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

Questo lavoro è stato supportato da US Army Research Laboratory, Adelphi, MD, USA, sotto Grant W91ZLK-12-P-0447. Le misurazioni di risonanza sono stati condotti con l'aiuto di Michael Stone e Anthony Brock. La misurazione di telecamera termica è stata condotta con l'aiuto di Damon Conover da George Washington University.

1. selezione e progettazione di una struttura ottima
<ol><li>Selezionare il fascio fisso-fisso per vasta gamma di frequenza di sintonizzazione (rispetto ad altri candidati, consente ampia gamma ottimizzazione quando è riscaldata a causa del suo coefficiente di temperatura della frequenza (TCF) e costante di espansione termica trascurabile).</li>
	<li>Progettare un fascio più lungo se lo scopo è tuning miglioramento dell'efficienza. Progettare un fascio più corto se lo scopo è salto di frequenza o applicazioni di r...

<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>

Uno dei passaggi critici nella costruzione di filtri di MEMS è quello di progettare il dispositivo sulla base dell'area di applicazione. Il raggio dovrebbe essere più lungo o più sottili per la migliore ottimizzazione efficienza (ppm/mW), ma più breve o più sottile per salto di frequenza o segnale di monitoraggio delle applicazioni. Allo stesso modo, rilevamento segnale chiaro via LDV è critico nel dispositivo di test che è perché è meglio progettare la trave con uno spessore di almeno 3-4 µm. In caso contrario...

C'è una crescente domanda per i filtri di MEMS a causa della loro elevata affidabilità, basso consumo energetico, design compatto, fattore di alta qualità e basso costo. Sono ampiamente usati come sensori e come parti fondamentali nella comunicazione senza fili. Temperatura sensori1, bio-sensori2,3, sensori di gas4, filtri5,6,7e oscillatori sono i campi di applicazione più popolari. I più popolari filtri elettrostatici di MEMS sono fascio fisso-fisso5,8, a sbalzo2, diapason6, free fascio6,7, flessione-disco progettazione7, e forma quadrata design9.
Ci sono molti passaggi critici nella realizzazione di un filtro di MEMS, come metodologia di progettazione (struttura basata sull'applicazione di ottimizzazione, vasta gamma frequenza gamma di sintonia ed evitare gli errori) e caratterizzazione (prototipazione rapida, evitando parassita capacità e modalità di rilevazione superiore). Capacità di regolazione della frequenza è necessaria per compensare eventuali cambiamenti di frequenza a causa di tolleranze di fabbricazione, o variazioni della temperatura ambiente. Diverse tecniche10,11,12 sono stati segnalati nella letteratura per soddisfare questa esigenza; Tuttavia, essi hanno alcuni svantaggi, come frequenza limitata tuning capacità, frequenza centrale basso, ulteriori post-elaborazione requisiti e riscaldamento esterno10,11.
In questo studio presentiamo ampia gamma sintonizzazione della frequenza di Joule riscaldamento metodo5,13 sopra una frequenza limitata gamma tramite un modulo elastico di sintonia cambiare12 (aumentando la tensione di polarizzazione di DC tra due fasci adiacenti) e un materiale fase transizione metodo10,11. Inoltre, la selezione la struttura ottimale e la progettazione basata su applicazione sono stati ricapitolati in Göktaş e Zani13. Qui, vi mostriamo come ottimizzare la frequenza di risonanza di un fascio fisso-fisso aumentando la tensione applicata al riscaldatore incorporato con l'aiuto della LDV. La simulazione di elementi finiti (FEM) analisi è sincronizzata con la misura di LDV nello stesso frame per visualizzare il meccanismo di messa a punto. Questo include il Joule riscaldamento e profilo in tutto il raggio di piegatura.
Siamo presenti anche i possibili errori (dispositivi bruciati e attrito statico) e le loro soluzioni proposte. Il metodo in combinazione con l'elevato stress termico del fascio fisso-fisso di riscaldamento di Joule offre vasta gamma di frequenza di sintonizzazione ma allo stesso tempo può provocare bruciati dispositivi ad un certo livello di temperatura. Ciò è attribuita allo stress termico alto tra diversi materiali14. La soluzione consiste nell'aumentare la tensione tra i due fasci adiacenti, che a sua volta aumenta la gamma di sintonizzazione (32%) ed elimina la necessità per alta temperatura. Questo metodo di "ottimizzazione della gamma di accordatura" era prima dimostrato in Göktaş e Zanon5, spiegato più dettagliatamente in Göktaş e Zani13e ri-presentato qui. Attrito statico, d'altra parte, può avvenire durante l'operazione di processo o risonanza di fabbricazione. Ci sono state molte tecniche proposte per affrontare questo problema come l'applicazione di rivestimento superficiale per ridurre adesione energia15,16, crescente rugosità superficiale17e il processo di riparazione laser18. Al contrario, vi presentiamo una tecnica semplice, dove è stato applicato un segnale onda quadra di bassa frequenza tra due travi allegate e la separazione è stata correttamente registrata da LDV. Questo metodo può eliminare extra costo e ridurre la complessità di progettazione.
Un altro passo fondamentale nella costruzione di un filtro di MEMS all'avanguardia è la caratterizzazione e la verifica. Caratterizzazione con un analizzatore di rete è uno dei metodi più popolari e ampiamente utilizzati; Tuttavia, presenta alcuni svantaggi. Anche le piccole capacità parassita può uccidere il segnale e così questo di solito richiede un amplificatore circuito3,6,8 per eliminazione del rumore, e solo può rilevare prima risonanza di modalità. D'altra parte, caratterizzazione con LDV è esente da questo problema di capacità parassita e può rilevare molto cilindrata più piccola. In questo modo la prototipazione rapida, pur eliminando la necessità per il progetto di un amplificatore. LDV è inoltre in grado di rilevare maggiore risonanza di modalità di filtri di MEMS. Questa caratteristica è molto promettente, soprattutto nel campo dei biosensori altamente sensibili. Una modalità a sbalzo superiore in grado di fornire molto più sensibilità19. La misurazione modalità superiore di una trave fisso-fisso con LDV è dimostrata e applicata a misura di simulazione FEM. I risultati prematuri dalla simulazione FEM offrono fino a 46 volte miglioramento nella sensibilità rispetto alla modalità prima del fascio fisso-fisso.

<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

Qui, noi dimostrare i vantaggi del vibrometro di laser Doppler (LDV) sopra le tecniche convenzionali (l'analizzatore di rete), così come le tecniche per creare un filtro di basato sull'applicazione microelectromechanical systems (MEMS) e come usarlo in modo efficiente ( cioè, la capacità di messa a punto di ottimizzazione ed evitando sia guasto e attrito statico). LDV consente misurazioni cruciali che sono impossibili con l'analizzatore di rete, ad esempio superiore modalità rilevamento (applicazione di biosensore altamente sensibile) e la misurazione di risonanza per dispositivi molto piccoli (prototipazione rapida). Di conseguenza, LDV è stato utilizzato per caratterizzare la gamma di sintonizzazione di frequenza e la frequenza di risonanza alle diverse modalità dei filtri MEMS costruiti per questo studio. Questo meccanismo di regolazione frequenza ampia gamma si basa semplicemente sul riscaldamento dal riscaldatori incorporati e stress termico relativamente alto rispetto alla temperatura di un fascio fisso-fisso di Joule. Tuttavia, dimostriamo che un'altra limitazione di questo metodo è la sollecitazione termica alta risultante, che può bruciare i dispositivi. Ulteriore miglioramento è stato realizzato e mostrato per la prima volta in questo studio, in modo tale che la capacità di ottimizzazione è stata aumentata del 32% tramite un aumento nella tensione bias DC applicata (25 V a 35 V) tra i due fasci adiacenti. Questa individuazione importante Elimina la necessità per il Joule extra riscaldamento presso la più ampia gamma di sintonizzazione di frequenza. Un altro possibile guasto è attraverso attrito statico e l'esigenza di ottimizzazione della struttura: proponiamo una tecnica semplice e facile di applicazione di segnale onda quadra di bassa frequenza che può separare correttamente le travi ed elimina la necessità per i più metodi sofisticati e complicati, dati nella letteratura. I risultati di cui sopra richiedono una metodologia di progettazione, e quindi forniamo anche un design basato sull'applicazione.

Attrito statico è stato evitato applicando il segnale ad onda quadra a bassa frequenza e questo è stato verificato utilizzando LDV (Figura 1). Possibile guasto a causa di stress termico elevato14 quando si applica tensione DC relativamente più elevati per i riscaldatori incorporati è stata verificata sotto il microscopio (Figura 2). Il programma FEM è stato utilizzato per derivare le modalità superio...

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Design and Characterization Methodology for Efficient Wide Range Tunable MEMS Filters

Progettazione e nella metodologia di caratterizzazione per efficiente ampio intervallo sintonizzabile MEMS filtri

Un protocollo per un design fisso-fisso larghezza utilizzando un vibrometro laser Doppler (LDV), compresa la misurazione della frequenza di sintonizzazione, modifica di tuning capacità e l'evitare malfunzionamenti e attrito statico, è presentato. Grazie alla sua superiore capacità di modalità è dimostrata la superiorità del metodo LDV sopra l'analizzatore di rete.

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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Engineering

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

Progettazione, fabbricazione, e Sperimentale Caratterizzazione di plasmoniche Emettitori Terahertz fotoconduttive

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

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