Projeto e metodologia de caracterização para filtros de MEMS sintonizável eficiente gama
Summary
Um protocolo para um projeto de feixe fixo-fixo usando um vibrômetro laser Doppler (LDV), incluindo a medição da frequência de sintonia, modificação do ajuste de capacidade e evitar a falha do dispositivo e stiction, é apresentado. A superioridade do método sobre o analisador de rede LDV é demonstrada devido à sua capacidade de modo mais elevada.
Abstract
Aqui, podemos demonstrar as vantagens do vibrômetro Doppler laser (LDV) sobre técnicas convencionais (o analisador de rede), bem como as técnicas para criar um filtro de sistemas (MEMS) Microeletromecânicos baseada em aplicativo e como usá-lo de forma eficiente ( ou seja, ajuste a capacidade de ajuste e evitando falha tanto stiction). LDV permite medições cruciais que são impossíveis com o analisador de rede, tais como detecção de modo mais elevada (aplicativo de biosensor altamente sensível) e medição de ressonância para dispositivos muito pequenos (prototipagem rápida). Por conseguinte, LDV foi usado para caracterizar a faixa de ajuste de frequência e a frequência de ressonância em modos diferentes de filtros de MEMS, construídos para este estudo. Este mecanismo de ajuste de frequência ampla gama se baseia simplesmente Joule aquecimento dos aquecedores incorporados e relativamente alto estresse térmico em relação a temperatura de um feixe de fixo-fixo. No entanto, demonstramos que outra limitação desse método é o resultante alto estresse térmico, que pode queimar os dispositivos. Melhoria adicional foi alcançada e mostrada pela primeira vez neste estudo, tal que a capacidade de ajuste foi aumentada em 32% através de um aumento em DC viés tensão aplicada (V de 25 a 35 V) entre os dois feixes adjacentes. Esta constatação importante elimina a necessidade para o aquecimento na faixa ajuste de frequência mais ampla de Joule extra. Outra possível falha é através do stiction e exigência de otimização da estrutura: propomos uma técnica simples e fácil de aplicação de sinal de onda quadrada de baixa frequência que com êxito pode separar as vigas e elimina a necessidade de mais métodos sofisticados e complicados, dados na literatura. As conclusões acima expostas exigem uma metodologia de projeto, e então nós igualmente fornecemos um design baseado em aplicativo.
Introduction
Há uma demanda crescente por filtros de MEMS, devido a sua alta confiabilidade, baixo consumo de energia, design compacto, fator de alta qualidade e baixo custo. São amplamente utilizados como sensores e como peças do núcleo de comunicação sem fio. Sensores de temperatura1, bio-sensores2,3, sensores de gás4, filtros5,6,7e osciladores são as áreas de aplicação mais populares. Os filtros mais populares de MEMS eletrostáticos são fixos feixe5,8, modilhão2, diapasão6, feixe-livre6,7, projeto flexural disco7, e forma quadrada projeto9.
Há muitas etapas críticas para a realização de um filtro de MEMS, como metodologia de projeto (otimização de estrutura baseada em aplicativo, frequência ampla gama, ajuste de alcance e evitando falhas) e caracterização (prototipagem rápida, evitando parasitárias Interelectrode e detectando os modos mais elevados). Capacidade de ajuste de frequência é necessário para compensar as alterações de frequência devido a tolerâncias de fabricação, ou variações na temperatura. Diferentes técnicas de11,10,12 , têm sido relatados na literatura para abordar este requisito; no entanto, eles têm algumas desvantagens, tais como frequência limitada, ajuste de capacidade, frequência baixa central, pós-processamento adicional de requisitos e aquecedor externo10,11.
Neste estudo apresentamos a escala larga frequência afinação pelo Joule aquecimento método5,13 uma frequência limitada afinação intervalo através de um módulo de elasticidade de mudança12 (aumentando a tensão de polarização DC entre dois feixes adjacentes) e um material fase transição método10,11. Além disso, a seleção ideal de estrutura e o design baseado no aplicativo foram resumidas em Göktaş e Zaghloul13. Aqui, nós mostramos como sintonizar a frequência de ressonância de um feixe de fixo-fixo, aumentando a tensão de C.C. aplicada ao aquecedor incorporado com a ajuda do LDV. A simulação de elementos finitos (FEM) de análise é sincronizada com a medição de Leonardo da Vinci no mesmo quadro por uma questão de visualizar o mecanismo de ajuste. Isso inclui o Joule, aquecimento e perfil em todo o raio de dobra.
Apresentamos também as possíveis falhas (dispositivos queimados e stiction) e suas soluções propostas. O método em combinação com o alto estresse térmico do feixe fixos de aquecimento Joule fornece ampla gama de ajuste de frequência, mas ao mesmo tempo pode resultar em dispositivos queimados em um determinado nível de temperatura. Isto é atribuído ao alto estresse térmico entre diferentes materiais14. A solução é aumentar a tensão DC entre os dois feixes adjacentes, que por sua vez aumenta a gama de ajuste (32%) e elimina a necessidade de alta temperatura. Este método de “ajuste a faixa de ajuste de” primeiro foi demonstrado em Göktaş e Zaghloul5, explicado em mais detalhes em Göktaş e Zaghloul13e re-apresentado aqui. Stiction, por outro lado, pode ocorrer durante a operação de processo ou ressonância de fabricação. Há muitas técnicas propostas para resolver este problema, como a aplicação de revestimento de superfície para reduzir a adesão energia15,16, aumento de rugosidade da superfície de17e a de processo de reparação do laser18. Em contrapartida, apresentamos uma técnica simples onde aplicou-se um sinal de onda quadrada de baixa frequência entre dois feixes anexados e a separação foi gravada com sucesso por LDV. Esse método pode eliminar extra custo e reduzir a complexidade do projeto.
Outro passo crítico na construção de um filtro de MEMS do estado da arte é a caracterização e verificação. Caracterização com um analisador de rede é um dos métodos mais populares e amplamente utilizados; no entanto, tem alguns inconvenientes. Mesmo pequenas capacitância parasita pode matar o sinal e por isso geralmente requer um amplificador circuito3,6,8 para eliminação de ruído, e ele só pode detectar a primeira ressonância de modo. Por outro lado, caracterização com LDV isento desta questão de capacitância parasitária e pode detectar muito menor deslocamento. Isso permite que a prototipagem rápida, eliminando a necessidade de projeto do amplificador. Além disso, o LDV pode detectar maior ressonância modo de filtros de MEMS. Esta característica é muito promissor, especialmente no campo de biosensores altamente sensíveis. Um modo de consola superior pode fornecer muito mais sensibilidade19. A medição de modo mais elevada de um feixe de fixo-fixo com LDV é indicada e aplicada à medição de simulação FEM. Os prematuros resultados de simulação FEM oferecem até 46 vezes melhoria na sensibilidade em relação ao primeiro modo do feixe fixo-fixo.
Protocol
Representative Results
Discussion
Um dos passos essenciais na construção de filtros de MEMS é projetar o dispositivo com base na área de aplicação. O feixe deve ser mais longo ou mais fino para melhor ajuste de eficiência (ppm/mW), mas mais curto ou mais fino para lupulagem de frequência ou aplicações de controle de sinal. Da mesma forma, a detecção de sinal claro através de Leonardo da Vinci é crítica no dispositivo de teste e é por isso que é melhor projetar o feixe pelo menos 3-4 µm de espessura. Caso contrário, o sinal vai ser baru…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabalho foi apoiado pelo laboratório de pesquisa do exército dos EUA, Adelphi, MD, EUA, sob Grant W91ZLK-12-P-0447. As medições de ressonância foram realizadas com a ajuda de Michael Stone e Anthony Brock. A medição da câmera térmica foi realizada com a ajuda de Damon Conover da Universidade George Washington.
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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