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 arbeidet ble støttet av US Army Research Laboratory, Adelphi, MD, USA, under Grant W91ZLK-12-P-0447. Resonans målingene ble utført ved hjelp av Michael Stone og Anthony Brock. Termisk kamera målingen ble utført med hjelp av Damon Conover fra George Washington-universitetet.

1. velge og designe en optimal struktur
<ol><li>Velg fast-fast strålen rekke frekvens tuning (sammenlignet med andre kandidater, det kan rekke tuning når den varmes på grunn av sin store temperatur-koeffisient av frekvens (TCF) og ubetydelig termisk ekspansjon konstant).</li>
	<li>Utforme en lengre bjelke Hvis formålet er tuning effektivisering. Utforme en kortere bjelke Hvis formålet er frekvenshopping eller signal sporingsprogrammer.</li>
</ol>2. modellering og fabrikasjon i Complementary M...

<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>

En av de avgjørende skritt i å bygge MEMS filtre er å designe enheten basert på modulen. Strålen skal være lengre og tynnere for bedre innstilling effektivitet (ppm/mW), men kortere eller tynnere for frekvenshopping eller signal sporingsprogrammer. På samme måte er klart signal oppdagelsen via LDV kritisk enhet tester som er grunnen til det er bedre å utforme strålen med minst 3-4 µm tykkelse. Ellers signalet vil være støyende, selv med en 100 X linse, og det tar flere punkter testing med bakgrunnsstøy elim...

Det er en økende etterspørsel etter MEMS filtre på grunn av deres høy pålitelighet, lavt strømforbruk, kompakt design, høy kvalitet faktoren og lave kostnader. Mye brukt som sensorer og kjernen deler i trådløs kommunikasjon. Temperatur sensorer1, bio-sensorer2,3, gass-sensorer4, filtre5,6,7og oscillatorer er mest populære moduler. De mest populære elektrostatisk MEMS filtrene er fast-fast beam5,8, cantilever2, stemmegaffel6, gratis-fri strålen6,7, Prøvelegemers bøyestrekkfasthet språk-disk design7, og firkantet form design9.
Det er mange viktige skritt i å realisere MEMS filter, som designmetodikk (program-basert struktur optimalisering, rekke frekvens tuning området, og unngå feil) og karakterisering (rask prototyping, unngå parasittiske capacitances, og oppdage høyere moduser). Frekvens innstiller evnen er nødvendig for å kompensere for endringer frekvens på grunn av fabrikasjon toleranser, eller Omgivelses temperaturvariasjoner. Ulike teknikker10,11,12 har blitt rapportert i litteraturen å oppfylle dette kravet; men har de noen ulemper som begrenset frekvens innstiller evnen, lav senterfrekvensen, ytterligere etterbehandling krav og eksterne ovnen10,11.
I denne studien presenterer vi rekke frekvens tuning av Joule oppvarming metode5,13 over en begrenset frekvens tuning området via en elastisk modulus endre12 (økende DC bias spenning mellom to tilstøtende bjelker) og materiale fase overgangen metoden10,11. Videre var optimal struktur utvalget og programbaserte design oppsummert i Göktaş og Zaghloul13. Her viser vi hvordan du justerer resonans frekvensen av en fast-fast beam ved å øke den DC spenningen på innebygde ovnen ved hjelp av LDV. Finite element analyse (FEM) simuleringen synkronisert LDV målingen i samme ramme for å visualisere tuning mekanismen. Dette inkluderer Joule oppvarming og bøying profilen gjennom strålen.
Vi presenterer også mulig feil (brent enheter og statisk friksjon) og foreslåtte løsninger. Joule oppvarming metode i kombinasjon med høy termisk stress på fast-fast bjelken gir rekke frekvens tuning, men samtidig kan medføre brent enheter på en bestemt temperaturnivå. Dette skyldes høy termisk stress mellom ulike materialer14. Løsningen er å øke den DC spenningen mellom to tilstøtende bjelker, som igjen øker mottaksområdet (32%), og eliminerer behovet for høy temperatur. Denne "tuning tuning-området" metoden ble først vist i Göktaş og Zaghloul5, forklares nærmere i Göktaş og Zaghloul13og re presenteres her. Statisk friksjon, derimot, kan skje under fabrikasjon prosessen eller resonans operasjonen. Det har vært mange teknikker foreslått å løse dette problemet for eksempel overflate belegg for å redusere vedheft energi15,16, økende overflateruhet17og laser reparasjon prosessen18. I kontrast, presenterer vi en enkel teknikk der en lav frekvens firkantbølge signal ble brukt mellom to tilknyttede bjelker og separasjon er registrert av LDV. Denne metoden kan eliminere ekstra kostnader og redusere design kompleksitet.
Et annet viktig skritt i å bygge et toppmoderne MEMS filter er karakterisering og verifisering. Karakterisering med en network analyzer er en av de mest populære og brukte metodene; men har det noen ulemper. Selv små parasitic kapasitans kan drepe signalet og så dette krever vanligvis en forsterker circuit3,6,8 for bakgrunnsstøy eliminering, og det kan bare oppdage første modus resonans. På den annen side, karakterisering med LDV er gratis fra denne parasittiske kapasitans saken, og finner mye mindre forskyvning. Dette kan rask prototyping, mens de eliminerer behovet for forsterker design. Videre finner LDV høyere modus resonans MEMS filtre. Denne funksjonen er svært lovende, spesielt innen svært sensitive biosensors. En høyere cantilever modus kan gi mye mer følsomhet19. Høyere modus måling av en fast-fast stråle med LDV er vist og til FEM simulering mål. Tidlig resultatene fra FEM simuleringen tilbyr inntil 46 ganger forbedring i sensitivitet sammenliknet med den første modusen av fast-fast strålen.

<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 viser vi fordelene med laser Doppler vibrometer (LDV) over konvensjonelle teknikker (network analyzer), i tillegg til teknikker for å lage et programbaserte MEMS systemer (MEMS) filter og hvordan du bruker den effektivt) dvstuning tuning-funksjonen og unngå både feil og statisk friksjon). LDV kan avgjørende mål som er umulig med network analyzer, som høyere modus gjenkjenning (svært sensitive biosensor program) og resonans måling for svært små enheter (rask prototyping). Følgelig ble LDV brukt som karakteriserer den tuning frekvensområdet og resonansfrekvens på forskjellige moduser av MEMS filtrene bygget for denne studien. Dette rekke frekvens tuning mekanismen er basert bare på Joule oppvarming fra innebygde varmeovner og relativt høy termisk stress forhold til temperaturen på en fast-fast bjelke. Imidlertid viser vi at en annen begrensning av denne metoden er den resulterende høy termiske stresset, hvilke kan brannsår enhetene. Ytterligere forbedringer ble oppnådd og vises for første gang i denne studien, slik at innstiller evnen ble økt med 32% gjennom en økning i anvendt DC bias spenning (25 V til 35 V) mellom to tilstøtende bjelker. Dette viktig funnet eliminerer behovet for ekstra Joule oppvarming på større frekvens mottaksområdet. En annen mulig svikt er gjennom statisk friksjon og kravet om strukturen optimalisering: Vi foreslår lavfrekvente firkantbølge signal program som kan med hell skille bjelker og eliminerer behovet for mer enkle og enkel teknikk sofistikert og kompliserte metoder gitt i litteraturen. Over funnene nødvendiggjøre en designmetodikk, og så vi tilbyr også en program-basert design.

Statisk friksjon ble unngått ved å bruke lavfrekvente firkantbølge signal og dette ble bekreftet ved hjelp av LDV (figur 1). Mulig feil på grunn av høy termisk stress14 når relativt høyere bias DC spenning innebygde varmeovner ble bekreftet under mikroskop (figur 2). FEM programmet ble brukt til å utlede høyere modus for strålen (Figur 3). Endre innstiller evnen (32%...

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 metodikk for effektiv bredt spekter Tunable MEMS filtre

En protokoll for en fast-fast bredde design bruker en laser Doppler vibrometer (LDV), inkludert måling av frekvens tuning, endring av tuning evne, og unngå enhetsfeil og statisk friksjon, presenteres. Overlegenhet metoden LDV over nettverk analyserer er demonstrert på grunn av sin høyere modus evne.

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, Fabrikasjon, og eksperimentell karakterisering av Plasmonic Photoconductive Terahertz Sendere

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 Biasing metoden for veksling Tid Bedring i Alvorlig Underdamped Fringing-feltet Elektro 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

Enkelt Plane Illumination Module og Micro-kapillær Approach for en Wide-field Microscope

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

Fabrikasjon av Gate-tunbare Graphene enheter for scanning tunneling mikroskopi Studier med Coulomb Urenheter

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 mikroskop for MEMS inspeksjon 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

Eksperimentell metodikk for estimering av lokal varme flukser og Burning priser i Steady Laminar grenselaget 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) basert metode for å kvantitativt vurdere fremover og bakover lys spredning fra intraokulære objektiver

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 av 3D-karbon 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 av Smart briller for matinntaket og fysisk aktivitet klassifisering

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 av en skreddersydd robot Manipulator for ekstra kroppslige 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 ...