Name: design and characterization methodology for efficient wide range tunable mems filters
Uploaded: 2018-02-04T13:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Design and Characterization Methodology for Efficient Wide Range Tunable MEMS Filters at JoVE.com

Dette arbejde blev støttet af US Army Research Laboratory, Adelphi, MD, USA, under Grant W91ZLK-12-P-0447. Resonans målinger blev udført med hjælp fra Michael Stone og Anthony Brock. Termiske kamera måling blev gennemført ved hjælp af Damon Conover fra George Washington University.

1. at vælge og designe en optimal struktur
<ol><li>Vælg den fast-fast beam for bred vifte frekvens tuning (sammenlignet med andre kandidater, det giver bred vifte tuning når det opvarmes på grund af sin store temperatur koefficient af frekvens (TCF) og ubetydelig termisk ekspansion konstant).</li>
	<li>Designe en længere stråle, hvis formålet er tuning forbedring af energieffektiviteten. Designe en kortere stråle, hvis formålet er frekvenshop eller signal registreringsprogrammer.</li>
</ol><p class="jove_title...

<ol>
	<li>G&#246;kta&#351;, H., Turner, K., Zaghloul, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Enhancement+in+CMOS-MEMS+Resonator+for+High+Sensitive+Temperature+Sensing.">Enhancement in CMOS-MEMS Resonator for High Sensitive Temperature Sensing.</a> IEEE Sensors J. 17 (3), 598-603 (2017).</li><li>Davila, A. P., Jang, J., Gupta, A. K., Walter, T., Aronson, A., Bashir, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microresonator+mass+sensors+for+detection+of+Bacillus+anthracis+Sterne+spores+in+air+and+water.">Microresonator mass sensors for detection of Bacillus anthracis Sterne spores in air and water.</a> Biosens. Bioelectron. 22 (12), 3028-3035 (2007).</li><li>Lee, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Suspended+microchannel+resonators+with+piezoresistive+sensors.">Suspended microchannel resonators with piezoresistive sensors.</a> Lab Chip. 11 (4), 645-651 (2011).</li><li>Arash, H., Pourkamali, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fabrication+and+Characterization+of+MEMS-Based+Resonant+Organic+Gas+Sensors.">Fabrication and Characterization of MEMS-Based Resonant Organic Gas Sensors.</a> IEEE Sensors J. 12 (6), 1958-1964 (2012).</li><li>G&#246;kta&#351;, H., Zaghloul, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Tuning+In-Plane+Fixed-Fixed+Beam+Resonators+with+Embedded+Heater+in+CMOS+Technology.">Tuning In-Plane Fixed-Fixed Beam Resonators with Embedded Heater in CMOS Technology.</a> IEEE Electron Device Lett. 36 (2), 189-191 (2015).</li><li>Li, C. S., Hou, L. J., Li, S. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Advanced+CMOS-MEMS+Resonator+Platform.">Advanced CMOS-MEMS Resonator Platform.</a> IEEE Electron Device Lett. 33 (2), 272-274 (2012).</li><li>Li, M. H., Chen, W. C., Li, S. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mechanically+Coupled+CMOS-MEMS+Free-Free+Beam+Resonator+Arrays+With+Ehanced+Power+Handling+Capability.">Mechanically Coupled CMOS-MEMS Free-Free Beam Resonator Arrays With Ehanced Power Handling Capability.</a> IEEE Trans. Ultrason. Ferroelect. Freq. Control. 59 (3), 346-357 (2012).</li><li>Lopez, J. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+CMOS-MEMS+RF-Tunable+Bandpass+Filter+Based+on+Two+High-Q+22-MHz+Polysilicon+Clamped-Clamped+Beam+Resonators.">A CMOS-MEMS RF-Tunable Bandpass Filter Based on Two High-Q 22-MHz Polysilicon Clamped-Clamped Beam Resonators.</a> IEEE Electron Device Lett. 30 (7), 718-720 (2009).</li><li>Khine, L., Palaniapan, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-Q+bulk-mode+SOI+square+resonator+with+straight-beam+anchors.">High-Q bulk-mode SOI square resonator with straight-beam anchors.</a> J. Micromech. Microeng. 19 (1), (2009).</li><li>Manca, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Programmable+mechanical+resonances+in+MEMS+by+localized+joule+heating+of+phase+change+materials.">Programmable mechanical resonances in MEMS by localized joule heating of phase change materials.</a> Adv. Mater. 25 (44), 6430-6435 (2013).</li><li>R&#250;a, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Phase+transition+behavior+in+microcantilevers+coated+with+M1-phase+VO2+and+M2-phase+VO2:Cr+thin+films.">Phase transition behavior in microcantilevers coated with M1-phase VO2 and M2-phase VO2:Cr thin films.</a> J. Appl. Phys. 111 (10), 104502 (2012).</li><li>Remtema, T., Lin, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Active+frequency+tuning+for+micro+resonators+by+localized+thermal+stressing+effects.">Active frequency tuning for micro resonators by localized thermal stressing effects.</a> Sens. Actuators A, Phys. 91 (3), 326-332 (2001).</li><li>G&#246;kta&#351;, H., Zaghloul, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Implementation+of+Low+Power+and+Wide+Tuning+Range+MEMS+filters+for+Communication+Applications.">The Implementation of Low Power and Wide Tuning Range MEMS filters for Communication Applications.</a> Radio Sci. 51 (10), 1636-1644 (2016).</li><li>G&#246;kta&#351;, H., Zaghloul, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Novel+Microhotplate:+A+Design+Featuring+Ultra+High+Temperature,+Ultra+Low+Thermal+Stress,+Low+Power+Consumption+and+Small+Response+Time.">The Novel Microhotplate: A Design Featuring Ultra High Temperature, Ultra Low Thermal Stress, Low Power Consumption and Small Response Time.</a> Sensor Comm. , (2013).</li><li>Kushmerick, J. G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+influence+of+coating+structure+on+micromachine+stiction.">The influence of coating structure on micromachine stiction.</a> Tribol Lett. 10 (1), (2001).</li><li>Kim, J. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Continuous+anti-stiction+coatings+using+self-assembled+monolayers+for+gold+microstructures.">Continuous anti-stiction coatings using self-assembled monolayers for gold microstructures.</a> J. Micromech. Microeng. 12 (5), 688-695 (2002).</li><li>Bhattacharya, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effect+of+porous+silicon+formation+on+stiction+in+surface+micromachined+MEMS+structures.">Effect of porous silicon formation on stiction in surface micromachined MEMS structures.</a> Phys. Stat. Sol. (A). 202 (8), 1482-1486 (2005).</li><li>Koppaka, S. B., Phinney, L. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Release+Processing+Effects+on+Laser+Repair+of+Stiction-Failed+Microcantilevers.">Release Processing Effects on Laser Repair of Stiction-Failed Microcantilevers.</a> J. Microelectromech. Syst. 14 (2), 410-418 (2005).</li><li>Ghatkesar, M. K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Higher+modes+of+vibration+increase+mass+sensitivity+in+nanomechanical+microcantilevers.">Higher modes of vibration increase mass sensitivity in nanomechanical microcantilevers.</a> Nanotechnology. 18 (44), 445502 (2007).</li><li>G&#246;kta&#351;, H., Mona, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High+Sensitivity+CMOS+Portable+Biosensor+with+Flexible+Microfluidic+Integration.">High Sensitivity CMOS Portable Biosensor with Flexible Microfluidic Integration.</a> IEEE SENSORS. , (2013).</li></ol>

Et af de afgørende skridt i opbygningen af MEMS filtre er at designe enheden er baseret på modulet. Strålen bør være længere eller tyndere for bedre tuning effektivitet (ppm/mW), men kortere eller tyndere for frekvensspring eller signal registreringsprogrammer. På samme måde er klart signal detection via LDV kritisk i enhed test, hvilket er hvorfor det er bedre at designe bjælken med mindst 3-4 µm tykkelse. Ellers signalet vil være støjende, selv med en 100 X linse, og det tager flere point test med støj fje...

Der er en stigende efterspørgsel efter MEMS filtre på grund af deres høje pålidelighed, lavt strømforbrug, kompakt design, høj kvalitet faktor, og lave omkostninger. De er meget udbredt som sensorer og centrale dele i trådløs kommunikation. Temperatur sensorer1, bio-sensorer2,3, gas-sensorer4, filtre5,6,7og oscillatorer er de mest populære anvendelsesområder. De mest populære elektrostatisk MEMS filtre er fast-fast beam5,8, cantilever2, stemmegaffel6, fri-fri stråle6,7, bøjnings-disk design7, og kvadratisk form design9.
Der er mange kritiske trin i at realisere et MEMS filter, som design metode (program-baseret struktur optimering, bred vifte frekvens tuning rækkevidde, og undgå fejl) og karakterisering (hurtigt prototyping, undgå parasitisk capacitances, og afsløre højere tilstande). Frekvens tuning kapacitet er forpligtet til at kompensere for ændringer frekvens på grund af fabrikation tolerancer eller omgivende temperatur variationer. Forskellige teknikker10,11,12 er blevet rapporteret i litteraturen til at løse dette krav; de har dog nogle ulemper såsom begrænset frekvens tuning kapacitet, lav center frekvens, yderligere efterbehandling krav og ekstern vandvarmer10,11.
I denne undersøgelse, vi præsenterer bred vifte frekvens tuning af Joule varme metode5,13 over en begrænset frekvens tuning rækkevidde via et elasticitetsmodul ændring12 (stigende DC bias spænding mellem to tilstødende bjælker) og en materiale fase overgang metode10,11. Endvidere blev optimal struktur udvælgelse og ansøgning-baseret design sammenfattet i Göktaş og Zaghloul13. Her viser vi hvordan du tune resonansfrekvens af en fast-fast beam ved at øge DC spænding til den integrerede heater med hjælp fra LDV. Finite element analyse (FEM) simulering er synkroniseret med LDV måling i den samme ramme af hensyn til visualisere tuning mekanismen. Dette omfatter Joule varme og bøjning profil i hele strålen.
Vi præsenterer også de mulige fiaskoer (brændt enheder og stiction) og deres foreslåede løsninger. Joule varme metode i kombination med høj termisk stress den fast-fast lysstråle giver bred vifte frekvens tuning men samtidig kan resultere i brændt enheder på en bestemt temperatur. Dette tilskrives det høje termisk stress mellem forskellige materialer14. Løsningen er at øge DC spændingen mellem de to tilstødende bjælker, som igen øger rækken tuning (32%), og eliminerer behovet for høj temperatur. Denne "tuning i tuning-området" metode blev først demonstreret i Göktaş og Zaghloul5, forklaret mere detaljeret i Göktaş og Zaghloul13og igen præsenteret her. Stiction, på den anden side kan finde sted under fabrikation proces eller resonans operationen. Der har været mange teknikker foreslået at løse dette problem som anvender overflade for at mindske friktion energi15,16, stigende overfladeruhed17og laser reparation processen18. Derimod præsenterer vi en simpel teknik, hvor en lav frekvens firkantbølge signal blev anvendt mellem to vedhæftede bjælker og adskillelsen blev korrekt registreret af LDV. Denne metode kan fjerne ekstra omkostninger og mindske design kompleksitet.
En anden afgørende skridt i opbygningen af et topmoderne MEMS filter er karakterisering og kontrol. Karakterisering med en network analyzer er et af de mest populære og udbredte metoder; Det har dog nogle ulemper. Selv små parasitaere kapacitans kan dræbe signalet og så det kræver som regel en forstærker kredsløb3,6,8 for støj fjernelse, og det kan kun afsløre første mode resonans. På den anden side karakterisering med LDV er fri fra parasitiske kapacitans spørgsmålet, og kan afsløre meget mindre forskydning. Dette giver mulighed for hurtigt prototyping, mens eliminerer behovet for forstærker design. Derudover kan LDV registrere højere tilstand resonans af MEMS filtre. Denne funktion er meget lovende, især med hensyn til meget følsomme biosensorer. En højere cantilever mode kan give meget mere følsomhed19. Den højere tilstand måling af en fast-fast beam med LDV er vist og anvendes til Five simulation måling. Tidlig resultaterne fra Five simulation tilbyder op til 46 gange forbedring i følsomhed i forhold til den første tilstand af de fast-fast beam.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="573">
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Laser Doppler Vibrometer</td>
			<td style="width:71px;">Polytec</td>
			<td style="width:119px;">Polytec MSA-500</td>
			<td style="width:167px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Scanning Electron Microscope</td>
			<td style="width:71px;">Zeiss</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Thermal Camera</td>
			<td style="width:71px;">X</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Power Supply&#160;</td>
			<td style="width:71px;">Egilent</td>
			<td style="width:119px;">(E3631A)</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Microscope</td>
			<td style="width:71px;">X</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Coventor</td>
			<td style="width:71px;">Coventor</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>Simulation Tool</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Cadence Virtuoso</td>
			<td style="width:71px;">Cadence</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>Simulation Tool</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Multisim</td>
			<td style="width:71px;">Multisim</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>Simulation Tool</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

design and characterization methodology for efficient wide range tunable mems filters

Her, demonstrere vi fordelene ved laser Doppler vibrometer (LDV) over konventionel teknik (network analyzer) samt teknikker til at skabe en ansøgning-baserede microelectromechanical systemer (MEMS) filter og hvordan man bruger det effektivt) dvs., tuning i tuning-kapacitet og undgå både fejl og stiction). LDV giver afgørende målinger, der er umuligt med network analyzer, såsom højere tilstand påvisning (meget følsomme biosensor ansøgning) og resonans måling for meget små enheder (hurtigt prototyping). Derfor blev LDV brugt til at karakterisere tuning frekvensområde og resonansfrekvens på forskellige transportformer MEMS filtre bygget til denne undersøgelse. Denne bredt frekvens tuning mekanisme bygger blot på Joule varme fra den integrerede vandvarmere og relativt høj termisk stress med hensyn til temperaturen i en fast-fast beam. Men vi vise, at en anden begrænsning ved denne metode er den deraf følgende høj termisk stress, som kan brænde enhederne. Yderligere forbedringer blev opnået og vist for første gang i denne undersøgelse, således at tuning kapacitet var steget med 32% gennem en forøgelse af den anvendte DC bias spænding (25 V til 35 V) mellem de to tilstødende bjælker. Dette vigtige resultat eliminerer behovet for ekstra Joule varme på den bredere tuning frekvensområde. En anden eventuel fiasko er gennem stiction og krav om struktur optimering: Vi foreslår en simpel og nem teknik af lavfrekvent firkantbølge signal program, der med succes kan adskille bjælker og eliminerer behovet for mere avancerede og komplicerede metoder i litteraturen. Ovenstående nødvendiggøre en design metode, og så vi også give en program-baseret design.

Stiction blev undgået ved at anvende lavfrekvente firkantbølge signal, og dette blev bekræftet ved hjælp af LDV (figur 1). Mulige fejl på grund af høj termisk stress14 når du anvender relativt højere bias DC spænding på de integrerede varmeapparater blev bekræftet under mikroskop (figur 2). Five var brugt til at udlede de højere former for beam (figur 3). Ændre tu...

Watch this Scientific Journal Video about Design and Characterization Methodology for Efficient Wide Range Tunable MEMS Filters at JoVE.com

Design and Characterization Methodology for Efficient Wide Range Tunable MEMS Filters

Design og karakterisering metode til effektiv Wide Range afstemmelige MEMS filtre

En protokol til en fast-fast beam design ved hjælp af en laser Doppler vibrometer (LDV), herunder måling af frekvens tuning, ændring af tuning kapacitet, og undgåelse af enhed fejl og stiction, præsenteres. Overlegenhed af metoden LDV over network analyzer er påvist på grund af dets højere tilstand kapacitet.

Here, we demonstrate the advantages of the laser Doppler vibrometer (LDV) over conventional techniques (the network analyzer), as well as the techniques ...

Research

JoVE Journal

Engineering

Design, Fabrication, and Experimental Characterization of Plasmonic Photoconductive Terahertz Emitters

Design, fremstilling, and Experimental karakterisering af plasmoniske Photoconductive Terahertz Emitters

In this video article we present a detailed demonstration of a highly efficient method for generating terahertz waves. Our technique is based on ...

Real-Time DC-dynamic Biasing Method for Switching Time Improvement in Severely Underdamped Fringing-field Electrostatic MEMS Actuators

Real-Time DC-dynamisk Prioritering Metode til Switching Time Forbedring Alvorligt Underdamped Fringing-felt Elektrostatiske MEMS aktuatorer

Mechanically underdamped electrostatic fringing-field MEMS actuators are well known for their fast switching operation in response to a unit step input ...

Single Plane Illumination Module and Micro-capillary Approach for a Wide-field Microscope

Single Plane Illumination modul og Micro-kapillær-metoden for en Wide-field mikroskop

A module for light sheet or single plane illumination microscopy (SPIM) is described which is easily adapted to an inverted wide-field microscope and ...

Fabrication of Gate-tunable Graphene Devices for Scanning Tunneling Microscopy Studies with Coulomb Impurities

Fremstilling af Gate-afstemmelige Graphene Devices for Scanning Tunneling Mikroskopi Undersøgelser med Coulomb urenheder

Owing to its relativistic low-energy charge carriers, the interaction between graphene and various impurities leads to a wealth of new physics and degrees ...

Compact Lens-less Digital Holographic Microscope for MEMS Inspection and Characterization

Kompakt Lens-mindre Digital Holografisk Microscope for MEMS Inspektion og karakterisering

A micro-electro-mechanical-system (MEMS) is a widely used component in many industries, including energy, biotechnology, medical, communications, and ...

Experimental Methodology for Estimation of Local Heat Fluxes and Burning Rates in Steady Laminar Boundary Layer Diffusion Flames

Eksperimentel Metode til Vurdering af lokal varme strømme og Burning priser i Steady Laminar grænselag Diffusion Flames

Modeling the realistic burning behavior of condensed-phase fuels has remained out of reach, in part because of an inability to resolve the complex ...

Scanning Light Scattering Profiler (SLPS) Based Methodology to Quantitatively Evaluate Forward and Backward Light Scattering from Intraocular Lenses

Scanning Light Scattering Profiler SLPS Based Methodology to Quantitatively Evaluate Forward and Backward Light Scattering from Intraocular Lenses

Scanning Light Scattering Profiler (SLPS) -baseret metode til kvantitativ evaluering af fremadrettet og bagudlysudspredning fra intraokulære linser

The scanning light scattering profiler (SLSP) methodology has been developed for the full-angle quantitative evaluation of forward and backward light ...

Fabrication of 3D Carbon Microelectromechanical Systems (C-MEMS)

Fabrication of 3D Carbon Microelectromechanical Systems C-MEMS

Fremstilling af 3D-carbon-mikroelektromekaniske systemer (C-MEMS)

A wide range of carbon sources are available in nature, with a variety of micro-/nanostructure configurations. Here, a novel technique to fabricate long ...

Design and Evaluation of Smart Glasses for Food Intake and Physical Activity Classification

Design og evaluering af smarte briller for fødeindtagelse og fysisk aktivitet klassificering

This study presents a series of protocols of designing and manufacturing a glasses-type wearable device that detects the patterns of temporalis muscle ...

Design and Implementation of a Bespoke Robotic Manipulator for Extra-corporeal Ultrasound

Design og implementering af en skræddersyet robot Manipulator for ekstra legemlige ultralyd

With the potential for high precision, dexterity, and repeatability, a self-tracked robotic system can be employed to assist the acquisition of real-time ...