Design und Charakterisierung Methodik für effiziente Weitbereichs-abstimmbaren MEMS-Filter
Summary
Ein Protokoll für eine feste-feste Strahl-Design mit einem Laser Doppler Vibrometer (LDV), einschließlich der Messung der Frequenz tuning, Modifikation des Tunings-Fähigkeit und Vermeidung von Geräteausfall und Stiction, wird vorgestellt. Die Überlegenheit der LDV-Methode über die Netzwerk-Analyzer ist aufgrund seiner höheren Modus Fähigkeit unter Beweis gestellt.
Abstract
Hier zeigen wir die Vorteile der Laser-Doppler-Vibrometer (LDV) über konventionelle Techniken (Netzwerk-Analyzer) sowie die Techniken, um eine anwendungsorientierte mikroelektromechanische Systeme (MEMS) Filter wie es effizient zu nutzen () erstellen und d. h., tuning tuning-Funktion und Fehler und Stiction zu vermeiden). LDV ermöglicht wichtige Messungen, die mit der Netzwerk-Analyzer, wie höhere Modus Erkennung (hochempfindliche Biosensor-Anwendung) und Resonanz-Messung für sehr kleine Geräte (schnelles Prototyping) nicht möglich sind. Dementsprechend wurde LDV verwendet, um die tuning Frequenzbereich und die Resonanzfrequenz in verschiedenen Modi der MEMS-Filter für diese Studie gebaut charakterisieren. Diese breite Palette Frequenz tuning Mechanismus basiert einfach auf Joule Beheizung von eingebetteten Heizungen und relativ hohe thermische Belastung in Bezug auf die Temperatur eines Balkens fest fixiert. Wir zeigen jedoch, dass eine weitere Einschränkung dieser Methode ist die daraus resultierende hohe thermische Belastung, die die Geräte verbrennen kann. Weitere Verbesserung wurde erreicht und erstmals in dieser Studie gezeigt, so dass die Tune-Funktion durch eine Erhöhung der angewandten DC Bias-Spannung (25 V bis 35 V) zwischen zwei benachbarten Strahlen 32 % erhöht wurde. Diese wichtige Erkenntnis entfallen zusätzliche Erhitzung bei der breiteren Frequenzbereich tuning Joule. Ein weiteres mögliches Scheitern ist durch Stiction und Anforderung der Strukturoptimierung: Wir bieten eine einfache und leichte Technik der niederfrequenten Rechtecksignal Signal Anwendung, kann erfolgreich die Balken trennen und eliminiert die Notwendigkeit für mehr, anspruchsvolle und komplizierte Methoden in der Literatur gegeben. Die vorstehenden Feststellungen erfordern eine Design-Methodik, und so bieten wir auch eine anwendungsorientierte Design.
Introduction
Es gibt eine wachsende Nachfrage für MEMS-Filter durch ihre hohe Zuverlässigkeit, geringer Stromverbrauch, kompakte Bauweise, hohen Qualitätsfaktor und niedrigen Kosten. Sie sind weit verbreitet als Sensoren und als zentrale Bestandteile in der drahtlosen Kommunikation. Temperatur-Sensoren1, Bio-Sensoren2,3, Gas-Sensoren4, Filter5,6,7und Oszillatoren sind die beliebtesten Anwendungsbereiche. Die beliebtesten elektrostatische MEMS-Filter sind fest fixiert Strahl5,8, Freischwinger2, Stimmgabel6, frei-freie Träger6,7, Biege-Disk Design7, und quadratische Form Design9.
Es gibt viele wichtige Schritte bei der Realisierung von eines MEMS-Filters, wie Design-Methodik (anwendungsorientierte Strukturoptimierung, breites Spektrum Frequenz Abstimmbereich und Ausfälle vermeiden) und Charakterisierung (schnelles Prototyping, Vermeidung von parasitären Kapazitäten und Erkennung von höheren Modi). Frequenz tuning Funktion ist erforderlich, um für jede Frequenzänderungen aufgrund Herstellung Toleranzen oder Umgebungstemperatur Variationen zu kompensieren. Verschiedene Techniken10,11,12 wurde in der Literatur berichtet, um dieser Anforderung zu entsprechen; Sie haben jedoch einige Nachteile wie begrenzten Frequenz tuning Fähigkeit, niedrige Mittenfrequenz, zusätzliche Post-processing-Anforderungen und externe Heizung10,11.
In dieser Studie präsentieren wir Ihnen breite Palette Frequenz tuning von Joule Heizung Methode5,13 über einen begrenzten Frequenz Abstimmbereich über einen Elastizitätsmodul ändern12 (Erhöhung der DC-Bias-Spannung zwischen zwei benachbarten Strahlen) und eine Material phase Übergang Methode10,11. Darüber hinaus wurden der Auswahl optimaler Struktur und die anwendungsorientierte Gestaltung in göktas und Zaghloul13zusammengefasst. Hier zeigen wir wie Tune die Resonanzfrequenz eines Balkens fest fixiert durch Erhöhung der DC-Spannung auf die integrierte Heizung mit Hilfe der LDV angewendet. Die finite-Elemente-Analyse (FEM)-Simulation wird mit der LDV-Messung im selben Frame aus Gründen der Visualisierung des tuning-Mechanismus synchronisiert. Dazu gehören das Joule Heiz- und Profil in die Balken biegen.
Wir präsentieren auch die mögliche Ausfälle (verbrannten Geräten und Stiction) und ihre Lösungsvorschläge. Heizung-Methode in Kombination mit der hohen thermischen Belastung des Trägers fest fixiert Joule bietet zahlreiche tuning-Frequenz aber zur gleichen Zeit kann verbrannten Geräten auf einem bestimmten Temperaturniveau führen. Dies ist zurückzuführen auf die hohe thermische Belastung zwischen verschiedenen Materialien14. Die Lösung ist die Gleichspannung zwischen zwei benachbarten Strahlen, die wiederum erhöht den Abstimmbereich (32 %), und eliminiert die Notwendigkeit für hohe Temperatur zu erhöhen. Diese “tuning tuning-Bereich” Methode wurde zuerst demonstrierten in göktas und Zaghloul5göktas und Zaghloul13näher erläutert und neu vorgestellten. Stiction, kann auf der anderen Seite während der Fertigung Prozess oder Resonanz-Operation erfolgen. Es wurden viele Techniken zur Bewältigung dieses Problems wie die Anwendung Oberflächenbeschichtung zur Verringerung der Adhäsion Energie15,16, zunehmender Oberflächenrauheit17und der Laser Reparatur Prozess18vorgeschlagen. Im Gegensatz dazu stellen wir eine einfache Technik, wo ein Niederfrequenz-Rechtecksignal zwischen zwei angeschlossenen Balken angewendet wurde und die Trennung wurde erfolgreich von LDV aufgezeichnet. Diese Methode beseitigen kann zusätzliche Kosten und Komplexität zu reduzieren.
Ein weiterer wichtiger Schritt beim Aufbau eines State-Of-The-Art-MEMS-Filters ist Charakterisierung und Verifizierung. Charakterisierung mit einem Netzwerk-Analyzer ist eine der beliebtesten und am weitesten verbreiteten Methoden; Es hat jedoch einige Nachteile. Auch kleine parasitäre Kapazität kann das Signal zu töten und so dies in der Regel eine Verstärker-Schaltung3,6,8 für Lärm Beseitigung erfordert, und es nur erste Modus Resonanz erkennt. Auf der anderen Seite Charakterisierung mit LDV ist frei von dieser parasitäre Kapazität Frage und viel kleinerem Hubraum zu erkennen. Dies ermöglicht schnelles Prototyping, wodurch die Notwendigkeit für Verstärker-Design. Darüber hinaus erkennt LDV höheren Modus Resonanz der MEMS-Filter. Diese Funktion ist sehr vielversprechend, vor allem im Bereich der hochempfindliche Biosensoren. Ein höherer Cantilever-Modus bieten viel mehr Sensibilität19. Die höheren Modus Messung eines Balkens fest fixiert mit LDV gezeigt und auf FEM-Simulation-Messung angewendet. Die vorzeitige Ergebnisse aus der FEM-Simulation bieten bis zu 46 Mal Verbesserung in der Empfindlichkeit im Vergleich zu den ersten Modus des Strahls fest fixiert.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die entscheidenden Schritte beim Aufbau von MEMS-Filter soll die Geräte basierend auf den Einsatzbereich zu entwickeln. Der Strahl sollte länger oder dünner für bessere Stimmung Effizienz (ppm/mW), aber kürzer oder dünner für Frequenzsprung oder Signal tracking-Anwendungen. In der gleichen Weise ist klares Signalerkennung über LDV in Gerät testen, weshalb es besser ist, den Strahl mit mindestens 3-4 µm Dicke zu entwerfen. Sonst wird das Signal laut, sogar mit einer 100 X Objektiv, und es dauert mehrere Punkte, …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde von der US Army Research Laboratory, Adelphi, MD, USA, unter Grant W91ZLK-12-P-0447 unterstützt. Die Resonanz-Messungen wurden mit Hilfe von Michael Stone und Anthony Brock durchgeführt. Die Wärmebildkamera Messung erfolgte mit Hilfe von Damon Conover an der George Washington University.
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 |
References
- 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).
