Name: design and characterization methodology for efficient wide range tunable mems filters
Uploaded: 2018-02-04T13:00:00
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Ce travail a été soutenu par l’US Army Research Laboratory, Adelphi, MD, USA, sous Grant W91ZLK-12-P-0447. Les mesures de résonance ont été menées avec l’aide de Michael Stone et Anthony Brock. La mesure d’une caméra thermique a été réalisée avec l’aide de Damon Conover de l’Université George Washington.

1. sélectionner et concevoir une Structure optimale
<ol><li>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).</li>
	<li>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 fré...

<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>

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 ...

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-capteurs2,3, capteurs de gaz4, filtres5,6,7et oscillateurs sont les domaines d’application les plus populaires. Les plus populaires filtres électrostatiques de MEMS sont faisceau fixe-fixe5,8, cantilever2, Diapason6, libre-libre faisceau6,7, 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 techniques10,11,,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 externe10,11.
Dans cette étude nous présentons éventail réglage de fréquence par le Joule méthode5,13 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 méthode10,11. 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 énergie15,16, 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 circuit3,6,8 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.

<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

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.

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...

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Design and Characterization Methodology for Efficient Wide Range Tunable MEMS Filters

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

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.

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

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