Real-Time DC-dynamiska Polarisering Metod för Växlingstid Förbättring Svårt underdämpat Frans-fält Elektro MEMS ställdon
Summary
Den robusta enheten design plym-fältelektro MEMS ställdon resultat i sig låga squeeze-film dämpningsförhållanden och långa lösa tider när du utför omkopplingar som använder konventionell steg polarisering. Realtids tid för att byta förbättring med DC-dynamiska vågformer reducerar inställningstid för plym-fältet MEMS ställdon vid övergången mellan dig ner och ner-till-up stater.
Abstract
Mekaniskt underdämpat elektro plym-fält MEMS ställdon är väl kända för sin snabba omkopplingsoperation som svar på en enhet steginsignal förspänning. Emellertid är en relativt lång inställningstid för att nå varje gap höjd som svar på olika pålagda spänningar förhansvisning för förbättrad omkopplingsprestanda. Övergående tillämpas sned vågformer används för att underlätta reducerade omkopplingstider för elektro plym-fält MEMS ställdon med hög mekanisk kvalitetsfaktorer. Ta det underliggande substratet av fringing-fältet ställdon skapar den låga mekanisk dämpning miljö som krävs för att effektivt testa konceptet. Avlägsnandet av det underliggande substratet också har avsevärd förbättring av tillförlitlig produktens prestanda i fråga om att misslyckas på grund av stiction. Även DC-dynamisk förspänning är användbart för att förbättra inställningstid, får de erforderliga stighastigheter för typiska MEMS-enheter ställer aggressiva krav på laddnings pumps för fullt integrerade on-chip design. Dessutom kan det finnas utmaningar som integrerar substrat borttagning steg in i back-end-of-line kommersiella CMOS processteg. Experimentell validering av fabricerade ställdon visar en förbättring med 50x att byta tid jämfört med konventionella steg polarisering resultat. Jämfört med teoretiska beräkningar, de experimentella resultaten är i god överensstämmelse.
Introduction
Mikroelektromekaniska system (MEMS) utnyttjar flera manövreringsmekanismer för att uppnå mekanisk förskjutning. De mest populära är termisk, piezoelektriska, magneto och elektro. För korta omkopplingstiden, är elektrostatisk manövrering det mest populära tekniken 1, 2. I praktiken kritiker dämpade mekaniska konstruktioner ger den bästa kompromissen mellan initial stigtid och inställningstid. Vid tillämpning av DC bias och aktivering av membranet ner mot list elektrod är inställningstid inte en viktig fråga som membranet kommer att knäppa ner och hålla sig till den dielektriska belagda aktiveringselektrod. Flera ansökningar har gynnats av den tidigare nämnda elektro aktivering designen 3 – 8. Emellertid, närvaron av den dielektriska belagda neddragnings elektrod gör manöverdonet mottagliga för dielektrisk laddning och klibbning.
MEMS-membran kan utnyttja en underdamped mekanisk konstruktion för att uppnå en snabb initial stigtid. Ett exempel på en underdämpat mekanisk konstruktion är den elektrostatiska plym-fältet aktiveras (EFFA) MEMS. Denna topologi har ställt ut mycket mindre sårbarhet för typiska skademekanismer som plågar elektro baserade konstruktioner 9-20. Frånvaron av den parallella motelektroden och följaktligen den parallella elektriska fältet är därför dessa MEMS lämpligt kallas "plym-fältet" manövreras (figur 1). För EFFA design, är rullgardins elektrod upp i två separata elektroder som är placerade i sidled förskjutna till det rörliga membranet, helt eliminera överlappningen mellan de rörliga och fasta delar i anordningen. Men avlägsnandet av substratet från under det rörliga membranet minskar väsentligt squeeze film dämpningskomponenten därigenom öka inställningstid. Figur 2B är ett exempel på den inställningstid som svar på standard steg polarisering. Övergående, eller DC-dynamik tillämpas förspänning i realtid kan användas för att förbättra inställningstid 20-26. Figurerna 2C och 2D illustrerar kvalitativt hur en tidsvarierande vågform effektivt kan avbryta ringningen. Tidigare forskning använder numeriska metoder för att beräkna den exakta spänning och tidsinställningar för den ingående partiskhet att förbättra omkopplingstiden. Metoden i detta arbete använder kompakta sluten form uttryck för att beräkna parametrarna sned vågformen. Dessutom fokuserade tidigare arbete på parallella platt aktivering. Medan strukturerna är utformade för att underdämpat är squeeze-film dämpning fortfarande i denna konfiguration. Metoden aktivering som presenteras i detta arbete är plym-fält aktivering. I denna konfiguration squeeze-film dämpning elimineras effektivt. Detta representerar ett extremt fall där den mekaniska dämpningen av MEMS trålen är mycket låg. Detta dokument beskriver hur man tillverka EFFA MEMS devglass och utför mätningen att experimentellt validera konceptet vågform.
Protocol
Representative Results
Discussion
Låg kvarvarande spänning Au filmavsättning och en torr frisättning med XeF2 är kritiskt komponenter i den framgångsrika tillverkningen av anordningen. Elektro plym-fält ställdon ger relativt låga krafter jämfört med parallella plattfält ställdon. Typiska MEMS tunnfilms stressiga> 60 MPa kommer att leda till överdrivet höga drivspänningar som eventuellt kan äventyra tillförlitligheten EFFA MEMS. Av denna anledning kan elektroplätering receptet är noggrant tecknas för att ge en tunn film…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna vill tacka Ryan Tung för hans stöd och användbara tekniska diskussioner.
Författarna vill också att erkänna den hjälp och stöd för Birck Nanotechnology Center teknisk personal. Detta arbete stöddes av Defense Advanced Research Projects Agency under Purdue Microwave Reconfigurable Evanescent-Mode Cavity Filter Study. Och även av NNSA Center of Prediktion av tillförlitlighet, integritet och Överlevnads av Micro och Department of Energy enligt Award Number DE-FC5208NA28617. De synpunkter, åsikter och / eller resultaten i detta dokument / presentation är de av författarna / presentatörer och ska inte tolkas som officiella ståndpunkter eller politik, varken uttryckligen eller underförstått, för Defense Advanced Research Projects Agency eller institutionen Försvars.
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).
