anvendt biasing i sanntid kan brukes til å forbedre sedimente tid 20-26. Figurene 2C og 2D kvalitativt illustrerer hvordan en tidsvarierende bølgeform kan effektivt å avbryte ringing. Tidligere forskningsinnsats benytte numeriske metoder for å beregne den nøyaktige spenning og tidsberegningen av inngangs forspenning for å forbedre koblingstiden. Metoden i dette arbeidet har kompakte lukket form uttrykk for å beregne innspill skjevhet kurveparametere. I tillegg fokuserte tidligere arbeid med parallell plate aktivering. Mens strukturene er laget for å bli underdamped, er squeeze-film demping fortsatt tilgjengelig i denne konfigurasjonen. Betjeningsmetode presentert i dette arbeidet er fringing-feltet aktivering. I denne konfigurasjonen squeeze-film demping er effektivt eliminert. Dette representerer et ekstremt tilfelle, hvor den mekaniske dempning av MEMS trålen er meget lav. Denne artikkelen beskriver hvordan du dikte Effa MEMS devICES og utføre målingen til eksperimentelt validere bølgeform konseptet.
Protocol
Representative Results
Discussion
Lav restspenninger Au film avsetning og en tørr utgivelse med XEF to er kritisk komponenter i vellykket fabrikasjon av enheten. Elektro fringing-felt aktuatorer gir relativt lave krefter i forhold til parallell-plate felt aktuatorer. Typiske MEMS tynnfilm påkjenninger i> 60 MPa vil resultere i svært høye drivspenninger som potensielt kan kompromittere påliteligheten av Effa MEMS. Av denne grunn er den elektroplette oppskriften er nøye karakterisert til å gi en tynn film med lav bi-aksial midlere str…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne ønsker å takke Ryan Tung for hans hjelp og nyttige tekniske diskusjoner.
Forfatterne ønsker også å erkjenne den hjelp og støtte av Birck Nanoteknologi senter teknisk personale. Dette arbeidet ble støttet av Defense Advanced Research Projects Agency under Purdue Mikrobølgeovn rekonfigurer Evanescent-Mode Cavity filtre Study. Og også ved NNSA Center of Prediksjon av pålitelighet, integritet og overlevelsesevne av Microsystems og Department of Energy i henhold Award Antall DE-FC5208NA28617. De synspunkter, meninger, og / eller funn som finnes i denne artikkelen / presentasjon er de av forfattere / foredragsholdere og bør ikke tolkes som representerer de offisielle synspunkter eller holdninger, enten uttrykt eller underforstått, av Defense Advanced Research Projects Agency eller Institutt of Defense.
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).
