डिजाइन और कुशल वाइड रेंज स्वरित्र एमईएमएस फिल्टर के लिए लक्षण वर्णन पद्धति
Summary
एक निश्चित-फिक्स्ड बीम डिजाइन एक लेज़र डॉपलर vibrometer (LDV), आवृत्ति ट्यूनिंग की माप, ट्यूनिंग क्षमता के संशोधन, और डिवाइस विफलता और stiction के परिहार सहित, का उपयोग कर के लिए एक प्रोटोकॉल प्रस्तुत किया है । नेटवर्क विश्लेषक पर LDV विधि की श्रेष्ठता अपने उच्च मोड क्षमता के कारण प्रदर्शित किया जाता है ।
Abstract
यहाँ, हम पारंपरिक तकनीक (नेटवर्क विश्लेषक) पर लेजर डॉपलर vibrometer (LDV) के लाभ का प्रदर्शन, साथ ही तकनीक एक आवेदन आधारित microelectromechanical सिस्टम (एमईएमएस) फिल्टर बनाने के लिए और यह कैसे कुशलता से उपयोग करने के लिए ( अर्थात्, ट्यूनिंग की क्षमता ट्यूनिंग और दोनों विफलता और stiction से परहेज) । LDV ऐसे उच्च मोड का पता लगाने के रूप में नेटवर्क विश्लेषक, के साथ असंभव है कि महत्वपूर्ण माप सक्षम बनाता है (अति संवेदनशील उच्च संवेदी आवेदन) और बहुत छोटे उपकरणों के लिए अनुनाद माप (फास्ट प्रोटोटाइप). तदनुसार, LDV इस अध्ययन के लिए बनाया एमईएमएस फिल्टर के विभिन्न मोड पर आवृत्ति ट्यूनिंग रेंज और अनुनाद आवृत्ति विशेषताएं करने के लिए इस्तेमाल किया गया था । इस विस्तृत रेंज आवृत्ति ट्यूनिंग तंत्र बस जूल हीटिंग पर एम्बेडेड हीटर और अपेक्षाकृत उच्च थर्मल तनाव से एक निश्चित-निश्चित बीम के तापमान के संबंध में आधारित है । हालांकि, हम यह है कि इस विधि की एक और सीमा के परिणामस्वरूप उच्च थर्मल तनाव है, जो उपकरणों को जला कर सकते है प्रदर्शित करता है । आगे सुधार प्राप्त किया और इस अध्ययन में पहली बार के लिए दिखाया गया था, इस तरह कि ट्यूनिंग की क्षमता ३२% द्वारा लागू डीसी पूर्वाग्रह वोल्टेज में वृद्धि के माध्यम से वृद्धि हुई थी (25 वी करने के लिए ३५ v) दो आसंन मुस्कराते हुए के बीच । यह महत्वपूर्ण खोज व्यापक आवृत्ति ट्यूनिंग रेंज में अतिरिक्त जूल हीटिंग के लिए की आवश्यकता समाप्त । एक और संभव विफलता stiction और संरचना अनुकूलन की आवश्यकता के माध्यम से है: हम कम आवृत्ति वर्ग तरंग संकेत आवेदन है कि सफलतापूर्वक बीम अलग कर सकते हैं और अधिक के लिए की आवश्यकता समाप्त की एक सरल और आसान तकनीक का प्रस्ताव साहित्य में दी गई परिष्कृत और जटिल विधियाँ. इसके बाद के संस्करण निष्कर्षों जरूरत एक डिजाइन पद्धति है, और इसलिए हम भी एक आवेदन आधारित डिजाइन प्रदान करते हैं ।
Introduction
वहां एमईएमएस उनके उच्च विश्वसनीयता, कम बिजली की खपत, कॉंपैक्ट डिजाइन, उच्च गुणवत्ता कारक है, और कम लागत के कारण फिल्टर के लिए मांग बढ़ रही है । वे व्यापक रूप से सेंसर के रूप में और वायरलेस संचार में मुख्य भागों के रूप में इस्तेमाल कर रहे हैं । तापमान सेंसरों1, जैव सेंसरों2,3, गैस सेंसर4,5,6,7, और oscillators के सबसे लोकप्रिय आवेदन क्षेत्रों रहे हैं । सबसे लोकप्रिय इलेक्ट्रोस्टैटिक एमईएमएस फिल्टर तय कर रहे हैं-फिक्स्ड बीम5,8, ब्रैकट2, ट्यूनिंग कांटा6, मुक्त-मुक्त बीम6,7, वंक-डिस्क डिजाइन7, और स्क्वायर आकार डिजाइन9।
एक एमईएमएस फिल्टर को साकार करने में कई महत्वपूर्ण कदम हैं, जैसे डिजाइन पद्धति (आवेदन आधारित संरचना अनुकूलन, विस्तृत रेंज आवृत्ति ट्यूनिंग रेंज, और विफलताओं से बचने) और लक्षण वर्णन (तेजी से प्रोटोटाइप, परजीवी से परहेज capacitances, और उच्च मोड का पता लगाने) । आवृत्ति ट्यूनिंग क्षमता निर्माण सहिष्णुता, या परिवेश तापमान विविधताओं के कारण किसी भी आवृत्ति परिवर्तन के लिए क्षतिपूर्ति करने के लिए आवश्यक है । अलग तकनीक10,11,12 इस आवश्यकता को संबोधित करने के लिए साहित्य में सूचित किया गया है; हालांकि, वे सीमित आवृत्ति ट्यूनिंग क्षमता, कम केंद्र आवृत्ति, अतिरिक्त पोस्ट प्रोसेसिंग आवश्यकताओं, और बाहरी हीटर10,11के रूप में कुछ कमियां है ।
इस अध्ययन में हम जूल हीटिंग विधि5,13 से एक सीमित आवृत्ति ट्यूनिंग सीमा से अधिक एक लोचदार मापांक परिवर्तन12 (दो आसंन मुस्कराते हुए के बीच डीसी पूर्वाग्रह वोल्टेज में वृद्धि) द्वारा ट्यूनिंग विस्तृत रेंज आवृत्ति वर्तमान और एक सामग्री चरण संक्रमण विधि10,11. इसके अलावा, इष्टतम संरचना चयन और आवेदन आधारित डिजाइन Göktaş और Zaghloul13में संक्षेप थे । यहां, हम कैसे LDV की मदद से एंबेडेड हीटर के लिए आवेदन डीसी वोल्टेज में वृद्धि से एक निश्चित-फिक्स्ड बीम की प्रतिध्वनि आवृत्ति धुन करने के लिए दिखाते हैं । परिमित तत्व विश्लेषण (फेम) सिमुलेशन ट्यूनिंग तंत्र visualizing के लिए एक ही फ्रेम में LDV माप के साथ सिंक्रनाइज़ है । यह बीम भर में जूल हीटिंग और झुकने प्रोफ़ाइल शामिल हैं ।
हम भी संभव विफलताओं (जला उपकरणों और stiction) और उनके प्रस्तावित समाधान मौजूद है । निश्चित-फिक्स्ड बीम के उच्च थर्मल तनाव के साथ संयोजन में जूल हीटिंग विधि विस्तृत रेंज आवृत्ति ट्यूनिंग प्रदान करता है, लेकिन एक ही समय में एक निश्चित तापमान स्तर पर जला उपकरणों में परिणाम कर सकते हैं । यह विभिंन सामग्रियों के बीच उच्च थर्मल तनाव के लिए जिंमेदार ठहराया है14। समाधान के लिए दो आसंन मुस्कराते हुए, जो बारी में ट्यूनिंग रेंज बढ़ जाती है के बीच डीसी वोल्टेज बढ़ाने के लिए है (३२%), और उच्च तापमान की आवश्यकता को समाप्त । यह “ट्यूनिंग-सीमा” विधि पहले Göktaş और Zaghloul5में प्रदर्शित किया गया था, और अधिक विस्तार में Göktaş और Zaghloul13में समझाया, और फिर से यहां प्रस्तुत किया । Stiction, दूसरी ओर, निर्माण प्रक्रिया या अनुनाद आपरेशन के दौरान जगह ले जा सकते हैं । इस तरह के सतह कोटिंग लगाने के लिए आसंजन ऊर्जा को कम करने के रूप में इस समस्या को हल करने के लिए कई तकनीक का प्रस्ताव किया गया है15,16, बढ़ती सतह असहजता17, और लेजर की मरंमत की प्रक्रिया18। इसके विपरीत, हम एक सरल तकनीक जहां एक कम आवृत्ति वर्ग तरंग संकेत दो संलग्न मुस्कराते हुए के बीच लागू किया गया था वर्तमान और जुदाई सफलतापूर्वक LDV द्वारा दर्ज की गई थी । इस विधि अतिरिक्त लागत को खत्म करने और डिजाइन जटिलता को कम कर सकते हैं ।
कला एमईएमएस फिल्टर के एक राज्य के निर्माण में एक और महत्वपूर्ण कदम लक्षण वर्णन और सत्यापन है । एक नेटवर्क विश्लेषक के साथ लक्षण वर्णन सबसे लोकप्रिय और व्यापक रूप से इस्तेमाल किया तरीकों में से एक है; हालांकि इसमें कुछ कमियां हैं । यहां तक कि छोटे परजीवी समाई संकेत मार सकते हैं और इसलिए यह आमतौर पर एक एम्पलीफायर सर्किट की आवश्यकता है3,6,8 शोर उन्मूलन के लिए, और यह केवल पहली विधा प्रतिध्वनि का पता लगा सकते हैं. दूसरी ओर, LDV के साथ लक्षण वर्णन इस परजीवी समाई मुद्दे से मुक्त है, और बहुत छोटे विस्थापन का पता लगा सकते हैं । यह तेजी से प्रोटोटाइप सक्षम बनाता है, जबकि एम्पलीफायर डिजाइन के लिए की जरूरत को नष्ट करने. इसके अलावा, LDV एमईएमएस फिल्टर के उच्च मोड प्रतिध्वनि का पता लगा सकते हैं । यह सुविधा बहुत आशाजनक है, विशेष रूप से अति संवेदनशील संवेदी के क्षेत्र में । एक उच्च ब्रैकट मोड बहुत अधिक संवेदनशीलता19प्रदान कर सकते हैं । LDV के साथ एक निश्चित-फिक्स्ड बीम के उच्च मोड माप दिखाया और फेम सिमुलेशन माप के लिए लागू किया जाता है । फेम सिमुलेशन से समय से पहले परिणाम निश्चित-निश्चित बीम की पहली विधा की तुलना में संवेदनशीलता में ४६ गुना सुधार की पेशकश करते हैं ।
Protocol
Representative Results
Discussion
एमईएमएस फिल्टर के निर्माण में महत्वपूर्ण चरणों में से एक आवेदन क्षेत्र के आधार पर डिवाइस डिजाइन करने के लिए है । बीम अब या पतले बेहतर ट्यूनिंग दक्षता के लिए होना चाहिए (पीपीएम/मेगावाट), लेकिन कम या पतले ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
यह काम अमेरिकी सेना अनुसंधान प्रयोगशाला, Adelphi, प्रबंध निदेशक, संयुक्त राज्य अमेरिका, अनुदान W91ZLK-12-P-०४४७ के तहत द्वारा समर्थित किया गया था । अनुनाद माप माइकल स्टोन और एंथनी बिज्जू की मदद से आयोजित किया गया । थर्मल कैमरा माप जॉर्ज वाशिंगटन विश्वविद्यालय से Damon की मदद से आयोजित किया गया था ।
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 |
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