Méthodologie de conception et caractérisation pour filtres MEMS Tunable efficace Wide Range

Résumé

Un protocole pour une conception de faisceau fixe-fixe à l’aide d’un vibromètre laser Doppler (LDV), y compris la mesure de la fréquence, tuning, modification de réglage capacité et éviter la défaillance du dispositif et prismatique, est présenté. La supériorité de la méthode LDV sur l’analyseur de réseau est démontrée en raison de sa capacité supérieure de la mode.

Résumé

Ici, nous démontrer les avantages de la laser Doppler vibromètre (LDV) sur des techniques classiques (l’analyseur de réseau), ainsi que les techniques pour créer un filtre de systèmes (MEMS) microélectromécaniques basée sur l’application et comment l’utiliser efficacement) c'est-à-dire, tuning la tuning-capacité et évitant comme échec et prismatique). LDV permet des mesures cruciales qui sont impossibles avec l’analyseur de réseau, telles que la détection de mode supérieure (application de biocapteur très sensible) et mesure de résonance pour les très petits appareils (prototypage rapide). En conséquence, LDV a été utilisée pour caractériser la portée de réglage de fréquence et de la fréquence de résonance à des modes différents des filtres MEMS construits pour cette étude. Ce mécanisme de réglage de fréquence large gamme repose simplement sur Joule chauffage chauffage incorporé de la contrainte thermique relativement élevé par rapport à la température d’un faisceau fixe-fixe. Toutefois, nous démontrent qu’une autre limite de cette méthode est la contrainte thermique élevée qui en résulte, qui permet de graver les appareils. Poursuite de l’amélioration a été obtenue et montré pour la première fois dans cette étude, telles que la capacité de réglage a augmenté de 32 % grâce à une augmentation de la DC bias tension appliquée (25 V-35 V) entre les deux faisceaux adjacents. Cette importante découverte élimine le besoin pour le Joule appoint chauffage à la portée de réglage de fréquence plus large. Un autre échec possible est par le biais de sructure et exigence d’optimisation de la structure : nous proposons une technique simple et facile d’application du signal du onde carrée basse fréquence qui permet de séparer avec succès les poutres et élimine le besoin pour les plus méthodes sophistiquées et complexes donnés dans la littérature. Les conclusions susmentionnées nécessitent une méthodologie de conception, et donc, nous fournissons également une conception axée sur la demande.

Introduction

Il y a une demande croissante pour les filtres de MEMS en raison de leur haute fiabilité, faible consommation, design compact, facteur de qualité élevé et faible coût. Ils sont largement utilisés comme capteurs et éléments essentiels dans la communication sans fil. Capteurs de température¹, bio-capteurs^2,3, capteurs de gaz⁴, filtres^5,6,7et oscillateurs sont les domaines d’application les plus populaires. Les plus populaires filtres électrostatiques de MEMS sont faisceau fixe-fixe^5,8, cantilever², Diapason⁶, libre-libre faisceau^6,7, flexion disques⁷, et conception de forme carrée⁹.

Il y a plusieurs étapes cruciales dans la réalisation d’un filtre de MEMS, tels que la méthodologie de conception (optimisation de la structure axée sur la demande, large gamme de fréquence de syntonisation étendue et en évitant les échecs) et caractérisation (prototypage rapide, évitant les parasites capacitances et detection des modes plus élevés). Syntonisation de capacité est nécessaire pour compenser tout changement de fréquence en raison des tolérances de fabrication, ou des variations de la température ambiante. Différentes techniques^10,11,,¹² ont été rapportées dans la littérature pour répondre à ces besoins ; Toutefois, ils ont quelques inconvénients tels que la fréquence limitée tuning capacité, fréquence basse centrale, post-traitement supplémentaire aux exigences et chauffage externe^10,11.

Dans cette étude nous présentons éventail réglage de fréquence par le Joule méthode^5,13 de chauffage sur une fréquence limitée de syntonisation étendue via un module d’élasticité variation¹² (augmentant la tension de polarisation DC entre deux faisceaux adjacents) et un matériel de phase transition méthode^10,11. En outre, le choix de la structure optimale et la conception axée sur la demande ont été résumées dans Göktaş et zakaria¹³. Ici, nous montrons comment accorder la fréquence de résonance d’un faisceau fixe-fixe en augmentant la tension appliquée à l’appareil de chauffage incorporé à l’aide de la LDV. La simulation (MEF) l’analyse par éléments finis est synchronisée avec la mesure de LDV dans le même cadre, dans un souci de visualisation du mécanisme de réglage. Cela inclut le Joule chauffage et cintrage profil tout au long de la poutre.

Nous présentons aussi les échecs possibles (dispositifs brûlés et prismatique) et les solutions proposées. Le Joule méthode en association avec le stress thermique élevée du faisceau fixe-fixe de chauffage fournit des réglage de fréquence large éventail mais en même temps peut entraîner des dispositifs brûlés à un certain niveau de température. Ceci est attribué au stress thermique élevé entre différents matériaux¹⁴. La solution consiste à augmenter la tension entre les deux faisceaux adjacents, qui à son tour augmente la portée de réglage (32 %) et élimine le besoin de haute température. Cette méthode « mise au point la gamme tuning » a été tout d’abord démontrée dans Göktaş et zakaria⁵, expliquée en détail dans Göktaş et zakaria¹³et re-présentée ici. Prismatique, en revanche, peut avoir lieu pendant l’opération de résonance ou de processus de fabrication. Il y a eu beaucoup de techniques proposées pour traiter ce problème comme l’application de revêtement de surface pour réduire l’adhérence énergie^15,16, croissant de rugosité de surface¹⁷et le laser réparation processus¹⁸. En revanche, nous présentons une technique simple où un signal carré de basse fréquence a été appliqué entre deux faisceaux ci-jointe et la séparation a été enregistrée avec succès par LDV. Cette méthode permet d’éliminer extra coût et réduire la complexité de la conception.

Une autre étape essentielle dans la construction d’un filtre de MEMS de pointe est la caractérisation et la vérification. Qualification avec un analyseur de réseau est une des méthodes plus populaires et largement utilisés ; Toutefois, il a quelques inconvénients. Même une petite capacité parasite peut tuer le signal et donc cela nécessite généralement un amplificateur circuit^3,6,8 pour l’élimination du bruit, et il peut seulement détecter la première résonance de mode. En revanche, la caractérisation avec LDV est exempt de cette question de la capacité parasite et peut détecter beaucoup plus petite cylindrée. Cela permet le prototypage rapide, tout en éliminant la nécessité pour la conception de l’amplificateur. En outre, LDV peut détecter la résonance mode supérieure de filtres MEMS. Cette fonctionnalité est très prometteuse, en particulier dans le domaine des biocapteurs très sensibles. Un mode supérieur de porte-à-faux peut fournir beaucoup plus de sensibilité¹⁹. La mesure supérieure de mode d’un faisceau fixe-fixe avec LDV est indiquée et appliquée au mesurage de simulation de MEF. Les résultats prématurées de la simulation de MEF offrent jusqu'à 46 fois amélioration de sensibilité par rapport au premier mode du faisceau fixe-fixe.

Protocole

1. sélectionner et concevoir une Structure optimale

1. Sélectionnez le faisceau fixe-fixe pour le réglage de fréquence large éventail (par rapport aux autres candidats, elle permet large gamme tuning quand il est chauffé à cause de son coefficient de température importante de fréquence (TCF) et de la constante de dilatation thermique négligeable).
2. Concevoir un faisceau plus long si le but est tuning amélioration de l’efficacité. Concevoir un faisceau plus court si le but est de saut de fréquence ou signal depister les applications.

2. modélisation et Fabrication en Complementary Metal-oxide Semiconductor (CMOS)

1. Concevoir et créer le modèle 3D pour le filtre de MEMS dans un programme FEM.
2. Reconstruire la même disposition dans un outil de conception de circuit intégré (IC), couche par couche pour créer le fichier de gds.
3. Présenter ce dossier gds à la fonderie CMOS pour la fabrication (nous avons utilisé la technologie CMOS 0,6 µm).
4. Continuer en post-traitement une fois achevé le processus CMOS (Notez que les puces devraient avoir des couches de silicium polycristallin, l’aluminium et l’oxyde).
   1. Conduite du CHF3/o₂ sec etch processus via un plasma à couplage inductif (ICP) système etch. Etch le SiO₂ entre les couches d’aluminium et former les faisceaux à l’aspect ratio de 5,7. Pour ce processus, utilisez les paramètres suivants : CHF₃ à 40 sccm, O de₂ à 5 sccm, pression à 0,5 Pa, alimentation du pic à 500 W et échantillon à 100 W au total 56 min graver moment.
   2. Appliquer la XeF₂ PROCEDE dans le substrat de silicium pour créer une cavité 9 µm de profondeur sous les poutres de gravure. Pour cette opération, utilisez la XeF₂ système de gravure pour 3 cycles à 3 t, pour 60 s/cycle.
5. Caractériser les dispositifs avec un microscope électronique à balayage (SEM) pour s’assurer qu’ils sont correctement fabriqués. Pour cette étape, changer le faisceau tension d’accélération à 2,58 kV et la distance de travail à 9,5 mm.

3. dispositif de test

Remarque : Device essais consistent en de nombreuses étapes, y compris le Joule chauffage test et test de réponse de fréquence.

1. Test de la caméra thermique pour les appareils embarqués
   1. Positionner la caméra thermique sur le dessus de la puce et tester les appareils de chauffage incorporés pour s’assurer qu'ils chauffent les poutres.
   2. Branchez l’alimentation électrique vers le package de la puce et appliquer une tension sur les appareils de chauffage intégrés de 0 V à 5,7 V par petits incréments pour augmenter la température dans les poutres.
   3. Enregistrer le profil de température dans le package de la puce via une caméra thermique pendant le chauffage. Enregistrer les résultats dans un programme de calcul numérique et tracer le profil de chauffage.
2. Calibrer la LDV et test configuration
   1. Positionner le laser sur le dessus des 120 µm longues poutres.
   2. Branchez l’alimentation entre les deux 120 µm longues poutres d’appliquer les 7 V DC et 3 V de tension alternative pour l’opération de résonance. Se connecter à une tension de polarisation DC supplémentaire pour les appareils de chauffage incorporés avec un maximum de 5,7 V appliquer Joule aux poutres de chauffage pendant l’opération de résonance.
   3. Déplacer le laser à un endroit différent sur la poutre pour obtenir un reflet de laser de faible bruit. Veillez à augmenter l’intensité de la barre bleue afin de diminuer le bruit.
   4. Diviser l’écran en plusieurs vues d’étalonner et de commencer l’installation de mesure.
   5. Allez dans paramètres de l’Acquisition, réglez le mode de mesure à la FFT, ne pas utiliser n’importe quel filtre et définir la bande passante à 2 MHz.
   6. Changer la vitesse afin qu’il puisse soutenir une fréquence maximale de 2,5 MHz.
   7. Utilisez la forme d’onde périodique chirp.
      NOTE : Ici, Amplitude représente des tensions alternatives et Offset est synonyme de tension CC.
   8. Démarrer la mesure avec cette nouvelle configuration.
   9. Mettre à jour les paramètres d’Acquisition en changeant la tension de 1 V.
   10. Diminuer la tension de polarisation appliquée dans la fenêtre Paramètres d’Acquisition lorsque le Ref1 montre l’alarme rouge (cela signifie que le signal est bruyant).
   11. Déplacer le laser à un endroit différent sur la poutre pour augmenter le rapport signal-bruit. Il peut parfois être mauvais points sur la poutre qui provoque l’alarme rouge dans la barre de vibration ; dans ce cas, continuer à chercher le meilleur spot.
3. Tests de 68 µm longs filtres MEMS via LDV
   1. Sélectionnez le filtre de MEMS long 68 µm pour les tests.
   2. Appliquer 25 DC V et 5 V AC tension ensemble entre les poutres adjacentes longtemps deux 68 µm. Ici, la tension fournit la flexion et la tension alternative permet l’utilisation de résonance.
   3. Appliquer une tension supplémentaire pour les appareils de chauffage intégrés placés dans le 68 µm de longueur de largeur et augmenter la tension de 0 V à 5,7 V par petits incréments. Cela vous donnera de réglage de fréquence basée sur le Joule chauffage.
   4. Observer et enregistrer la fréquence de résonance et la réponse en phase par rapport à la tension de polarisation appliquée à chaque étape et résumer les résultats dans un tableau. Le réglage de la fréquence totale pour cet exemple voici environ 874 kHz lorsque la tension Vcc 5,7 est appliquée à l’élément chauffant intégré.
      NOTE : Les Simulations (sur le côté droit) et la mesure réelle (côté gauche) sont synchronisées.
4. Mesure de modes plus élevé
   1. Appuyez sur le bouton A/D pour aller à la fenêtre des paramètres d’Acquisition démontrée dans l’article 3.2 et changer la vitesse afin qu’il puisse soutenir des fréquences très élevées.
   2. Mesurer le premier et le second mode avec leur phase.
      Remarque : Le déplacement de résonance principale est dans la direction Y pour le mode-1 et c’est dans la direction Z (c’est vers le microscope) pour le mode-2.

4. éviter la défaillance du dispositif

1. Basse fréquence onde carrée signal application pour résoudre prismatique
   1. Appliquer un signal carré de 1 Hz pour résoudre le problème de la sructure qui résulte d’une charge électrostatique entre les deux faisceaux adjacents.
   2. Accédez à la zone décalage, puis affectez-lui 1 V, la tension tout en gardant la tension à 1 V.
   3. Accédez à la zone de fréquence et régler la fréquence de 1 Hz.
   4. Activer et appliquer cette nouvelle configuration sur les poutres.
   5. Observer la séparation des poutres.
2. Contraintes thermiques élevées et gravure
   1. Utilisez un échantillon supplémentaire pour le test de stress thermique.
   2. Augmenter la tension de polarisation appliquée sur l’appareil de chauffage incorporé par petits incréments pour trouver la tension maximale admissible avant que l’appareil s’avère défectueux pour des contraintes thermiques élevées.

5. renforcement de la capacité de réglage

1. Appliquer une tension 25 V et 5 V tension d’ensemble entre les poutres adjacentes deux 68 µm tout en augmentant la tension de polarisation appliquée sur l’appareil de chauffage intégré de 0 V à 5,7 V, pour un déplacement de fréquence kHz 661 total.
2. Augmenter la tension de polarisation appliquée de 25 V à 35 V d’ajouter un ressort supplémentaire adoucissement effet entre les poutres adjacentes longtemps deux 68 µm, tout en appliquant une tension V AC 1 et en gardant la même configuration de tension de polarisation sur les appareils de chauffage incorporés.
3. Enregistrer l’amélioration de 32 % dans le décalage de fréquence total tel qu’il devrait passer de 661 kHz à 875 kHz venant de ce printemps supplémentaire adoucissement effet.
   Remarque : Au meilleur de nos connaissances, changer la capacité de réglage des résonateurs MEMS a été atteint pour la première fois dans ce travail.

Résultats

Sructure a été évitée en appliquant un signal basse fréquence carré et cela a été vérifié à l’aide de LDV (Figure 1). Susceptibles de défaillance due à un stress thermique élevé¹⁴ lors de l’application relativement plus élevée tension de polarisation DC pour les appareils de chauffage incorporés a été vérifiée au microscope (Figure 2). Le programme de la MEF a servi à calculer le...

Discussion

Une des étapes essentielles dans la construction des filtres MEMS est de concevoir le dispositif basé sur la zone d’application. Le rayon doit être plus long ou plus minces pour mieux tuning efficacité (ppm/mW), mais plus courtes ou plus minces pour signal applications de suivi ou de saut de fréquence. De la même manière, détection de signal clair via LDV est essentielle dans le dispositif de test qui est pourquoi il est préférable de concevoir la poutre avec au moins 3-4 µm d’épaisseur. Sinon, le signal ...

matériels

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