Real-Time DC-динамичный Смещение Метод коммутации Улучшение времени в строго Underdamped окантовкой поля электростатических MEMS приводов
Summary
Прочная конструкция устройства окантовка-полевых электростатических MEMS приводы результатов в своей сути низких сжатие пленок условиях затухания и долго времени установления при выполнении переключений с помощью обычной стадии смещения. Переключение улучшение времени с DC-динамических сигналов в реальном времени уменьшает осаждения время окантовки поля МЭМС приводов при переходе между до-до-вниз и вниз-к-до государств.
Abstract
Механически underdamped MEMS электростатического окантовка-полевые приводы, хорошо известны за их операцией быстрого переключения в ответ на блок напряжения ступени ввода смещения. Тем не менее, компромисс для повышения производительности коммутации это время относительно долго урегулирования для достижения каждой высоту зазора в ответ на различные напряжениях. Переходный применяются сигналы смещения используются для облегчения сократить время переключения для электростатических окантовка-полевые MEMS приводов с высокими механическими показателями качества. Удаление нижележащей подложки привода окантовка поля создает низкий среда механических потерь необходимо эффективно протестировать концепцию. Удаление основного субстрата также имеет существенное улучшение на производительность надежности устройства в отношении отказа в связи с клейкости. Хотя DC-динамичный смещения полезно в улучшении время установления, необходимые темпы нарастания для типичных MEMS устройств может разместить агрессивные требования к заряда рUMPS для полностью интегрированной на кристалле конструкций. Кроме того, могут быть проблемы интеграции стадию удаления подложки в обратно-истекшим линии коммерческие CMOS этапов обработки. Экспериментальная проверка готовых приводов демонстрирует улучшение в 50 раз время переключения по сравнению с обычной стадии смещения результатов. По сравнению с теоретическими расчетами, экспериментальные результаты находятся в хорошем согласии.
Introduction
Микроэлектромеханические системы (MEMS) используют несколько исполнительных механизмов для достижения механического перемещения. Наиболее популярными являются тепловые, пьезоэлектрический, магнитостатическая, и электростатическое. За короткое время переключения, электростатического привода является наиболее популярным методом 1, 2. На практике, критически-затухающие механические конструкции доставить наилучший компромисс между первоначальной временем нарастания и время установления. После приложения напряжения смещения постоянного тока и приведения в мембрану вниз к ниспадающей электрода, время установления не является серьезной проблемой, как мембраны будет оснастку и придерживаться электрода диэлектрической покрытием срабатывания. Несколько приложений воспользовались вышеупомянутой конструкции электростатического привода 3 – 8. Тем не менее, присутствие диэлектрической покрытием со спуском электрода привод восприимчивы к диэлектрической зарядки и клейкости.
MEMS мембраны могут использовать в Underdamped механическая конструкция для достижения быстрой начальной время нарастания. Пример underdamped механической конструкции является электростатическое поле окантовка управления (Effa) МЭМС. Эта топология демонстрирует гораздо меньше уязвимость к типичным механизмов отказа, которые мешают электростатические конструкции основанные 9-20. Отсутствие параллельной противоположного электрода и, следовательно, параллельно электрическому полю, почему эти МЭМС уместно назвать "окантовка поле" приводом (рисунок 1). Для проектирования Effa, выпадающее электрод разделен на два отдельных электродов, которые расположены горизонтально смещенных к движущейся мембраны, полностью исключив перекрытия между подвижной и неподвижной частями устройства. Тем не менее, удаление подложки снизу подвижной мембраны значительно снижает сжатия пленки составляющей амортизации тем самым увеличивая время установления. Фиг.2В показан пример осадительной времени в ответ на Standarд шаг смещения. Переходный или постоянного тока смещения динамического применяется в режиме реального времени могут быть использованы для улучшения время установления 20-26. На рис 2С и 2D иллюстрируют, как качественно изменяющихся во времени сигнала может эффективно отмены звон. Предыдущие попытки исследовательских использовать численные методы для расчета точного напряжения и таймингов входного смещения улучшить время переключения. Метод в этой работе использует компактные выражения замкнутой форме для расчета параметров сигнала входного смещения. Кроме того, предыдущая работа была сосредоточена на параллельных пластин срабатывания. В то время как структуры предназначены для underdamped, сжатие-фильм затухание по-прежнему доступен в этой конфигурации. Метод срабатывания представлены в этой работе является окантовка поля срабатывания. В этой конфигурации сжатие пленки затухания эффективно устранены. Это представляет собой крайний случай, когда механическое затухание луча MEMS является очень низким. Эта статья описывает, как изготовить Dev Effa MEMSльды и выполнить измерение экспериментально проверки концепции сигнала.
Protocol
Representative Results
Discussion
Низкое остаточное напряжение Au пленку осаждением и сухой выпуск с XeF 2 являются критически компоненты в успешном изготовлении устройства. Электростатические приводы окантовка поля обеспечивают относительно низкие силы по сравнению с приводами полевых плоскопараллельных. Типи?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы хотели бы поблагодарить Райан Танга за помощь и полезные обсуждения технических вопросов.
Авторы также хотели бы поблагодарить за помощь и поддержку технического персонала Бирка Нанотехнологии Center. Эта работа была поддержана обороны перспективных исследований Проекты агентства по Пердью СВЧ Reconfigurable Evanescent-моды резонатора Фильтры исследование. А также НАЯБ Центра прогнозирования надежности, целостности и живучести Microsystems и Министерством энергетики под Award Число DE-FC5208NA28617. Взгляды, мнения и / или выводы, содержащиеся в этой статье / презентации, принадлежат авторов / докладчиков и не должны интерпретироваться как представляющие официальную позицию или политику, явно выраженных или подразумеваемых, из передовых оборонных исследований Проекты агентства или отдела обороны.
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).
