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

Эта работа была поддержана США армии научно-исследовательская лаборатория, Adelphi, MD, США, под Грант W91ZLK-12-P-0447. Резонанс измерения проводились с помощью Майкл Стоун и Энтони Брок. С помощью Damon Conover из университета Джорджа Вашингтона проводилась измерения тепловизионной камеры.

1. Выбор и проектирование оптимальной структуры
<ol><li>Выберите фиксированной фиксированный луч для широкого диапазона частоты тюнинг (по сравнению с другими кандидатами, позволяет широкий диапазон настройки при нагревании из-за его большой температурный коэффициент частоты (ФТС) и не?...

<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>

Одним из важных шагов в создании фильтров MEMS заключается в разработке устройства, основанные на области приложения. Луч должен быть длиннее или разбавитель для лучшего тюнинг эффективности (ppm/МВт), но короче или разбавитель для ППРЧ или сигнала, отслеживания приложений. В то же время че...

Существует растущий спрос на MEMS фильтры из-за их высокую надежность, низкое энергопотребление, компактный дизайн, фактором высокого качества и низкой стоимости. Они широко используются как датчики и как основных частей в беспроводной связи. Датчики температуры1, био датчики2,3, газ датчик4, фильтры5,6,7и осцилляторы являются наиболее популярных областей применения. Самые популярные электростатические фильтры MEMS являются фиксированной фиксированного луча5,8, консольные2, Камертон6, свободно свободного пучка6,7, при изгибе диск дизайн7, и квадратной формы дизайн9.
Существует много важных шагов в реализации MEMS фильтр, например методологии проектирования (оптимизация структуры на основе приложений, широкий диапазон частоты, диапазон настройки и избежать сбоев) и характеристики (быстрое прототипирование, избегая паразитарные емкостей и детектирования выше режимы). Частоты тюнинг возможности обязан компенсировать любые изменения частоты за счет изготовления допуски, или вариации температуры окружающей среды. Различные методы10,,1112 были зарегистрированы в литературе для удовлетворения этого требования; Однако они имеют некоторые недостатки, такие как ограниченный частоты настройки возможности, низкая частота, дополнительная должность обработки требований и внешний нагреватель10,11.
В этом исследовании мы представляем, широкий диапазон частоты тюнинг, Джоуль Отопление метод5,13 частотном ограниченный диапазон через модуль упругости изменить12 (повышение напряжения постоянного тока смещения между двух соседних балок) и материал этап перехода метод10,11. Кроме того выбор оптимальной структуры и разработки на основе приложения были обобщены в Göktaş и Zaghloul13. Здесь мы покажем, как настроить резонансная частота фиксированной фиксированного луча, увеличивая напряжение постоянного тока, применяется встроенный нагреватель с помощью АМГ. Моделирование элементного анализа (FEM) синхронизируется с LDV измерения в том же кадре ради визуализации настройки механизма. Это включает в себя Джоуль Отопление и гибки профиля по всей луча.
Мы также представляем возможных сбоев (жженая устройства и stiction) и их предложенные решения. Джоуль, Отопление метод в сочетании с высокой тепловой стресс фиксированной фиксированного луча обеспечивает широкий диапазон частоты тюнинг, но в то же время может привести к обожженной устройств на определенном уровне температуры. Это объясняется высокой тепловой стресс между14различных материалов. Решение заключается в том, чтобы увеличить напряжение постоянного тока между двумя смежными балки, которые в свою очередь увеличивает диапазон настройки (32%) и устраняет необходимость для высоких температур. Этот метод «тюнинг тюнинг диапазона» впервые был продемонстрирован в Göktaş и Zaghloul5, более подробно в Göktaş и Zaghloul13и повторно представленные здесь. Stiction, с другой стороны, может иметь место во время изготовления процесс или резонанс операции. Там было много методов, предлагаемых для решения этой проблемы, как применение покрытие поверхности для уменьшения прилипания энергии15,16, увеличения шероховатости поверхности17и процесс ремонта лазера18. Напротив мы представляем простой техники, где сигнал прямоугольной волны низкой частоты был применен между двух вложенных балки и разделение был успешно записан АМГ. Этот метод может исключить дополнительные расходы и уменьшить сложности дизайна.
Другой критический шаг в построении состояние искусства MEMS фильтр-характеристика и проверки. Характеристика с сетевой анализатор является одним из самых популярных и широко используемых методов; Однако она имеет некоторые недостатки. Даже небольшие паразитные емкости может убить сигнал и так это обычно требует6,,3цепи усилителя8 для ликвидации шум, и он может только обнаружить первый режим резонанс. С другой стороны характеристика с LDV свободен от этого вопроса паразитные емкости и может обнаружить гораздо меньше перемещений. Это позволяет быстрого прототипирования, устраняя потребность в усилитель дизайн. Кроме того АМГ может обнаружить выше режим резонанс MEMS фильтров. Эта функция является очень перспективным, особенно в области высокочувствительный биодатчиков. Выше консольный режим может обеспечить гораздо больше чувствительности19. Выше режим измерения фиксированной фиксированного луча с LDV показана и применяется к Пэм моделирования измерений. Преждевременное результаты моделирования FEM предлагают до 46 раз улучшения в чувствительности, по сравнению с первым режим фиксированной фиксированного луча.

<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

Здесь мы продемонстрировать преимущества лазера Doppler Виброметр (АМГ) над обычными методами (анализатор сети), а также методы для того чтобы создать фильтр на основе приложений микроэлектромеханических систем (MEMS) и как эффективно использовать его) то есть, тюнинг тюнинг возможности и избежать сбоя и stiction). LDV позволяет решающее значение измерения, которые невозможно с помощью анализатора сети, такие как выше режим обнаружения (высокочувствительный биосенсор приложения) и резонанс измерения для очень малых устройств (быстрое прототипирование). Соответственно АМГ был использован для характеристики Диапазон настройки частоты и частоты резонанса в различных режимах MEMS фильтров, построенных для этого исследования. Этот широкий диапазон частот настройки механизма основана просто на Джоуль, Отопление с закладными нагревателями и относительно высокой тепловой стресс относительно температуры фиксированной фиксированного луча. Однако мы продемонстрировать, что другое ограничение этого метода является полученный высокой тепловой стресс, который может сжечь устройства. Дальнейшее улучшение было достигнуто и показан в первый раз в этом исследовании, таким образом, чтобы настройки возможностей увеличилась на 32% через увеличение приложенного напряжения постоянного тока смещения (25 V до 35 V) между двумя смежными балки. Этот важный вывод устраняет необходимость в дополнительных Джоуль, Отопление на более широкий диапазон настройки частоты. Еще одна возможная неисправность это через stiction и требование оптимизации структуры: Мы предлагаем простой и легкий техника низкой частоты квадратные волны сигнала приложения, которое может успешно отделить балки и устраняет необходимость для более сложные и сложные методы, приведенные в литературе. Выше выводы требуют разработки методологии, и поэтому мы также предоставляем на основе приложений дизайна.

Stiction удалось избежать, применив сигнал прямоугольной волны низкой частоты, и это было проверено с помощью LDV (рис. 1). Возможная неисправность из-за высокой тепловой стресс14 при применении относительно высокие напряжения смещения постоянно...

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

Проектирование и характеристика методологии для эффективного широкий диапазон МЭМС Перестраиваемые фильтры

Протокол для фиксированной фиксированного луча дизайн, с использованием лазера Doppler Виброметр (АМГ), включая измерение частоты тюнинг, изменения настройки возможности и недопущение отказа устройства и stiction, представил. Превосходство метода LDV над сетевой анализатор продемонстрировал из-за его выше возможности режима.

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

Проектирование, изготовление, и экспериментальная характеристика Плазмонных Фотопроводящий излучателей терагерцового

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-динамичный Смещение Метод коммутации Улучшение времени в строго Underdamped окантовкой поля электростатических MEMS приводов

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

Одноместный самолет Освещение модуль и Micro-капиллярной подход для широкого поля микроскопа

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

Изготовление ворот-перестраиваемых графена устройств для сканирующей туннельной микроскопии исследований с кулоновских примесей

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

Компактный объектив менее цифровой голографический микроскоп для MEMS осмотра и определения характеристик

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

Экспериментальная методика оценки тепловых потоков и локальной скорости горения в установившемся ламинарном пограничном слое диффузионных пламен

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

Методика сканирования сканирующего рассеивателя света (SLPS) для количественной оценки рассеяния вперед и назад с помощью интраокулярных линз

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

Изготовление трехмерных углеродных микроэлектромеханических систем (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

Дизайн и оценка смарт-очки для классификации физической активности и приема пищи

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

Разработка и осуществление заказ манипулятора робота для экстра телесной УЗИ

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