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

この作品は、米国陸軍研究所、アデルフィ、MD、米国、グラント W91ZLK-12-P-0447 下によって支えられました。ミハエル石とアンソニー ・ ブロックの助けを借りて共鳴測定を行った。ジョージ ・ ワシントン大学からデイモン コノバーの助けを借りて、サーマル カメラ計測を行った。

1. 選択と最適構造の設計
<ol><li>広い範囲の周波数の固定固定ビームを選択 (他の候補者と比較して、それにより様々 なチューニングの周波数 (TCF) とごくわずかの熱膨張係数の大きな温度係数のため加熱時)。</li>
	<li>目的は効率化のチューニングの場合は、長い梁を設計します。目的が周波数ホッピングまたは信号追跡アプリケーションの場合は、短いビームをデザインします。</li>
</ol><p cl...

<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>

MEMS フィルターを構築する上で重要な手順の 1 つアプリケーション領域に基づいてデバイスを設計することです。ビームは、長いまたはシンナーより効率 (ppm/mW)、短いまたは周波数ホッピングまたは信号追跡アプリケーションのシンナーをチューニングします。同じ方法で LDV による明確なシグナル検出は、デバイスのテストは、少なくとも 3-4 μ m の厚みで梁を設計する方が良いが重要です?...

その高い信頼性、低消費電力、コンパクト設計、高品質係数、低コストによる MEMS フィルターの需要が高まっています。センサーと無線通信のコア部品として広く使用されます。発振器、フィルター5,6、7、ガス センサー4バイオ センサー2,3温度センサー1は、最も人気のあるアプリケーション領域です。静電 MEMS フィルターの最も人気のある、固定固定ビーム5,8、片持ち2、チューニング フォーク6、両端自由はりの6、7、曲げディスク デザイン7と正方形デザインの9。
(アプリケーション ベースの構造最適化、広い範囲の周波数可変範囲、およびエラーの回避) の設計と特性評価 (高速プロトタイピング、寄生を避けるなど、MEMS フィルターを実現するために多くの重要なステップがあります。キャパシタンス、および検出の高次モード)。製作公差または周囲温度の変動による周波数変更を補うために周波数調整機能が必要です。さまざまなテクニック10、11,12は、この要件に対処するため文献で報告されています。しかし、彼らは限られた周波数チューニング機能、低中心周波数、要件、および外部ヒーター10,11追加の後処理など欠点があります。
この研究では限られた周波数チューニング弾性率による距離を加熱方法5,13ジュールで広い範囲の周波数を提案12 (隣接する 2 つのビーム間の DC バイアス電圧の増加) を変更し、材料はフェーズ遷移法10,11です。また、最適構造選択とアプリケーション ベースの設計は Göktaş と Zaghloul の13にまとめた。ここでは、レーザドップラ振動計の助けを借りて埋め込みヒーターに DC 電圧を増やすことによって固定固定梁の共振周波数を調整する方法を示します。有限要素法 (FEM) 解析シミュレーションは、チューニング機構を可視化するために同じ枠で LDV 計測と同期されます。これはジュール加熱と曲げビーム全体のプロファイルが含まれています。
(焦げたデバイスおよびヘッドス ライダー) の障害と彼らの提案された解決策を述べる。ジュール加熱方式固定固定ビームの高熱応力との組み合わせでさまざまな周波数を提供していますが、同時にによって、特定の温度レベルのデバイスが焦げた。これは異なる材料14間高い熱応力に起因します。ソリューションは、順番 (32%) でチューニングの範囲を増加し、高温のための必要性を排除する 2 つの隣接するビーム間の DC 電圧を増やすことです。この「チューニング チューニング範囲」メソッド最初 Göktaş と Zaghloul5で示した Göktaş Zaghloul13, で詳しく説明、再紹介。粘着、その一方で、起こることができる作製プロセスまたは共鳴操作中に。提案する接着エネルギー15,16、増加表面粗さ17、および18レーザー修復プロセスを減らすために表面のコーティングを適用するなど、この問題に対処するための多くの技術がずっとあります。対照的に、低周波の矩形波信号が接続されている 2 つのビーム間適用された、分離正常に LDV による記録された単純な手法を提案する.このメソッドを排除することができます余分なコストし、設計の複雑さを減らします。
最先端の MEMS フィルターを構築する上での重要なステップは、評価と検証。ネットワーク ・ アナライザーの特性は、最も人気のあると広く使用されている方法の 1 つしかし、それはいくつかの欠点があります。小さくても寄生容量が信号を殺すことができるので、これは通常ノイズ除去のアンプ回路3,6,8を必要とし、最初のモードの共振特性を検出できるだけ。その一方で、ldv の特性はこの寄生容量問題から解放され、多くのより小さい変位を検出することができます。高速プロトタイピング、これにより増幅器の設計の必要性を排除できます。さらに、レーザドップラ振動計は、MEMS フィルターの高い共振モードを検出できます。この機能は、非常に有望な高感度バイオ センサーの分野で特に。高いカンチレバー モードより多くの感度19を提供できます。高いモード ldv 固定固定ビーム測定は示す、FEM シミュレーション測定に適用。有限要素法によるシミュレーションの結果から早期固定固定ビームの最初のモードと比較して感度の 46 回改善を提供しています。

<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

ここでは、従来手法 (ネットワーク アナライザー) として、アプリケーション ・ ベースの微小電気機械システム (MEMS) フィルターと効率的 (それを使用する方法を作成するテクニックをレーザドップラ (LDV) の利点を示すすなわち、チューニング チューニング機能と障害とヘッドス ライダーの両方を回避する)。レーザドップラ振動計は、高いモードの検出 (高感度バイオ センサー アプリケーション) と非常に小さいデバイス (高速プロトタイピング) の共鳴測定など、ネットワーク アナライザーで実行可能な重要で測定できます。したがって、LDV は周波数チューニング レンジと本研究用に構築された MEMS フィルターの異なるモードで共振周波数を特徴付けるために使用されました。この広い範囲の周波数チューニング メカニズムは、単にジュール加熱埋め込みヒーター固定固定はりの温度に対して比較的高い熱応力からに基づいています。ただし、このメソッドの別の制限がデバイスを書き込むことができますその結果高熱応力であることを示します。さらなる改善は実現され、本研究で初めて表示されるチューニング機能を増加させる 2 つの隣接する梁の間に応用 DC バイアス電圧 (35 V を 25 V) 32% 増加したなど。この重要な発見は、余分なジュールより広い周波数チューニング レンジで加熱の必要性を排除します。別の可能な障害は、粘着や構造最適化の要件: 低周波の方形波信号アプリケーション正常にビームを区切ることができますより多くの必要性を排除の簡便な手法を提案します。文献は、洗練された、複雑なメソッド。上記調査結果を必要とする設計手法と、アプリケーション ベースの設計をいたします。

粘着低周波の方形波信号を適用することで回避されましたし、これは LDV (図 1) を使用して検証しました。高熱応力14埋め込みヒーターに比較的高い DC バイアスを適用するときのための可能な障害は、顕微鏡 (図 2) で確認しました。有限要素法プログラムは、ビーム (図 3) 高次モード...

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

デザインと効率的な広帯域波長可変 MEMS フィルター特性評価手法

レーザドップラ (LDV) は、チューニング、チューニング機能、および装置の故障や、ヘッドス ライダーの回避の修正周波数測定などを用いた固定固定ビーム設計プロトコルが表示されます。その高いモード機能によりネットワーク アナライザーに LDV 法の優位性を発揮します。

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

プラズモニック光伝導テラヘルツエミッターの設計、製作、および実験特性

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

重度不足減衰フリンジフィールド静電MEMSアクチュエータに時間改善スイッチング用リアルタイムDC-ダイナミックバイアス方式

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

単一平面照明モジュールと広視野顕微鏡用マイクロキャピラリーアプローチ

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

クーロン不純物を走査トンネル顕微鏡研究のためのゲート - 調整可能なグラフェンデバイスの作製

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

MEMS検査および特性評価のためのコンパクトなレンズレスデジタルホログラフィック顕微鏡

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

定常流境界層の拡散火炎における局所熱フラックスとバーニング料金の推定のための実験的方法論

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

眼内レンズからの前方散乱光および後方散乱光を定量的に評価するための走査型光散乱プロファイラ（SLPS）に基づく方法論

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

3Dカーボンマイクロエレクトロメカニカルシステム（C-MEMS）の製作

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

デザインとスマートなメガネの食品の摂取量と身体活動の分類のための評価

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

設計と体外超音波特注ロボット ・ マニピュレーターの実装

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