CMOS-MEMS Vibro-Impact设备和应用程序
Chun-Pu蔡
Wei-Chang李- 谐振式MEMS实验室(Resolab),应用力学研究所、国立台湾大学,台北,台湾
CMOS-MEMS-based vibro-impact设备,利用冲击造成的非线性动力学已被证明产生独特与芯片上集成能力和前所未有的功能。例如,0.35 -µm cmos电容转导comb-driven folded-beam谐振开关已经与后端集成电路来演示zero-quiescent电力无线接收器的操作在低频(LF)乐队。此外,CMOS-MEMS vibro-impact谐振器已被用作检测AFM-alike表面状态监测化学涂层结构侧壁与可控责任周期和时钟生成器通过操纵驱动条件。本文将回顾这些成就并讨论发展的限制和挑战vibro-impact设备使用CMOS-MEMS技术。
1介绍
Vibro-impact系统,指的是常规振动系统位移阻塞物,身体约束的振动大小,反过来,导致周期碰撞发生,已经广泛研究了机器动力学和振动工程(Babitsky 2013;罗和郭,2013年)。这种碰撞可能导致关节,噪音,甚至在机器和失败通常是不受欢迎的。然而,他们可能会在某些情况下非常有用。钻床、vibro-impact锤子和打桩机作为优秀的冲击动力学的建设性的用法的例子。有趣的是,MEMS技术,可以实现机械结构和设备在微观尺度还包括动态的利弊影响。例如,大量研究集中在描述和消除接触反弹的MEMS开关(巴顿和Zabinski, 2005;Peschot 2014),而其他人使用冲击造成的动态构建有用的设备和工具,如冲击能量收割机(苔藓,2010;杨,2014;傅,2018;Dauksevicius 2019),利用模式谐振器(Zhang et al ., 2005;他et al ., 2014年;Riverola et al ., 2016)和原子力显微镜(李et al ., 2002;Holscher 2012)。
另一方面,最近的进步CMOS-MEMS制造流程平台使广泛的研究活动和示威的微型传感器和致动器与固有的单片CMOS集成电路和快速原型概念的能力。例子包括化学/环境传感器(徐,2016;李,2021;李,2021 b),惯性传感器(罗et al ., 2002;谢和美联储,2003;吴et al ., 2004;太阳et al ., 2010;赵et al ., 2013)和共振组件(Lo et al ., 2005;佛得角2005;佛得角,2008;陈et al ., 2011;李et al ., 2016;Galanko 2017)。同样,CMOS-MEMS平台还允许小型vibro-impact设备的实现。例如,陆et al . (2018)展示第一CMOS-MEMS resoswitches基于CMOS-MEMS clamped-clamped梁(CC-beam)谐振器。与此同时,不断努力投入过程改进(戴,2006;许和李,2020年),CMOS-MEMS平台不仅用于重复non-CMOS平台已经完成,但同样,就像后来的情况下基于CMOS-MEMS vibro-impact谐振器,允许创新独特的设备和应用程序。
本文将首先讨论vibro-impact resoswitch发展,将MEMS技术最相关vibro-impact谐振器。然后,这个过程中,开发和限制CMOS-MEMS vibro-impact谐振器将在第二节复审。接下来,CMOS-MEMS vibro-impact device-derived zero-quiescent电力接收器表面状态监测和非线性动态应用程序将总结部分3 - 5。通过讨论,设计考虑和挑战为每个应用程序将得到解决。第六部分最后总结本文。
1.1 Resoswitch演变
在继续之前,CMOS-MEMS vibro-impact设备和应用程序,首先讨论是有益的MEMS谐振开关的发展(“resoswitches”)。MEMS的研究活动可以追踪回到MEMS resoswitches vibro-impact谐振器。Resoswitches最初提出了林et al . (2008)解决的问题驱动电压高,转换速度慢,可靠性和穷人在传统MEMS开关通过共振操作的开关频率和恢复力会增加而所需的驱动电压可以减少由于较大的位移大小相比,在静态状态。
第一个MEMS resoswitch谐振器林et al . (2008)是基于wine-glass-mode圆盘谐振器。这种谐振器的振动振幅沿输入和输出轴,造成的影响不仅在输出也发生在输入电极。输入之间的短路和谐振器结构会影响驱动信号完整性,甚至设备故障由于比通常更高的电压降和磁盘之间的输出。减轻,位移放大驱动和输出轴之间就成为必要。金(2009),林(2009),李et al . (2016)结构修改或使用几何设计屈服刚度以及不平衡输入和输出,两个端口之间的位移放大。另一方面,虽然功率放大(而不是电压放大)还是可以实现的使用上面列出的设备,他们的多晶硅材料表现出更高的接触电阻的数万kΩMΩ范围,极大地阻碍了电力传输的应用程序。后,金属开始取代多晶硅,成为结构/表面材料。林(2011)提出了第一个使用电镀镍金属resoswitch紧随其后的是一个用金属铝李et al . (2013)和非盟刘(2015)。另外,异构的方法修改多晶硅的接触表面或与金属Pt (AlN谐振器结构吴,2017)、W (刘et al ., 2017)、俄罗斯(林et al ., 2013;林et al ., 2013),Pt-silicide (林et al ., 2014),或者Ru-silicide (刘et al ., 2016)已经被证实。
2 CMOS-MEMS Vibro-Impact谐振器
与上面的示威游行中,制造过程的设计和调整专门为每个设备,标准CMOS工艺也被用作通用resoswitches制造平台。不同于普通谐振器设备,resoswitches需要电气连接的导电表面机械联系在操作期间。
2.1 CMOS-MEMS制造平台
典型CMOS-MEMS过程使用金属、金属氧化物复合结构材料或多晶硅层,离开金属(洛佩兹et al ., 2009;陈et al ., 2011)、氧化物(喂,1996;刘,2013)、金属和氧化物的混合物或多晶硅(Marigo 2010)谐振器结构和电极的表面。对于切换应用程序,然而,金属版将是首选,发布步骤去除牺牲氧化物通常使用HF-based解决方案(氧化硅蒸汽氧化三世Transene公司,Inc .)有更好的选择性对金属铝相比普通高频或BHF银行。
2.2 CMOS-MEMS继电器和Resoswitches
Riverola (2014)提出了一种CMOS-MEMS-based机械开关,即。,a relay, whose structure uses one of the VIA tungsten layers in a 0.35-µm CMOS process.图1一个介绍了装配式CMOS-MEMS继电器的横截面和SEM图像。CMOS-MEMS平台还产生其他中继设备,包括Riverola et al . (2016),Riverola et al . (2018)。另一方面,陆et al . (2018)展示CC-beam CMOS-MEMS resoswitch基于另一个0.35 -µm金属过程(刘et al ., 2018)(cf。图1 b),使用多个叠加层。相比Riverola (2014),的resoswitch陆et al . (2018)收益率更低的接触电阻,进而成功的热开关2 MHz。蔡et al . (2020)提出另一个CMOS-MEMS-based resoswitch使用comb-driven folded-beam谐振器。125千赫的comb-driven resoswitch目标低频(LF)乐队通常用于射频识别系统。后两个CMOS-MEMS resoswitches是基于0.35 -µm 2-poly-4-metal (2 p4m) CMOS工艺,特别许可的授予的铸造允许连续通过布局。因此,氧化中间产物可以通过对高频保护周围的解决方案。图2一个通过“墙”说明了连续氧化保护中间的情况相比图2 b如果它是不允许的,通过数组将用于绑定每一对金属层。根据作者的经验,这样的稀疏的通过可能不遵循的金属氧化层一旦周围的释放。
图1。CMOS-MEMS继电器和resoswitches。(一)SEM和CMOS-MEMS钨通过悬臂继电器的示意图Riverola et al . (2014)。(B)钨和铝叠加CC-beam resoswitch陆et al . (2018)。复制从Riverola et al . (2014),陆et al . (2018从IEEE)同意。
图2。插图的氧化层后释放是否允许通过墙。(一)CMOS-MEMS过程中使用陆et al . (2018),钨通过允许有一个连续的“保护墙”的封闭式氧化中间被释放蚀刻剂蚀刻。(B)如果通过“墙”是不允许的。
2.3的局限性CMOS-MEMS继电器/ Resoswitch应用程序的平台
考虑到设计规则和材料CMOS-MEMS流程,产出缺口resoswitches间距必须服从金属之间的最小间距。例如,comb-driven resoswitch蔡et al . (2020)有一个差距之间的间距为0.6µm航天飞机和输出电极。此外,接触材料的选择是有限的,例如,艾尔和W 0.35µm CMOS中使用陆et al . (2018)和WRiverola et al . (2014)。换句话说,同时提供一个通用平台,CMOS-MEMS会受些影响的灵活性。很难采用特定的接触材料首选MEMS开关(妈,2007)。
3 CMOS-MEMS-Based Zero-Quiescent射频接收器
虽然CMOS-MEMS继电器旨在提供更好的开关比MOS版本,主要的应用CMOS-MEMS resoswitches目标特别是在zero-quiescent功率射频信号接收。基于comb-driven resoswitches,蔡et al . (2020)表明移频键控信号的接收和解调和书计划在125赫兹的低频(LF)乐队。图3一显示了扫描电镜的照片comb-driven resoswitches,图3 b描述了相关电路解调,这本质上构成一个钢筋混凝土过滤器和两个级联逆变器作为提高数字比较器过渡。图3 c情节开车移频键控信号v我,f1和f2在out-of-resonance频率,分别应用于resoswitch的图3 b和相应的信号v钢筋混凝土和v出,展示能力的信号滤波、放大和解调的resoswitch嵌入式电路完成图3 b。更重要的是,电路降到零功率在听传入的信号。
图3。Resoswitch-based zero-quiescent功率接收器。(一)扫描电镜的comb-driven resoswitch蔡et al . (2020)。(B)resoswitch-embedded接收机的电路原理图和简单的后端电路进行解调。(C)测量的时域波形。复制从蔡et al . (2020从IEEE)同意。
3.1灵敏度改进
non-CMOS甚至电子唤醒接收器相比,射频接收灵敏度resoswitch-based接收器的性能很大程度上取决于resoswitch使用的特点。的示范图3 c使用芯片外,虽然后来工作变压器电压增益,进而用123 - mv页驱动信号相反,灵敏度水平仍有很大改进的余地。例如,商业低频唤醒接收器通常需要一个小得多的驾驶水平的1 mV页(爱特梅尔公司,2007;Austriamicrosystems 2015)。
提高灵敏度,传感器差距减少将是最有效的方法来实现对capacitively-transduced MEMS谐振器。方法non-CMOS同行可以是添加材料,如原子层沉积(ALD) (Akgul 2009),部分补充或通过机械取代结构的差距,例如,双稳态入”(Pyatishev 2017),后加工。同样,为CMOS谐振设备,后处理机械方法已经证明,包括使用静电力(陈et al ., 2012)和内在压力诱导变形(郑et al ., 2022)把靠近电极结构。当然,gap-refilling技术可能适用于CMOS技术。然而,resoswitch应用程序,而导电再充填材料是不适合电接触,另一个流程设计和/或技术只需要应用导电填充材料的接触表面。否则,设备I / O可能电空如果材料沉积均匀结构。
虽然没有完成,通过结合的差距缩小问增强技术,CMOS-MEMS resoswitch-based接收器可以实现类似商业ICs敏感性水平。
3.2 Resoswitch可靠性
如前所述,resoswitches提出了减轻传统MEMS开关的问题。然而,材料处理的基本限制电流流动遵循相同的物理常规同行。在无数的实验观测,resoswitches的失效模式分为两类:表面氧化和焊接,这两个都是由热管理。图4显示了扫描电镜的照片resoswitch航天飞机和输出电极的焊接由于过度权力在热开关(廖,2019)。接触处理期间总体平均0.5∼µW热开关1 kΩ假设接触电阻(陆et al ., 2018 a)。尽管结构提示被设计成几µm宽,实际接触面积会由于表面粗糙度在几个小技巧。图5比较操作温度对循环计数的影响。图5 a和B情节转换信号操作设备时35 0°C,分别显示,低温操作将提高开关的可靠性和方便切换恢复(假定由于氧化断裂)。结果确定温度对接触可靠性的影响。在接触材料可能不会灵活运用CMOS-MEMS平台,通过构造适当的热管理和包装设计对系统集成的关键图6。
图4。SEM图像的resoswitch与航天飞机焊接输出电极。复制从辽(2019)。
图5。温度影响resoswitch热开关寿命。测量热开关信号comb-driven resoswitches操作(一)35°C和(B)0°C。结果表明,温度确实是一个确定的关键热耗散和生命周期。复制从辽(2019)。
图6。(一)插图vibro-impact谐振器的频率响应显示利用带宽的定义。(B)插图的vibro-impact谐振器可用于片上的条件检查接触表面。
4表面状态监测
vibro-impact谐振器的频率响应,即。,referring to the cases with non-conductive contact surfaces, exhibit a tapping region with a tapping bandwidth dictated by the interaction force between the contact surfaces (cf。图6)。交互部队包括机械接触力、范德华力,毛细管力,化学成键、静电力量,卡西米尔力,溶解力,等等,都是函数的各种参数,包括温度、接触材料、结构刚度、表面能、接触面积。的敲击模式原子力显微镜(AFM)作为具体的例子使用这些冲击动力学和交互部队来测量物体表面的性质。图6 b说明vibro-impact谐振器可以作为一个“芯片上的AFM的频率响应可以反映接触面的状况。
陆et al . (2018 b)表面化学的影响涂层,利用vibro-impact谐振器的频率响应。应用(1 h - 1 h, 2 h, 2 h) - perfluorodecyltrichlorosilane (fdt)化学CMOS-MEMS CC-beam vibro-impact谐振器产生一个更广泛的利用带宽由于降低表面能。图7说明了盐渍化过程,一个死在vibro-impact谐振器被放置在真空罐连同20-µl fdt通过泵汽化fdt紧随其后。然后,关闭泵和蒸发fdt可以解决设备表面和外套。测试样品与空白铝,显示出疏水表面盐渍化后,验证流程流。测量频率响应在攻丝操作揭示利用带宽的变化从17.37 kHz fdt 29.75 kHz, fdt之前涂层。这种效应可以用来执行芯片上的表面状况监测等化学涂料应用MEMS惯性传感器。在这工作的陆et al . (2018 b),借款,从接触模型Derjaguin et al . (1975)使用Hamaker常数定义范德瓦耳斯身体交互联系。
图7。一个CC-beam vibro-impact谐振器是用于研究开发响应的影响下表面涂层和fdt的化学物质。复制从陆et al . (2018 b从IEEE)同意。
5非线性动力学
Vibro-impact两机械非线性引起的系统进行非线性动力学和影响(terry Rhoads et al ., 2010)。动态模型的推导过程极大地受益于原子力显微镜(李et al ., 2002)。然而,合并后的非线性vibro-impact谐振器提出了独特的特点,允许更多的应用程序超出了AFM-like特性在第四节。例如,操作设备的冲击造成的分岔点会产生更好的频率稳定度。此外,通过控制驾驶条件下,vibro-impact谐振器将展览分岔行为的变量,可以利用其中的倍周期分岔,实现各种开关占空比。
5.1频率稳定度
非线性机械谐振器已被证明有更好的闭环频率稳定度的分岔点,那里的幅频响应表现出不连续状态由于多个振幅的转换现有的在一个频率(Yurke et al ., 1995;维兰纽瓦,2013;黄2019年)。这显然适用于vibro-impact谐振器,这将体现机械非线性分岔继承自加,由于影响。图8情节vibro-impact谐振器的频率响应,位移大小和相位。利用区域时发生位移大于产出缺口间距。自分叉收益率多个州的大小对于一个给定的频率,常规扫频会表现出不连续的曲线和一些不能达成传播的一部分。淡黄色曲线图8说明提出全面响应。另一方面,phase-to-frequency关系是一对一,而是意味着一个阶段的价值只对应一个频率。这允许一个使用锁相环电路获得完整的频率响应。沿着开发地区,左右结束代表两个分叉点:电分岔点(EBP)和机械分岔点(MBP),分别。这些点表现出无限斜坡amplitude-to-frequency phase-to-frequency。根据非线性相位噪声,它可以实现最低当两个效果无限斜坡。
图8。插图的分岔点vibro-impact谐振器的相位噪声性能。复制从蔡et al . (2020 b从IEEE)同意。
蔡et al . (2020 b氧化)报道的艾伦偏差CMOS-MEMS vibro-impact CC-beam谐振器在攻丝操作区域。所示图9理论预测,EBP和MBP收益率低艾伦偏差时连接到振子与其他点敲平地区相比,验证分岔点确实有强烈影响频率稳定。
图9。艾伦测量偏差的氧化物vibro-impact谐振器的开发区域。复制从蔡et al . (2020 b从IEEE)同意。
5.2时钟生成器
事实上,vibro-impact动态系统可以更加复杂的行为在时域。沿着开发地区,实际结构之间的交互和闭锁装置/电极确定时域responses-initial放牧,期翻倍,混乱,反向期翻倍,或者界定分岔。蔡和李(2022)报道了时域热开关波形,类似于蔡et al . (2020),但与细决议开发地区的变化。特别是,如图所示图10五个不同的输入驱动频率,可以获得不同的脉冲密度。这提供了一种脉冲密度调制比,更灵活刘et al . (2017),要求机械结构修改。bifurcation-induced脉冲密度调制也可以使一个更复杂的调制方案中使用的书或移频键控蔡et al . (2020)进行通信。
图10。测量时域转换和调节波形沿着向前和向后的重叠区域频率金属屑,显示各种倍周期的行为。复制从蔡和李(2022从IEEE)同意。
6结论和未来的观点
MEMS-based vibro-impact谐振器谐振设备的启用一个新类。相比传统的定时和频率参考面向同行,vibro-impact谐振器包括冲击造成的非线性,进而实现许多特殊设备具有独特的功能从resoswitches片上表面监测机械脉冲宽度调制器。所有这些是由于CMOS-MEMS平台使用过程,它允许快速概念原型设计与一个有前途的道路向终端产品。CMOS-MEMS平台社区中获胜,需要解决的挑战之一。制程良率等等,电子机械耦合强度、谐振器问,等等。尤其是resoswitches,有限的接触材料的选择导致结构设计或post-fabrication流程需要减轻这个问题。丰富的研究可能性强调这一主题为未来的研究活动铺平了道路。
作者的贡献
C-PT W-CL:实质性贡献的概念,公布的数据的分析和解释工作。所有作者的文章和批准提交的版本。
资金
这项研究部分由科技部资助的,台湾(大多数- 105 - 2218 - e - 002 - 029 - my3最- 109 - 2628 - e - 002 - 004 - my3),和卓越的团队研究项目的国立台湾大学(南大)授予南大- cc - 108 l890708。
的利益冲突
作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。
出版商的注意
本文表达的所有索赔仅代表作者,不一定代表的附属组织,或那些出版商编辑和评论员。任何产品,可以评估在这篇文章中,或声称,可能是由其制造商,不保证或认可的出版商。
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关键词:vibro-impact谐振器、resoswitch CMOS-MEMS、非线性动力学非线性的影响
引用:蔡c p和李含水量(2022)CMOS-MEMS Vibro-Impact设备和应用程序。前面。动力机械。英格8:898328。doi: 10.3389 / fmech.2022.898328
收到:2022年3月17日;接受:2022年4月25日;
发表:2022年6月09年。
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