تصميم وتوصيف المنهجية لمرشحات ممس الانضباطي كفاءة واسعة النطاق

Summary

ويرد على بروتوكول لتصميم شعاع ثابت ثابت باستخدام فيبروميتير دوبلر ليزر (لدف)، بما في ذلك قياس تردد ضبط، تعديل ضبط القدرة، وتجنب فشل الجهاز وستيكشن،. ويتجلى تفوق الأسلوب LDV عبر محلل الشبكة نظراً لقدرتها على وضع أعلى.

Abstract

هنا، علينا أن نبرهن مزايا فيبروميتير دوبلر الليزر (لدف) على التقنيات التقليدية (محلل الشبكة)، فضلا عن التقنيات اللازمة لإنشاء عامل تصفية الكهروميكانيكية القائم على تطبيق نظم (MEMS) وكيفية استخدامها (كفاءة أي، وضبط ضبط-القدرة على تجنب الفشل وستيكشن). LDV تمكن القياسات الحاسمة التي من المستحيل مع محلل شبكة اتصال، مثل الكشف عن وضع أعلى (biosensor حساسة للغاية تطبيق) وقياس الرنين لأجهزة صغيرة جداً (سرعة النماذج). وبناء على ذلك، استخدمت LDV لوصف نطاق ضبط تردد وتردد صدى في أوضاع مختلفة من المرشحات ممس بني لهذه الدراسة. هذه الآلية ضبط تردد واسعة النطاق يستند ببساطة جول تدفئة من سخانات المضمنة والإجهاد الحراري عالية نسبيا فيما يتعلق بدرجة حرارة شعاع ثابت ثابت. ومع ذلك، نحن تبين أن قيد آخر لهذا الأسلوب الإجهاد الحراري العالية الناتجة عن ذلك، التي يمكن حرق الأجهزة. تحقيق المزيد من التحسين وسيظهر للمرة الأولى في هذه الدراسة، بحيث أن القدرة على ضبط قد ازداد بنسبة 32% من خلال زيادة التطبيقية DC التحيز الجهد (25 الخامس إلى 35 الخامس) بين الدعامات المجاورة اثنين. هذا الاستنتاج الهام يلغي الحاجة إلى الجول إضافية تدفئة في أوسع نطاق ضبط التردد. فشل محتمل آخر من خلال ستيكشن ومتطلبات الهيكل الأمثل: نقترح تقنية بسيطة وسهلة التطبيق إشارة مربع موجه الترددات المنخفضة التي يمكن بنجاح فصل الحزم ويلغي الحاجة للمزيد أساليب متطورة ومعقدة في الأدب. النتائج المشار إليها أعلاه تتطلب منهجية تصميم، وحتى نوفر أيضا تصميم على أساس التطبيق.

Introduction

وهناك طلب متزايد على مرشحات ممس نظراً للموثوقية العالية، وانخفاض استهلاك الطاقة، تصميم مضغوط، عامل الجودة العالية، ومنخفضة التكلفة. أنها تستخدم على نطاق واسع كأجهزة الاستشعار والأجزاء الأساسية في مجال الاتصالات اللاسلكية. درجة الحرارة أجهزة الاستشعار¹وأجهزة الاستشعار الحيوي^2،3والغاز-أجهزة الاستشعار⁴، مرشحات^5،،من⁶⁷والتذبذب هي مجالات التطبيق الأكثر شعبية. مرشحات ممس الالكتروستاتيكي الأكثر شعبية هي شعاع ثابت ثابت^5،8، ناتئ²، شوكة رنانة⁶، شعاع الحرة--الحرة^6،7،⁷من تصميم العاطفة القرص، و تصميم مربع الشكل⁹.

هناك العديد من الخطوات الحاسمة في تحقيق عامل تصفية ممس، مثل منهجية تصميم (الهيكل القائم على التطبيق الأمثل، ونطاق التردد ضبط النطاق، وتجنب الفشل) ووصف (النماذج بسرعة، وتجنب الطفيلية كاباسيتانسيس، والكشف عن أوضاع أعلى). تردد ضبط القدرة مطلوب للتعويض عن أي تغييرات التردد بسبب تلفيق التحمل، أو تغيرات درجة الحرارة المحيطة. وأبلغ تقنيات مختلفة^10،،من¹¹¹² في الأدب ولتلبية هذا المطلب؛ ومع ذلك، لديهم بعض العيوب مثل محدودية التردد ضبط القدرة، مركز منخفضة التردد، ومعالجة الاحتياجات وسخان خارجي^10،11وظيفة إضافية.

في هذه الدراسة نقدم ضبط تردد واسعة النطاق خلال الجول تدفئة أسلوب^5،13 على تردد محدودة ضبط النطاق عن طريق معامل مرونة تغيير¹² (زيادة الجهد DC التحيز بين الدعامات المجاورة اثنين) مواد المرحلة الانتقالية الأسلوب^10،11. وعلاوة على ذلك، أوجزت اختيار أفضل هيكل وتصميم على أساس التطبيق في Göktaş وزغلول¹³. هنا، نحن إظهار كيفية ضبط تردد صدى شعاع ثابت--الثابتة بزيادة الجهد DC المطبقة على سخان المضمنة مع المساعدة من لدف. تتم مزامنة المحاكاة (FEM) تحليل عنصر محدود بقياس لدف في نفس الإطار من أجل تصور إليه ضبط. ويشمل هذا الجول التدفئة والانحناء الشخصية في جميع أنحاء الشعاع.

ونقدم أيضا حالات الفشل المحتملة (أجهزة محترقة وستيكشن) والحلول المقترحة لها. الجول تدفئة الأسلوب في تركيبة مع الإجهاد الحراري عالية من شعاع ثابت ثابت يوفر ضبط تردد واسعة النطاق ولكن في الوقت نفسه يمكن أن ينتج أجهزة محترقة في درجة حرارة معينة. وهذا يعزى إلى الإجهاد الحراري عالية بين مختلف المواد¹⁴. الحل هو أن زيادة الجهد DC بين الحزم المتاخمة اثنين، الذي بدوره يزيد من نطاق الموالفة (بنسبة 32 في المائة)، ويلغي الحاجة لدرجة حرارة عالية. أولاً كان على هذا الأسلوب "ضبط نطاق ضبط" تظاهروا في Göktaş وزغلول⁵، أوضح بمزيد من التفصيل في Göktaş وزغلول¹³، وإعادة المقدمة هنا. ستيكشن، من ناحية أخرى، يمكن أن يحدث أثناء عملية تلفيق عملية أو الرنين. وهناك العديد من الأساليب المقترحة لمواجهة هذه المشكلة، مثل تطبيق طلاء السطح لتقليل التصاق الطاقة^15،16وزيادة خشونة السطح¹⁷عملية إصلاح الليزر¹⁸. وفي المقابل، فإننا نقدم تقنية بسيطة حيث تم تطبيق إشارة مربع موجه تردد المنخفض بين اثنين من الحزمة المرفقة وتم بنجاح تسجيل الفصل قبل LDV. ويمكن القضاء على هذا الأسلوب تكلفة إضافية وتقليل تعقيد التصميم.

آخر خطوة ذات أهمية حاسمة في بناء عامل تصفية ممس الدولة من فن هو توصيف والتحقق. توصيف مع محلل شبكة اتصال واحد من الأساليب الأكثر شعبية وتستخدم على نطاق واسع؛ ومع ذلك، فإنه لديه بعض العيوب. السعة الطفيلية الصغيرة حتى يمكن أن تقتل الإشارة، وحيث أن هذا يتطلب عادة مكبر للصوت دائرة^3،،من⁶⁸ للقضاء على الضوضاء، ويمكن الكشف عن فقط الأولى وضع الرنين. من ناحية أخرى، وصف مع LDV خالية من هذه المسألة السعة الطفيلية، ويمكن الكشف عن الكثير من التشرد أصغر. وهذا يتيح النماذج بسرعة، مع التخلص من الحاجة إلى تصميم مكبر للصوت. وعلاوة على ذلك، يمكن اكتشاف LDV صدى وضع أعلى من مرشحات ممس. هذه الميزة واعدة جداً، لا سيما في مجال أجهزة الاستشعار الحساسة للغاية. يمكن أن توفر طريقة ناتئ أعلى أكثر حساسية¹⁹. قياس وضع أعلى من شعاع ثابت ثابت مع LDV ويرد وتطبيقها لقياس محاكاة فيم. توفر نتائج سابقة لأوانها من محاكاة فيم تحسن يصل إلى 46 مرات في حساسية مقارنة بوضع أول شعاع ثابت ثابت.

Protocol

1-اختيار وتصميم بنية الأمثل

1. حدد شعاع ثابت ثابت لضبط تردد واسعة النطاق (مقارنة بالمرشحين الآخرين، فإنه يمكن ضبط واسعة النطاق عند تسخين فإنه سبب لها معامل حرارة كبيرة من التردد (TCF) وثابت التمدد الحراري ضئيلة).
2. تصميم شعاع أطول إذا كان الغرض هو ضبط تحسين الكفاءة. تصميم شعاع أقصر إذا كان الغرض هو تردد التنقل أو إشارة تتبع التطبيقات.

2-التصميم والتصنيع في التكميلية أكسيد معدني متمم (CMOS)

1. تصميم وإنشاء 3D-نموذج لتصفية ممس في برنامج يستند إلى FEM.
2. إعادة تخطيط نفس في أداة تصميم دوائر المتكاملة (IC)، طبقة بطبقة لإنشاء ملف gds.
3. إرسال هذا الملف التوزيع العالمي مسبك المكمل لتصنيع (استخدمنا تكنولوجيا CMOS 0.6 ميكرومتر).
4. تواصل مع مرحلة ما بعد المعالجة بمجرد اكتمال عملية CMOS (ملاحظة ضرورة أن الرقائق سليكون والألومنيوم وأكسيد الطبقات).
   1. سلوك جاف/O₃فرنك سويسري₂ أحفر العملية عبر الحث يقترن بلازما (ICP) أحفر النظام. أحفر SiO₂ بين طبقات الألومنيوم وتشكيل الحزم في نسبة العرض إلى الارتفاع 5.7. لهذه العملية، استخدم المعلمات التالية: CHF₃ 40 sccm، س₂ في 5 sccm، الضغط على 0.5 السلطة الفلسطينية، وبرنامج المقارنات الدولية قوة 500 واط، والسلطة عينة على 100 W الذي بلغ 56 دقيقة أحفر الوقت.
   2. تطبيق شيف₂ أحفر العملية في الركيزة السيليكون لإنشاء 9 ميكرومتر عمق تجويف تحت الحزم. لهذه العملية، استخدم شيف₂ النقش النظام لدورات 3 في 3T، 60 s/دورة.
5. وتتميز أجهزة المسح الإلكتروني المجهري (SEM) التأكد من أنها هي ملفقة بشكل صحيح. بالنسبة لهذه الخطوة، تغيير شعاع تسريع الجهد إلى 2.58 كيلو فولت والمسافة العامل إلى 9.5 ملم.

3-جهاز اختبار

ملاحظة: اختبار الجهاز تتألف من العديد من الخطوات بما في ذلك الجول تدفئة استجابة التردد واختبار.

1. اختبار الكاميرا الحرارية لسخانات مضمن
   1. ضع الكاميرا الحرارية على رأس الرقاقة واختبار سخانات المضمنة لضمان أنها الحرارة الحزم.
   2. توصيل التيار الكهربائي إلى مجموعة شرائح وتطبيق جهد DC في سخانات جزءا لا يتجزأ من 0 الخامس إلى 5.7 V تزايدات صغيرة زيادة درجة الحرارة في جميع أنحاء الحزم.
   3. سجل التشكيل الجانبي لدرجة الحرارة في جميع أنحاء مجموعة شرائح عن طريق كاميرا حرارية أثناء عملية التدفئة. حفظ النتائج في برنامج الحوسبة عددية وارسم الشخصية التدفئة.
2. معايرة الإعداد لدف والاختبار
   1. وضع الليزر على رأس الحزم الطويل 120 ميكرومتر.
   2. قم بتوصيل التيار الكهربائي بين الحزم اثنين 120 ميكرومتر طويلة لتطبيق كل 7 V DC وجهد "التيار المتردد الخامس" 3 لتشغيل الرنين. قم بتوصيل إضافية العاصمة جهد تحيز سخانات مضمن بحد أقصى يبلغ 5.7 V لتطبيق جول تدفئة للحزم أثناء عملية الرنين.
   3. نقل الليزر إلى بقعة مختلفة عن شعاع للحصول على انعكاس ليزر منخفضة ضوضاء. تأكد من زيادة كثافة الشريط الأزرق لتقليل الضوضاء.
   4. تقسيم الشاشة إلى طرق عرض متعددة لمعايرة والبدء في إعداد القياس.
   5. الذهاب "الحصول على إعدادات" تعيين وضع القياس إلى الاتحاد الفرنسي للتنس، عدم استخدام أي عامل تصفية وتعيين عرض النطاق الترددي إلى 2 ميجا هرتز.
   6. تغيير السرعة بحيث أنها يمكن أن تدعم أقصى تردد 2.5 ميغاهرتز.
   7. استخدام الموجي غرد الدوري.
      ملاحظة: هنا، تقف السعة للجهد الكهربي المتردد وإزاحة لتقف على الجهد DC.
   8. بدء القياس مع هذا الإعداد الجديد.
   9. قم بتحديث "الإعدادات اقتناء" بتغيير الجهد DC إلى 1 V.
   10. إنقاص الجهد التحيز التطبيقية في نافذة "الإعدادات اقتناء" عندما يظهر Ref1 الإنذار الأحمر (وهذا يعني أن الإشارة صاخبة).
   11. نقل الليزر إلى بقعة مختلفة عن شعاع لزيادة نسبة الإشارة إلى الضوضاء. في بعض الأحيان، قد يكون هناك بقع سيئة على الحزم التي تسبب إنذار حمراء على شريط الاهتزاز؛ وفي هذه الحالة، يواصل البحث عن أفضل بقعة.
3. اختبار 68 ميكرومتر طويلة ممس عوامل التصفية عن طريق LDV
   1. حدد 68 ميكرومتر طويلة ممس عامل التصفية للاختبار.
   2. تطبيق 25 V DC الجهد والجهد V AC 5 معا بين الحزم اثنين 68 ميكرومتر المجاورة لها منذ وقت طويل. هنا، ويوفر الجهد DC الانحناء وجهد التيار المتردد بتمكين عملية الرنين.
   3. تنطبق جهد DC إضافية سخانات المضمنة في شعاع طويل 68 ميكرومتر، وزيادة الجهد من 0 الخامس إلى 5.7 الخامس بزيادات صغيرة. سيوفر هذا التردد ضبط استناداً إلى الجول التدفئة.
   4. مراقبة وتسجيل تردد صدى واستجابة المرحلة فيما يتعلق بالجهد التحيز التطبيقية في كل خطوة وتلخيص النتائج في جدول. ضبط التردد الكلي لهذه العينة هو هنا، حوالي 874 كيلوهرتز عند تطبيق الجهد V DC 5.7 سخان المضمنة.
      ملاحظة: يتم مزامنتها المحاكاة (على الجانب الأيمن)، والقياس الحقيقي (على الجانب اليسار).
4. أعلى طرق القياس
   1. تضغط على الزر A/D للذهاب إلى نافذة "الإعدادات اقتناء" أظهر في الفرع 3-2 وتغيير السرعة بحيث أنها يمكن أن تدعم ترددات عالية جداً.
   2. قياس الأولى ووضع الثانية مع تلك المرحلة.
      ملاحظة: تشريد الرنين الأساسية في اتجاه Y لوضع-1 وفي الاتجاه Z (أي نحو المجهر) لوضع--2.

4-تجنب فشل الجهاز

1. تطبيق إشارة مربع موجه التردد المنخفض لحل ستيكشن
   1. تطبيق إشارة 1 هرتز مربع موجه لحل مشكلة ستيكشن التي تنتج من الشحن الكهربائي بين الدعامات المجاورة اثنين.
   2. الانتقال إلى المربع المقابل وتعيين الجهد DC إلى 1 V، مع الحفاظ على جهد التيار المتردد في 1 V.
   3. انتقل إلى مربع التردد والتردد إلى 1 هرتز.
   4. تفعيل وتطبيق هذا الإعداد الجديد في الحزم.
   5. احترام الفصل بين الحزم.
2. عالية من الإجهاد الحراري وحرق
   1. استخدام نموذج إضافي لاختبار الإجهاد الحراري.
   2. زيادة الجهد التحيز المطبقة على سخان مضمن بزيادات صغيرة لإيجاد الجهد الحد الأقصى المسموح به قبل فشل الجهاز بسبب الإجهاد الحراري عالية.

5-تعزيز القدرة على ضبط

1. تطبيق جهد V DC 25 وجهد التيار المتردد الخامس 5 معا بين عوارض ميكرومتر 68 اثنين المتاخمة مع زيادة الجهد التحيز المطبقة على سخان جزءا لا يتجزأ من 0 الخامس إلى 5.7 الخامس، لتحول تردد 661 kHz مجموع.
2. زيادة الجهد التحيز التطبيقية من 25 الخامس إلى 35 الخامس إضافة ربيع إضافية تليين تأثير بين الحزم المجاورة منذ فترة طويلة هما 68 ميكرومتر، أثناء تطبيق جهد V AC 1 والاحتفاظ بنفس الإعداد الجهد التحيز في سخانات جزءا لا يتجزأ.
3. سجل تحسين نسبة 32 في المائة في مجموع التردد العالي كما أنه ينبغي أن تزيد من 661 كيلو هرتز إلى 875 كيلو هرتز قادمة من هذا الربيع إضافية تليين تأثير.
   ملاحظة: على حد علمنا، تغيير القدرة على ضبط مرنانات ممس قد تحقق لأول مرة في هذا العمل.

النتائج

ستيكتيون تم تجنبها بتطبيق إشارة مربع موجه التردد المنخفض وتم التحقق من ذلك باستخدام لدف (الشكل 1). تم التحقق من احتمال فشل بسبب الإجهاد الحراري عالية¹⁴ عند تطبيق الجهد DC التحيز العالي نسبيا لسخانات مضمن تحت المجهر (الشكل 2). تم ا?...

Discussion

إحدى الخطوات الحاسمة في بناء المرشحات ممس تصميم الجهاز استناداً إلى مجال التطبيق. الشعاع ينبغي أن تكون أطول أو أرق لضبط كفاءة (جزء في المليون/ميغاواط)، لكن أقصر أو أرق لتردد التنقل أو إشارة تتبع تطبيقات أفضل. بنفس الطريقة، الكشف عن إشارة واضحة عن طريق LDV الحاسمة في جهاز الاختبار الذي هو الس?...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
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