高效宽量程可调谐 MEMS 滤波器的设计与表征方法

摘要

本文提出了一种利用激光多普勒测 (LDV) 进行固定波束设计的协议, 包括频率调谐的测量、调谐能力的修正以及设备故障和迟滞的避免。LDV 方法在网络分析仪上的优越性是由于其较高的模态能力而表现出来的。

摘要

在这里, 我们展示了激光多普勒测 (LDV) 优于传统技术 (网络分析仪) 的优势, 以及创建基于应用的机械系统 (MEMS) 过滤器的技术, 以及如何有效地使用它 (即, 调优功能并避免故障和迟滞。LDV 使网络分析仪无法进行关键的测量, 如高模式检测 (高度灵敏的生物传感器应用) 和非常小设备 (快速原型) 的共振测量。因此, LDV 被用来表征的频率调谐范围和谐振频率在不同模式的 MEMS 滤波器为本研究所建立。这种宽范围频率调谐机构是基于从嵌入式加热器的焦耳加热和相对较高的热应力就固定固定梁的温度。然而, 我们证明, 这种方法的另一个限制是产生高的热应力, 它可以燃烧的设备。在这项研究中首次取得了进一步的改进, 并显示了在两个相邻光束之间增加了外加直流偏置电压 (25 伏至35伏), 从而使调谐能力增加了32%。这个重要的发现消除了额外的焦耳加热在更广泛的频率调谐范围的需要。另一个可能的失败是通过迟滞和结构优化的要求: 我们提出了一种简单易行的低频方波信号应用技术, 它能够成功地分离光束, 消除了需要在文献中给出的复杂的方法。上述发现需要设计方法, 因此我们也提供了基于应用程序的设计。

引言

由于其可靠性高、功耗低、设计紧凑、质量因数高、成本低等特点, 对 MEMS 滤波器的需求越来越大。它们在无线通信中被广泛用作传感器和核心部件。温度传感器¹、生物传感器^2、3、气体传感器⁴、过滤器^5、6、7和振荡器是最受欢迎的应用领域。最流行的静电 MEMS 滤波器有固定固定光束^5,8, 悬臂式², 音叉⁶, 自由光束^6,7, 弯曲磁盘设计⁷,方形形状设计⁹。

在实现 MEMS 滤波器时, 有许多关键步骤, 如设计方法 (基于应用的结构优化、宽范围频率调谐范围、避免故障) 和特性 (快速原型, 避免寄生电容, 并检测更高的模式)。由于制造公差或环境温度变化引起的频率变化, 需要频率调谐能力来补偿。在文献中报告了不同的技术^10、11、12 , 以满足此要求;但是, 它们有一些缺点, 如频率调谐能力有限、中心频率低、附加的后处理要求和外置加热器^10、11。

在本研究中, 我们提出的宽范围频率调谐的焦耳加热法^5,13在有限的频率调谐范围内通过弹性模数变化¹² (增加直流偏置电压之间的两个相邻的光束) 和材料相变方法^10,11。并在 Göktaş和 Zaghloul¹³中总结了优化结构选择和基于应用的设计。在这里, 我们展示了如何调整固定固定梁的谐振频率, 增加直流电压应用于嵌入式加热器的帮助下, LDV。为了使调谐机构可视化, 有限元分析 (FEM) 模拟与同一帧中的 LDV 测量同步。这包括在整个光束的焦耳加热和弯曲剖面。

我们还介绍了可能的故障 (烧毁设备和迟滞) 及其建议的解决方案。焦耳加热法与固定固定梁的高热应力相结合, 提供了宽范围的频率调谐, 但同时也能在一定的温度水平上产生烧损装置。这归因于不同材料之间的高热应力¹⁴。解决办法是增加两个相邻光束之间的直流电压, 从而增加调谐范围 (32%), 并消除对高温的需求。此 "调优范围" 方法首先在 Göktaş和 Zaghloul⁵中演示, 在 Göktaş和 Zaghloul¹³中进行了更详细的说明, 并在这里重新介绍。迟滞, 另一方面, 可以发生在制造过程或共振操作。有许多技术提出解决这个问题, 如应用表面涂层, 以减少附着力的能量^15,16, 增加表面粗糙度¹⁷, 以及激光修复过程¹⁸。相比之下, 我们提出了一个简单的技术, 在两个连接光束之间应用了低频方波信号, 并成功地用 LDV 记录了分离。这种方法可以消除额外的成本, 降低设计的复杂性。

另一个关键的步骤, 在建设一个国家的艺术 MEMS 过滤器的特性和验证。用网络分析仪进行表征是最常用和最广泛的方法之一;然而, 它有一些缺点。即使是小的寄生电容也会杀死信号, 所以这通常需要放大电路^3,6,8以消除噪声, 并且它只能检测到第一模共振。另一方面, 与 LDV 的表征是无寄生电容问题, 并能检测到更小的位移。这使得快速原型, 同时消除了对放大器设计的需要。此外, LDV 可以检测 MEMS 滤波器的高模态共振。这一特性非常有前景, 特别是在高度敏感的生物传感器领域。较高的悬臂模式可以提供更高的灵敏度¹⁹。给出了 LDV 固定梁的高模态测量方法, 并将其应用于有限元模拟测量。有限元模拟的过早结果与固定固定梁的第一模式相比, 灵敏度提高了46倍。

研究方案

1. 优选结构的选择与设计

1. 选择用于宽范围频率调谐的固定固定光束 (与其他候选者相比, 它在加热时可以进行宽范围调谐, 因为其温度系数大 (TCF) 和可忽略的热膨胀常数)。
2. 设计一个更长的光束, 如果目的是调整效率的改善。设计一个较短的光束, 如果目的是跳频或信号跟踪应用。

2. 互补金属氧化物半导体 (CMOS) 的建模和制造

1. 设计并制作了基于有限元程序的 MEMS 滤波器的3维模型。
2. 在集成电路 (IC) 设计工具中重建相同的布局, 按层层创建 gds 文件。
3. 将此 gds 文件提交到 cmos 铸造厂进行制造 (我们使用了 cmos 0.6 µm 技术)。
4. 在 CMOS 过程完成后继续进行后处理 (请注意, 芯片应该有多晶硅、铝和氧化物层)。
   1. 通过电感耦合等离子体 (ICP) 蚀刻系统进行 CHF₃/O₂的干式蚀刻过程。在铝层之间蚀刻₂ , 并在5.7 的纵横比下形成光束。对于此过程, 请使用以下参数: CHF₃ at 40 sccm, O₂在 5 sccm, 压力在 0.5 Pa, ICP 电源在 500 w, 采样功率在 100 w 与56分钟总蚀刻时间。
   2. 在硅衬底上应用 XeF₂蚀刻工艺, 在梁下创建9µm 深腔。对于此过程, 请使用 XeF₂蚀刻系统进行3次周期为 3T, 为六十年代/周期。
5. 用扫描电子显微镜 (SEM) 表征设备, 以确保它们是正确的制造。对于这一步, 改变光束加速电压到 2.58 kV 和工作距离为9.5 毫米。

3. 设备测试

注: 设备测试包括焦耳加热测试和频率响应测试等多个步骤。

1. 嵌入式加热器热成像试验
   1. 将热成像摄像机放在芯片的顶部, 并测试嵌入式加热器以确保它们加热光束。
   2. 将电源连接到芯片封装, 并将直流电压从0伏到5.7 伏的嵌入式加热器上应用, 以增加整个光束的温度。
   3. 在加热过程中, 通过热敏相机记录整个芯片封装的温度分布。将结果保存在数值计算程序中, 并绘制发热剖面图。
2. 校准 LDV 和测试设置
   1. 将激光放置在120µm 长光束的顶端。
   2. 连接两个120µm 长光束之间的电源, 以应用 7 v DC 和 3 v 交流电压进行共振操作。将额外的直流偏置电压与嵌入加热器连接, 最大值为5.7 伏特, 以便在共振操作期间将焦耳加热应用于光束。
   3. 将激光器移到光束的不同位置, 以获得低噪声激光反射。确保增加蓝色棒的强度, 以减少噪音。
   4. 将屏幕分成多个视图以校准和启动测量设置。
   5. 转到采集设置, 将测量模式设置为 FFT, 不使用任何过滤器, 并将带宽设置为 2 MHz。
   6. 更改速度, 使其能够支持 2.5 MHz 的最大频率。
   7. 使用周期性啁啾波形。
      注: 在这里, 振幅代表交流电压和直流电压抵消立场。
   8. 使用此新设置开始测量。
   9. 通过将直流电压更改为 1 v 来更新采集设置
   10. 当 Ref1 显示红色警报 (这意味着信号是嘈杂的) 时, 减少在购置设置窗口中应用的偏置电压。
   11. 将激光器移到光束的不同位置, 以进一步增加信噪比。有时, 横梁上可能有坏的斑点, 导致振动条上出现红色警报;在这种情况下, 继续搜索最佳位置。
3. 通过 LDV 测试68µm 长 MEMS 滤波器
   1. 选择68µm 长 MEMS 过滤器进行测试。
   2. 在两68µm 长相邻光束之间应用25伏直流电压和5伏交流电压。在这里, 直流电压提供弯曲和交流电压, 使共振操作。
   3. 对放置在68µm 长光束中的嵌入式加热器施加额外的直流电压, 并将电压从0伏增加到5.7 伏。这将提供基于焦耳加热的频率调谐。
   4. 观察并记录每个步骤中应用偏置电压的谐振频率和相位响应, 并在表中总结结果。在这里, 这个样品的总频率调整是大约874赫, 当 5.7 V 直流电压适用于嵌入式加热器。
      注意: 模拟 (在右侧) 和实际测量 (在左端) 是同步的。
4. 高模量测量
   1. 按下 "a/d" 按钮转到3.2 节中演示的 "购置设置" 窗口, 并更改速度以使其能够支持非常高的频率。
   2. 测量第一个和第二个模式与他们的阶段。
      注: 主共振位移为 Y 方向为 mode-1, 它是在 Z 方向 (即朝向显微镜) 为 mode-2。

4. 避免设备故障

1. 低频方波信号在解决迟滞中的应用
   1. 应用 1 Hz 方波信号来解决两相邻光束之间的静电充电引起的迟滞问题。
   2. 转到 "偏移" 框并将直流电压设置为 1 V, 同时将交流电压保持在1五
   3. 转到频率框, 并设置频率为1赫兹。
   4. 在横梁上激活并应用这个新的设置。
   5. 观察光束的分离。
2. 高热应力和燃烧
   1. 使用额外的样品进行热应力测试。
   2. 增加在嵌入式加热器上施加的偏置电压, 以小的增量, 以找到最大的允许电压之前, 设备失效, 由于高热应力。

5. 提高调谐能力

1. 在两个68µm 相邻的光束之间应用一个25伏直流电压和 5 v 交流电压, 同时在嵌入式加热器上增加应用的偏置电压从 0 v 到 5.7 v, 共661赫频移。
2. 将施加的偏置电压从25伏增加到35伏, 在两68µm 长相邻光束之间添加额外的弹簧软化效果, 同时应用 1 V 交流电压, 并在嵌入式加热器上保持相同的偏置电压设置。
3. 记录全频移的32% 的改善, 因为它应该增加从661赫到875赫来自这个额外的春季软化效果。
   注意: 据我们所知, 改变 MEMS 谐振器的调谐能力是第一次在这项工作中实现的。

结果

采用低频方波信号, 避免了迟滞, 使用 LDV (图 1) 验证了这一点。在显微镜下 (图 2) 验证了在将相对较高的偏置直流电压应用于嵌入式加热器时, 由于高热应力¹⁴可能导致的故障。该有限元程序用于推导光束的更高模式 (图 3)。通过改变两个相邻光束之间的直流偏置电压 (25 v 到 35 v) 来改变调...

讨论

建立 MEMS 滤波器的关键步骤之一是设计基于应用领域的设备。为了更好的调谐效率 (ppm/兆瓦), 光束应该更长或更薄, 但对于跳频或信号跟踪应用来说, 更短或更薄。同样地, 通过 LDV 的清晰信号检测是设备测试的关键, 这就是为什么最好设计至少3-4 µm 厚度的光束。否则, 信号将是嘈杂的, 即使是100X 镜头, 它需要多点测试与噪声消除 (嵌入在 LDV 软件), 以达到最佳的检测。由于其大型 TCF, 固定固定梁, ?...

材料

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