Проектирование и характеристика методологии для эффективного широкий диапазон МЭМС Перестраиваемые фильтры

Резюме

Протокол для фиксированной фиксированного луча дизайн, с использованием лазера Doppler Виброметр (АМГ), включая измерение частоты тюнинг, изменения настройки возможности и недопущение отказа устройства и stiction, представил. Превосходство метода LDV над сетевой анализатор продемонстрировал из-за его выше возможности режима.

Аннотация

Здесь мы продемонстрировать преимущества лазера Doppler Виброметр (АМГ) над обычными методами (анализатор сети), а также методы для того чтобы создать фильтр на основе приложений микроэлектромеханических систем (MEMS) и как эффективно использовать его) то есть, тюнинг тюнинг возможности и избежать сбоя и stiction). LDV позволяет решающее значение измерения, которые невозможно с помощью анализатора сети, такие как выше режим обнаружения (высокочувствительный биосенсор приложения) и резонанс измерения для очень малых устройств (быстрое прототипирование). Соответственно АМГ был использован для характеристики Диапазон настройки частоты и частоты резонанса в различных режимах MEMS фильтров, построенных для этого исследования. Этот широкий диапазон частот настройки механизма основана просто на Джоуль, Отопление с закладными нагревателями и относительно высокой тепловой стресс относительно температуры фиксированной фиксированного луча. Однако мы продемонстрировать, что другое ограничение этого метода является полученный высокой тепловой стресс, который может сжечь устройства. Дальнейшее улучшение было достигнуто и показан в первый раз в этом исследовании, таким образом, чтобы настройки возможностей увеличилась на 32% через увеличение приложенного напряжения постоянного тока смещения (25 V до 35 V) между двумя смежными балки. Этот важный вывод устраняет необходимость в дополнительных Джоуль, Отопление на более широкий диапазон настройки частоты. Еще одна возможная неисправность это через stiction и требование оптимизации структуры: Мы предлагаем простой и легкий техника низкой частоты квадратные волны сигнала приложения, которое может успешно отделить балки и устраняет необходимость для более сложные и сложные методы, приведенные в литературе. Выше выводы требуют разработки методологии, и поэтому мы также предоставляем на основе приложений дизайна.

Введение

Существует растущий спрос на MEMS фильтры из-за их высокую надежность, низкое энергопотребление, компактный дизайн, фактором высокого качества и низкой стоимости. Они широко используются как датчики и как основных частей в беспроводной связи. Датчики температуры¹, био датчики^2,3, газ датчик⁴, фильтры^5,6,7и осцилляторы являются наиболее популярных областей применения. Самые популярные электростатические фильтры MEMS являются фиксированной фиксированного луча^5,8, консольные², Камертон⁶, свободно свободного пучка^6,7, при изгибе диск дизайн⁷, и квадратной формы дизайн⁹.

Существует много важных шагов в реализации MEMS фильтр, например методологии проектирования (оптимизация структуры на основе приложений, широкий диапазон частоты, диапазон настройки и избежать сбоев) и характеристики (быстрое прототипирование, избегая паразитарные емкостей и детектирования выше режимы). Частоты тюнинг возможности обязан компенсировать любые изменения частоты за счет изготовления допуски, или вариации температуры окружающей среды. Различные методы^10,,1112 были зарегистрированы в литературе для удовлетворения этого требования; Однако они имеют некоторые недостатки, такие как ограниченный частоты настройки возможности, низкая частота, дополнительная должность обработки требований и внешний нагреватель^10,11.

В этом исследовании мы представляем, широкий диапазон частоты тюнинг, Джоуль Отопление метод^5,13 частотном ограниченный диапазон через модуль упругости изменить¹² (повышение напряжения постоянного тока смещения между двух соседних балок) и материал этап перехода метод^10,11. Кроме того выбор оптимальной структуры и разработки на основе приложения были обобщены в Göktaş и Zaghloul¹³. Здесь мы покажем, как настроить резонансная частота фиксированной фиксированного луча, увеличивая напряжение постоянного тока, применяется встроенный нагреватель с помощью АМГ. Моделирование элементного анализа (FEM) синхронизируется с LDV измерения в том же кадре ради визуализации настройки механизма. Это включает в себя Джоуль Отопление и гибки профиля по всей луча.

Мы также представляем возможных сбоев (жженая устройства и stiction) и их предложенные решения. Джоуль, Отопление метод в сочетании с высокой тепловой стресс фиксированной фиксированного луча обеспечивает широкий диапазон частоты тюнинг, но в то же время может привести к обожженной устройств на определенном уровне температуры. Это объясняется высокой тепловой стресс между¹⁴различных материалов. Решение заключается в том, чтобы увеличить напряжение постоянного тока между двумя смежными балки, которые в свою очередь увеличивает диапазон настройки (32%) и устраняет необходимость для высоких температур. Этот метод «тюнинг тюнинг диапазона» впервые был продемонстрирован в Göktaş и Zaghloul⁵, более подробно в Göktaş и Zaghloul¹³и повторно представленные здесь. Stiction, с другой стороны, может иметь место во время изготовления процесс или резонанс операции. Там было много методов, предлагаемых для решения этой проблемы, как применение покрытие поверхности для уменьшения прилипания энергии^15,16, увеличения шероховатости поверхности¹⁷и процесс ремонта лазера¹⁸. Напротив мы представляем простой техники, где сигнал прямоугольной волны низкой частоты был применен между двух вложенных балки и разделение был успешно записан АМГ. Этот метод может исключить дополнительные расходы и уменьшить сложности дизайна.

Другой критический шаг в построении состояние искусства MEMS фильтр-характеристика и проверки. Характеристика с сетевой анализатор является одним из самых популярных и широко используемых методов; Однако она имеет некоторые недостатки. Даже небольшие паразитные емкости может убить сигнал и так это обычно требует^6,,3цепи усилителя⁸ для ликвидации шум, и он может только обнаружить первый режим резонанс. С другой стороны характеристика с LDV свободен от этого вопроса паразитные емкости и может обнаружить гораздо меньше перемещений. Это позволяет быстрого прототипирования, устраняя потребность в усилитель дизайн. Кроме того АМГ может обнаружить выше режим резонанс MEMS фильтров. Эта функция является очень перспективным, особенно в области высокочувствительный биодатчиков. Выше консольный режим может обеспечить гораздо больше чувствительности¹⁹. Выше режим измерения фиксированной фиксированного луча с LDV показана и применяется к Пэм моделирования измерений. Преждевременное результаты моделирования FEM предлагают до 46 раз улучшения в чувствительности, по сравнению с первым режим фиксированной фиксированного луча.

протокол

1. Выбор и проектирование оптимальной структуры

1. Выберите фиксированной фиксированный луч для широкого диапазона частоты тюнинг (по сравнению с другими кандидатами, позволяет широкий диапазон настройки при нагревании из-за его большой температурный коэффициент частоты (ФТС) и незначительным теплового расширения константа).
2. Дизайн больше света, если целью является настройка повышения эффективности. Дизайн более узкий луч, если целью является скачкообразной перестройки частоты или сигнала, отслеживания приложений.

2. Моделирование и изготовление в дополнительные металл оксид-полупроводник (CMOS)

1. Разработка и создание 3D-модель для MEMS фильтра в программу FEM-основе.
2. Восстановите тот же макет в инструмент дизайн интегрировано-цепь (IC), слой за слоем для создания файла ГСР.
3. Отправьте этот файл gds в литейную CMOS для изготовления (мы использовали КМОП технологии 0,6 мкм).
4. Продолжить с последующей обработки после завершения процесса CMOS (Обратите внимание, что чипы должны иметь поликристаллического кремния, алюминия и оксида слои).
   1. Поведения, CHF3/o₂ сухого etch процесс через индуктивно связанной плазмы (ICP) системы etch. Etch SiO₂ между слоями алюминиевых и формируют лучи в пропорции 5,7. Для этого процесса, используйте следующие параметры: CHF₃ в 40 sccm, O₂ на 5 sccm, давлении 0,5 Па, ICP мощность 500 Вт и образец мощность 100 Вт с 56 мин всего etch время.
   2. Применить XeF₂ etch процесса в кремниевой подложке для создания глубины полости под лучами 9 мкм. Для этого процесса используйте XeF₂ травления система для 3 циклов в 3Т, для 60 s/цикл.
5. Характеризуют устройства с сканирующего электронного микроскопа (SEM), чтобы убедиться, что они изготовлены должным образом. Для этого шага, изменить луча, ускоряющее напряжение до 2,58 кв и рабочее расстояние до 9,5 мм.

3. устройство тестирования

Примечание: Проверка устройства состоят из многих шагов, включая Джоуль, Отопление и испытания частоты ответа.

1. Тепловизионной камеры тест для встраиваемых нагревателей
   1. Расположите тепловизионной камеры на верхней части чипа и тестирование закладными нагревателями, чтобы убедиться, что они Тепловые лучи.
   2. Подключите источник питания к пакету чип и применить напряжение постоянного тока на встраиваемых нагревателей от 0 V до 5,7 V в малых приращений для повышения температуры на протяжении всего лучи.
   3. Запись профиля температуры во всем пакете чип через тепловые камеры во время нагрева. Сохраните результаты в численных вычислений программе и участок профиль нагрева.
2. Калибровка АМГ и испытательные установки
   1. Позиционировать лазер на вершине 120 мкм длиной балки.
   2. Подключите источник питания между двумя 120 мкм длиной балки применять как 7 В постоянного тока и напряжение 3 В переменного тока для операции резонанс. Подключение дополнительного напряжения смещения постоянного тока с закладными нагревателями с максимальной 5,7 V применять Джоуль, Отопление для балок во время операции резонанс.
   3. Переместите лазер в другое место на балку чтобы получить низкий шум лазер отражение. Убедитесь в том увеличить интенсивность синяя полоса для уменьшения шума.
   4. Разделите экран на несколько представлений для калибровки и запустите программу установки измерения.
   5. Перейдите на страницу настройки приобретение, установите режим измерения БПФ, не использовать любой фильтр и установите пропускную способность до 2 МГц.
   6. Измените скорость, так что он может поддержать максимальной частотой 2,5 МГц.
   7. Используйте периодические ЛЧМ сигнала.
      Примечание: Здесь, амплитуда стоит для переменного напряжения и смещение стенды для напряжения постоянного тока.
   8. Начните измерения с этой новой установки.
   9. Обновление параметров приобретение, изменив напряжение тока DC до 1 V.
   10. Уменьшите приложенного напряжения смещения в окне Параметры приобретения когда аргументов ссылка1 показывает красный сигнал тревоги (это означает, что сигнал шумный).
   11. Переместите лазер в другое место на балку для дальнейшего увеличения соотношения сигнал шум. Иногда может быть плохой пятна на балку, которая вызывает красный сигнал на панели вибрации; в этом случае по-прежнему искать лучшее место.
3. Тестирование 68 мкм длиной MEMS фильтры через LDV
   1. Выберите 68 мкм длиной MEMS фильтр для тестирования.
   2. Примените 25 V DC и 5 В переменного тока напряжения между двумя 68 мкм длиной прилегающих балки. Здесь напряжение тока DC обеспечивает изгиб и напряжения переменного тока позволяет операции резонанс.
   3. Применить дополнительные напряжения постоянного тока с закладными нагревателями, помещены в 68 мкм длиной луча и увеличить напряжение от 0 В до 5,7 V в малых приращений. Это обеспечит, перестройкой частоты основанные на Джоуль Отопление.
   4. Наблюдать и записывать резонансная частота и фаза реакции в отношении приложенного смещения напряжения на каждом шагу и обобщить результаты в таблице. Общая частота настройки для этого образца здесь, около 874 кГц когда 5.7 V DC напряжение на встроенный нагреватель.
      Примечание: Моделирования (на правой стороне) и реальных измерений (на стороне левые) синхронизированы.
4. Выше режимы измерения
   1. Нажмите кнопку A/D, чтобы перейти к окну параметров приобретение, продемонстрирована в разделе 3.2 и изменить скорость, так что он может поддерживать очень высоких частотах.
   2. Измерьте первый и второй режим с их этапа.
      Примечание: Перемещение основного резонанса в направлении Y режим-1 и это в направлении оси Z (это к Микроскоп) режим-2.

4. во избежание сбоя устройства

1. Приложение сигнал прямоугольной волны низкой частоты решить stiction
   1. Примените 1 Гц квадратные волны сигнала для решения проблемы stiction, что результаты от электростатического заряда между двумя смежными балки.
   2. Перейти в поле Смещение и установите напряжение тока DC 1 V, сохраняя напряжение переменного тока в 1 V.
   3. Перейти в поле Частота и задать частоту до 1 Гц.
   4. Активировать и применить новые установки на балки.
   5. Соблюдайте разделение балок.
2. Высокий тепловой стресс и горения
   1. Используйте дополнительный образец для тепловой стресс-тест.
   2. Увеличение приложенного напряжения смещения на встроенный нагреватель с небольшими приращениями, чтобы найти максимально допустимое напряжение, прежде чем устройство не удается из-за высокой тепловой стресс.

5. расширение возможностей настройки

1. Примените 25 V DC и 5 V переменного тока напряжения вместе между двумя 68 мкм рядом балок при одновременном повышении приложенного напряжения смещения на встроенный нагреватель от 0 В до 5,7 V, для всего 661 кГц частота смены.
2. Увеличение прикладной напряжения смещения от 25 V до 35 V добавить дополнительные пружины, смягчающий эффект между двумя 68 мкм длиной прилегающих балки, при применении 1 V переменного напряжения и поддержанию же установки напряжения смещения на встраиваемых нагревателей.
3. Запись 32% улучшения в Общая частота смены, как это должно увеличить от 661 кГц до 875 кГц, исходя из этой дополнительной весной, смягчающее действие.
   Примечание: В меру наших знаний, изменив настройки возможности MEMS резонаторов была достигнута в первый раз в этой работе.

Результаты

Stiction удалось избежать, применив сигнал прямоугольной волны низкой частоты, и это было проверено с помощью LDV (рис. 1). Возможная неисправность из-за высокой тепловой стресс¹⁴ при применении относительно высокие напряжения смещения постоянно...

Обсуждение

Одним из важных шагов в создании фильтров MEMS заключается в разработке устройства, основанные на области приложения. Луч должен быть длиннее или разбавитель для лучшего тюнинг эффективности (ppm/МВт), но короче или разбавитель для ППРЧ или сигнала, отслеживания приложений. В то же время че...

Материалы

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