Projeto e metodologia de caracterização para filtros de MEMS sintonizável eficiente gama

Resumo

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.

Resumo

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.

Introdução

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-sensores^2,3, sensores de gás⁴, filtros^5,6,7e osciladores são as áreas de aplicação mais populares. Os filtros mais populares de MEMS eletrostáticos são fixos feixe^5,8, modilhão², diapasão⁶, feixe-livre^6,7, 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 de^11,10,12 , 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 externo^10,11.

Neste estudo apresentamos a escala larga frequência afinação pelo Joule aquecimento método^5,13 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 método^10,11. 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 energia^15,16, 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 circuito^3,6,8 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.

Protocolo

1. selecionar e projetar uma estrutura ideal

1. Selecione o feixe fixo-fixo para ampla gama de ajuste de frequência (em comparação com outros candidatos, permite ampla gama de ajuste quando é aquecido devido a seu coeficiente de temperatura de frequência (TCF) e constante expansão térmica insignificante).
2. Projete um feixe mais tempo se o objectivo é ajuste de melhoria de eficiência. Projete um feixe mais curto se a finalidade é lupulagem de frequência ou aplicações de controle de sinal.

2. modelagem e fabricação de semicondutor de óxido metálico complementar (CMOS)

1. Design e criar o modelo 3D para o filtro de MEMS em um programa baseado em FEM.
2. Reconstrua o mesmo layout em uma ferramenta de projeto de circuito integrado (IC), camada por camada, para criar o arquivo de gds.
3. Envie este arquivo de gds para a fundição CMOS para fabricação (nós usamos tecnologia de 0,6 µm CMOS).
4. Continue com pós-processamento é concluída o processo CMOS (nota que os chips devem ter camadas de polissilício e óxido de alumínio).
   1. Conduta de CHF₃/O₂ secar etch processo através de um plasma indutivamente acoplado (ICP) sistema etch. Condicionar o SiO₂ entre camadas de alumínio e formam as vigas para a relação de aspecto de 5,7. Para este processo, use os seguintes parâmetros: CHF₃ 40 sccm, O₂ em 5 sccm, pressão em 0,5 Pa, poder ICP em 500 W e o poder de amostra em 100 W, com o total de 56 min etch tempo.
   2. Aplicar o XeF₂ etch processo ao substrato de silício para criar uma cavidade de profundidade 9 µm sob as vigas. Para este processo, use o XeF₂ gravura sistema de 3 ciclos no 3T, para 60 s/ciclo.
5. Caracteriza os dispositivos com um microscópio eletrônico de varredura (SEM) para garantir que eles são fabricados corretamente. Para esta etapa, alterar o feixe de tensão para aceleração de 2,58 kV e a distância de trabalho de 9,5 mm.

3. dispositivo de teste

Nota: Dispositivo de teste consistem em várias etapas, incluindo o aquecimento de teste e teste de resposta de frequência de Joule.

1. Teste de câmera térmica para aquecedores incorporados
   1. Posicione a câmera térmica em cima do chip e teste os aquecedores incorporados para assegurar que aquecem as vigas.
   2. Ligar a alimentação para o pacote de microplaqueta e aplicar uma tensão contínua sobre os aquecedores incorporados de 0 V para 5.7 V em pequenos incrementos para elevar a temperatura ao longo de vigas.
   3. Registro do perfil de temperatura em todo o pacote de chip através de uma câmera térmica durante o processo de aquecimento. Salvar os resultados em um programa de computação numérico e traçar o perfil de aquecimento.
2. Calibrando o LDV e teste de configuração
   1. Posicione o laser na parte superior os 120 µm feixes de longo.
   2. Ligar a alimentação entre os feixes longos dois 120 µm para aplicar tanto 7 V DC e 3 tensão V AC para a operação de ressonância. Conecte uma tensão de polarização DC adicional para os aquecedores incorporados com um máximo de 5.7 V aplicar Joule para as vigas de aquecimento durante a operação de ressonância.
   3. Mova o laser para um local diferente na trave para obter uma reflexão do laser de baixo ruído. Certifique-se de aumentar a intensidade da barra azul para diminuir o ruído.
   4. Divida a tela em vários modos de exibição para calibrar e iniciar a instalação de medição.
   5. Vá para configurações de aquisição, definir o modo de medição para FFT, não usar qualquer filtro e definir a largura de banda de 2 MHz.
   6. Altere a velocidade para que ele pode suportar uma frequência máxima de 2,5 MHz.
   7. Use a forma de onda periódica Piu.
      Nota: Aqui, a Amplitude representa a tensão AC e deslocamento representa tensão DC.
   8. Inicie a medição com esta nova configuração.
   9. Atualize as configurações de aquisição, alterando a tensão DC para 1 V.
   10. Diminua a tensão de polarização aplicada na janela configurações de aquisição quando o Ref1 mostra o alarme vermelho (isso significa que o sinal é barulhento).
   11. Mova o laser para um local diferente na trave para aumentar ainda mais a relação sinal-ruído. Ocasionalmente, pode haver manchas ruins na trave que faz com que o alarme vermelho na barra de vibração; Neste caso, continue a procurar o melhor lugar.
3. Teste 68 µm longo MEMS filtros através de LDV
   1. Selecione o filtro de MEMS longo 68 µm para testes.
   2. Aplica 25 V DC e 5 V AC tensão juntos entre os feixes de tempo adjacentes dois 68 µm. Aqui, a tensão DC fornece a dobra e a tensão AC permite a operação de ressonância.
   3. Aplicar uma tensão DC adicional para os aquecedores embutidos colocados no feixe longo de 68 µm e aumentar a tensão de 0 V a 5.7 V em pequenos incrementos. Isto irá fornecer a frequência sintonia baseia o Joule aquecimento.
   4. Observar e registrar a frequência de ressonância e resposta de fase em relação a tensão de polarização aplicada em cada etapa e resumir os resultados em uma tabela. Aqui, o ajuste de frequência total para esta amostra é cerca de 874 kHz quando a 5.7 tensão VCC é aplicada ao aquecedor incorporado.
      Nota: Simulações (no lado direito) e a medida real (no lado de esquerdas) são sincronizados.
4. Medição de modos mais elevada
   1. Aperte o botão A/D para ir para a janela de configurações de aquisição demonstrada na seção 3.2 e alterar a velocidade para que ele pode suportar muito altas frequências.
   2. Medir o primeiro e o segundo modo com sua fase.
      Nota: O deslocamento de ressonância principal é na direção de Y para o modo-1 e é na direção Z (ou seja, em direção ao microscópio) para modo-2.

4. evitar a falha do dispositivo

1. Aplicação de sinal de onda quadrada de baixa frequência para resolver stiction
   1. Aplica um sinal de onda quadrada de 1 Hz para resolver o problema do stiction que resulta da carga eletrostática entre os dois feixes adjacentes.
   2. Vá para a caixa de deslocamento e definir a tensão de DC a 1 V, mantendo a tensão AC em 1 V.
   3. Vá para a caixa de frequência e ajustar a frequência de 1 Hz.
   4. Ativar e aplicar esta nova configuração sobre as vigas.
   5. Observe a separação dos feixes.
2. Alto estresse térmico e queima
   1. Use uma amostra extra para o teste de estresse térmico.
   2. Aumente a tensão de polarização aplicada no aquecedor incorporado por pequenos incrementos para encontrar a máxima tensão permissível antes que o dispositivo falha devido ao alto estresse térmico.

5. aumentar a capacidade de ajuste

1. Aplica uma tensão VCC 25 e 5 V AC tensão juntos entre os feixes adjacentes dois 68 µm enquanto aumentando a tensão de polarização aplicada sobre o aquecedor incorporado de 0 V 5.7 V, para uma total mudança de frequência de kHz 661.
2. Aumente a tensão de polarização aplicada de 25 V para 35 V para adicionar uma mola adicional amaciamento de efeito entre os feixes de tempo adjacentes dois 68 µm, enquanto aplicando uma 1 V AC tensão e mantendo a mesma configuração de tensão de polarização sobre os aquecedores incorporados.
3. Grave a 32% de melhoria no deslocamento de frequência total como isso deve aumentar de 661 kHz a 875 kHz proveniente desta primavera adicional efeito de amaciamento.
   Nota: O melhor de nosso conhecimento, alterando a capacidade de ajuste de ressonadores o MEMS foi alcançado pela primeira vez neste trabalho.

Resultados

Stiction foi evitada aplicando o sinal de onda quadrada de baixa frequência e isto foi verificado usando LDV (Figura 1). Possível falha devido ao alto estresse térmico¹⁴ ao aplicar relativamente maior tensão de polarização DC para os aquecedores incorporados foi verificada sob microscópio (Figura 2). O programa FEM foi usado para derivar os modos mais elevados para o feixe (Figu...

Discussão

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...

Materiais

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