Sandia is a multiprogram laboratory operated by Sandia Corporation, a Lockheed Martin Company, for the United States Department of Energys National Nuclear

Sandia is a multiprogram laboratory operated by Sandia Corporation, a Lockheed Martin Company,for the United States Department of Energy’s National Nuclear Security Administration under

contract DE-AC04-94AL85000.

Visualización y Prueba Dinámica de MEMS

Dr. Hartono (Anton) SumaliLaboratorios Nacionales de Sandía (Sandia National Laboratories)

Albuquerque, New Mexico, USA

Conferencia Magistral (Keynote Speech)Semana Nacional de Ingenieria Electronica (SENIE) 2009

Ocotlán, Jalisco, Mexico

MEMS ExamplesPage 2© 2009 Sandia National Laboratories

Porque se llama “Laboratorios Sandía” Prólogo

Sino por la montaña de Sandía

http://www.paulkeysar.com/images/080407_Watermelon_Slice_TN.jpg

Así se llama.

No por la fruta


Temario de la presentación

• Actividades sobre MEMS en Sandia • Estudio de Caso 1: Rebote mecánico en MEMS de Radio-

Frecuencia• Estudio de Caso 2: Mediciones de amortiguamiento en gas• Ejemplos de pruebas en sensores• Ejemplos de actuadores• Conclusión

Prólogo


Sandía lleva a cabo diversas actividades de investigación en MEMS

• La obtención de MEMS requiere de la integración de:– Diseño con análisis

– Fabricación

– Empaquetamiento

– Pruebas

http://mems.sandia.gov/gallery/movies.html

http://mems.sandia.gov/

Prólogo


Paso 1: Diseño y análisis

http://mems.sandia.gov/about/design.html

Prólogo


Paso 2: Fabricación Prólogo


Paso 3: Empaquetamiento

• Los micro sistemas requieren soluciones de empaquetamiento de volúmenes pequeños, alta capacidad.

A 32 layer 3-D package

http://mems.sandia.gov/about/packaging.html

• Empaquetamiento avanzado integra a los MEMS en micro sistemas

• Diferente del empaquetamiento de electrónica: los MEMS se mueven.

Packaged Microsystem

• Para aplicaciones de alta potencia y bajo volumen, se aplica un tratamiento térmico por medio de tecnologías pasivas y activas de enfriamiento

• La tecnología avanzada MCM integra interconexiones de alta densidad para lograr el máximo funcionamiento en modulos multi-chip

Model of thermal activity

Active cooling built into MCM technology

Prólogo


Paso 4: Pruebas

• Se realizan Pruebas de Funcionamiento y Confiabilidad• Ejemplo de pruebas de confiabilidad: SHiMMeR (Sandia High Volume

Measurement of Micromachine Reliability ) • Capaz de probar un amplio rango de

dispositivos• Inspección óptica y eléctricaOptical and

electrical inspection• Puede detener la señal de actuación

inmediatamente después de que un dispositivo falla

• Los ambientes pueden ser aire o nitrógeno hasta 65% RH a temperatura ambiente

• SHiMMeR II tiene la capacidad adiciones de medir esfuerzos a altas temperaturas utilizando franjas resistivas por debajo del empaquetamiento

Prólogo


Repuestas al Choque y Vibraciones son importantes en MEMS

• Pruebas de Funcionamiento

• Eléctricas• Mecánicas• Ópticas• Etc

• Estática• Dinámica

• Esfuerzos• Deflexiones• Fracturas• Etc.

• Tribología• Vibración• Choque• ...

• El resto de esta presentación ilustrará mediciones y modelado de vibración y choque

Prólogo


Rebotes Mecánicos en

RF MEMS

Caso de Estudio 1Rebote Mecánico en MEMS de

Radio Frecuencia


Sandia RF MEMS Interruptor

• Bottom of contact tabs 2.6 µm above transmission lines.

• Bottom of plate 3.9 µm above resistor pad.

SpringsRaised post

Plate

Electrostatic pad

Dimples under tabs

Transmission lines NE tab

NW tabSE tabSW tab

• Una placa soportada por cuatro resortes cantilever con doblez

• Actuación electrostática mueve la placa hacia el substrato.

• La placa accionada conecta líneas de transmisión

• Closing time deseado: < 20 s.

• Fabricados en oro100 m


RF MEMS


Intended Motion

• EnergizingEnergizing: Electrostatic actuation pulls plate downward.

Posición energizada: placa hacia abajo

• DesenergizarDesenergizar: los resortes estructurales proveen de la fuerza de restauración


RF MEMS


Actuación Escalón y Rebote

• Actuación oiriginal : Voltaje escalón para cerrar el interruptor.

• Problema: el rebote del interruptor genera

– Interrupción del contacto

– Daño en el interruptor

– Bajo ciclo de vida

• Cambiar la amplitud del voltaje escalón no reduce el rebote

0 20 40 60 80-20

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Time, s

Act

ua

tion

Vo

ltag

e, V

Actuation

0 20 40 60 80-10

-8

-6

-4

-2

0

2

Dio

de

Vo

lt (R

F O

utp

ut)

, mV

RF Output

Se requiere más análisis de la dinámica estructural


RF MEMS


Mediciones Mecánicas Dinámicas

• Laser Doppler vibrometer (LDV) (Velocímetro Doppler Láser) en el tren óptico del microscopio

• LDV mide el movimiento del interruptor fuera del plano.

• Láser spot ~2 µm diámetro .• Mide 110 puntos en el interruptor

Microscope

Laser

MEMS under test

Vacuum Chamber

Probe


RF MEMS


Problema del Rebote Mecánico

saltos del interruptor son causados por el rebote mecánico

0 20 40 60 80-20

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Time, s

Act

ua

tion

Vo

ltag

e, V

Actuation

0 20 40 60 80-10

-8

-6

-4

-2

0

2

Dio

de

Vo

lt (R

F O

utp

ut)

, mV

RF Output

0 20 40 60 80 100-2.5

-2

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

Time, s

Dis

pla

cem

en

ts,

m

Tab NETab NWTab SWTab SE


RF MEMS


• Determinar la longitud del pulso de actuación:

Cálculos del Aterrizaje Suave (“soft landing”)

axticElectrosta

heff dxFxk

0

2

2

Trabajo realizado en el sistema por FElectrostatic.

Energía del sistema masa-resorte cuando meff se desplaza xh

=

aa xtx

• Resolver para xa.• Resolver la Ecuación de Movimiento

iterativamente para encontrar el tiempo time ta.

• Velocidad cero (energía cinética cero) deseada al desplazamiento desired xh.

• Voltaje and FElectrostatic are zero after

Va

Vh

Voltaje V

Pulse

Coast Hold

Time t0

Plate travel x

xh

xa

ta th

Velocity = 0


RF MEMS


Modelo basado en la forma del Aterrizaje Suave

• Forma de onda del Aterrizaje Suave del modelo efectivo en 1D

• Pulso de 150 V, 9.6 µs .• “Coast” para 4.7 µs.• 85 V voltaje de espera (“hold

voltage”). • Pendientes infinitas no son

implementables: – Resolución en tiempo del generado de

funciones: 50ns.

– amplifier “slew rate” < 1MV/s. • Parece que el “overshoot” afecta el

rebote del interruptor

0 10 20 30 40 50-10

10

30

50

70

90

110

130

150

Time, s

Act

ua

tion

Vo

ltag

e, V

Actuation

0 10 20 30 40 50-90

-70

-50

-30

-10

Dio

de

Vo

ltag

e, m

V

RF Output


RF MEMS


0 20 40 60 80 100-2.5

-2

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

Time, s

Dis

pla

cem

en

ts,

m

Tab NETab NWTab SWTab SE

Aterrizaje Suave con una forma de onda rectangular

• Mejora con respecto a la forma de onda escalón

• Respuesta sensible al “timing”:. • Ancho del pulso•Tiempo inicial del voltaje “hold”

• La resolución del generador de funciones impide el “timing” exacto


RF MEMS


Forma de onda redondeada

0 5 10 15 20 25 30-20

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Time, s

Vo

ltag

e, V

Actuation waveform

Displacement vs. time


RF MEMS


Modelo 3D con forma de onda redondeada

• Predicción del modelo se compara bien con el desplazamiento del interruptor con la forma de onda redondeada.

• Validación experimental del modelo

• Efecto del amortiguamiento en gas

– Se desprecia en el modelo

– Significativo cuando el espacio que se comprime (“squeezed”) es pequeño.

– Puede discrepar resultados

– Puede incrementar la tolerancia a la velocidad de aterrizaje diferente de cero

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

-2

-1.5

-1

-0.5

0

Time (s)

Dis

plac

emen

t ( m

)

LDV Data (NE Tab)3D Model


RF MEMS


0 5 10 15 20 250

20

40

60

80

100

120

140

160

Time (s)

Vo

ltag

e (

V)

10 V/s20 V/s40 V/s80 V/s2560 V/s

Conclusions on RF MEMS Rebounds

The high-fidelity 3-D finite element model captured mechanical dynamics of RF MEMS switch, as shown by test data.

The calibrated single-degree-of freedom model is effective in designing waveform that resulted in zero-velocity contact.

Experimental refinement was needed in ensuring soft landing. Integrated numerical-and-experimental technique is successful in eliminating

bouncing of the switch.

Vol

tage

Time (s)

If some low residual landing speed is acceptable, then some variation in coast time and hold voltage slope can be tolerated.

The rounded waveform appears to result in softer landing and shorter closing time compared to the rectangular and trapezoidal waveform.


RF MEMS


Amortiguación de vibración

por gas

Estudio de caso 2Amortiguamiento en gas de MEMS


Amortiguamiento en gas es importante en MEMS

Motivación:• Muchos micro/nano dispositivos requieren factores de calidad Q grandes. Algunos ejemplos

son: • Interruptores MEMS requieren altas velocidades (alto Q). • Sensores de resonadores cantilever necesitan respuestas de alta ganancia• Giroscopios MEMS.• Acelerómetros MEMS necesitan controlar el amortiguamiento.

• El amortiguamiento puede reducir el valor de Q desde varios cientos de miles hasta valores menores adebajo de 10.

• El amortiguamiento por compresión de películas (“Squeeze-film damping”) determina la dinámica de placas que se mueven algunos micrómetros por encima del substrato.

Objetivo:• Proveer validación experimental del modelo del amortiguamiento por compresión

(“squeezed-film damping”) para placas rígidas.

• Modelos continuos no parecen ser válidos en regímenes de moléculas libres (“rarefied”) • Modelos basados en dinámica molecular para predecir el “ squeezed-film damping” dan

resultados diferentes.• ¿Qué modelo debo usar?• Se requiere validación experimental!

• Se obtuvieron datos experimentales publicados de “squeeze-film damping” en estructuras flexibles. Se han utilizado para validar la teoría de estructuras rígidas.


por gas


Fluidos comprimidos amortiguan la oscilación

Oscillating plate

Gas gap

Substrate

x

y

z

a

b

h

Gap

thic

knes

s

h

Time

(t) = e0 cos(t)

La placa oscila a una frecuencia .

El fluido comprimido entre la placa y el substrato genera fuerzas de amortiguamiento en la placa

For sensors, rigid plate parallel to substrate, moving up and down, is preferred over flexible plates. [H. Seidel et al. 1990 Sensors and Actuators, 21 312-315.]


por gas


El número de Knudsen determina el régimen de amortiguamiento

http://www.phas.ucalgary.ca/~annlisen/teaching/Phys223/PHYS223-LECT34.html

mm

RT

P

2

= viscosity, Pa.sR = universal gas constant, J/(mol.K) T = temperature, Kmm=molecular mass, kg/mol

•Mean free path

h

z

tP

p

tP

pPh 22

12

•Continuum models, eg. Están basados en derivadas espaciales

• Son válidos cuando el espacio “gap” es comparable o más pequeño que el “mean free path”?

Muchos investigadores opinan que no. Se requieren models basados en dinámica molecular

•Knudsen number Ks = 1.016 mean free path/(gap size).

Necesitamos datos experimentales!


por gas


Modelos moleculares publicados aún no explican mediciones de amortiguamiento reportadas

Adapted to squeeze-film gap [M Bao et al

2002 J. Micromech. Microeng. 12 341-346.]

MD-simulation-based model [S. Hutcherson and W. Ye 2004 J. Micromech. Microeng. 14 1726-1733.]

Free-space damping model [R.G Christian 1966 Vacuum, 16 175]

Data measured on squeeze-film device [J.D. Zook et al 1992 Sensors and Actuators A, 35 51-59] • El modelo de Hutcherson y Ye (HY)

parece estar cercano a los datos de Zook

• Sin embargo, los resultados de Zook presentan una pendiente diferente a todos los modelos

• La geometría de Zook y sus condiciones experimentales no son bien conocidos o modelados

Necesitamos:• Un modelo validado por datos experimentales• Datos obtenidos con mejores condiciones experimentales y un dispositivo de

medición bien caracterizado


por gas


• Consideraciones del modelo continuo:

• Las fuerzas de la placa móvil de una capa de gas puede obtenerse linearizando la ecuación de Reynolds

Consideraciones:1.Placa rígida2.Espacios pequeños3.Desplazamientos pequeños4.Variaciones de presión pequeñas5.Procesos isotérmicos6.mean free path moleculares pequeños

•Andrews et al.’s limit (9. Zero Knudsen number limit of Blech’s)

•Veijola’s model Libre de 7 y 8.

h

z

tP

p

tP

pPh 22

12

P = ambient pressure, Pah = gap size, m = viscosity, Pa sp = pressure at (x,y), Pat = time, s

Modelos “Moleculares” no podrían validarse con los datos disponibles. Tratar con modelos continuos

•Blech’s model (7. En las orillas, la presión es la

presión ambiente.8. Se desprecia la inercia del fluido)


por gas


El modelo de Blech fue derivado para un régimen continuo, bajo número de Knudsen

• For low squeeze numbers, <<2

32 /)(42.0 habc Andrews

Ph

a

m

2

12• Depends on the squeeze number

odd,42222222

222

3

3

6//

/768

nm

Blech

banmnm

banm

h

bac

a = plate width, mb = plate length, mh = gap height, mP = ambient pressure, Pa = viscosity, Pa s = frequency, rad/s

• Blech’s typical applicable range: = 1.82(10)-5Pa.s; a = 144m; h = 4.5m. in atmosphere P=9.3(10)4Pa: <1 for

< 70kHz

• Blech’s damping coefficient

Andrews, M., Harris, I., Turner, G., 1993, “A comparison of squeeze-film theory with measurements on a microstructure”, Sensors and Actuators A, 36, p 79-87.

(Andrews et al’s model).


por gas


h = gap size, mp = pressure at (x,y), Pat = time, s = viscosity, Pa s = density, kg/m3

• Considerando la refracción y la inercia del gas fluyendo dentro y fuera del espacio, Veijola (2004) modificó la ecuación de Reynolds en

t

h

y

pQ

h

yx

pQ

h

x prpr

1212

33

Knudsen numberKs = 1.016 /h

Veijola, T., 2004, “Compact models for squeezed-film dampers with inertial and rarefied gas effects”, Journal of Micromechanics and Microengineering, 14, p 1109-1118.

= mean free path, m

M

m

N

n mnmn CjGQ ,3,1 ,3,1 pr

1

• Si la oscilación del espacio es (t) = e0 exp(jt), entonces la

amplitud compleja de la fuerza de amortiguamiento es:

Pabn

mnhCmn

64

24

2

2

2

2236

768 b

n

a

m

ab

mnhGmn

a = width, mb = length, me0 = amplitude, mj = √-1n = 1 for isothermal,

(= cp/cv for adiabatic). P = ambient pressure, Pa = viscosity, Pa s = frequency, rad/s = gas mass density, kg/m3

0ejFVeij

,...3,1222244pr

6196

30101

96

61

k

s

ss

s

K

KKhkj

k

KQ

El modelo de Veijola considera la inercia del fluido


por gas


El modelo de Gallis ay Torczynski (GT) combinan la ecuación de Reynolds equation con dinámica molecular

1

12 6ˆ 1

UP p G p

G G

n

En vez de utilizar condiciones de frontera triviales a las orillas de las placas, GT introdujo

Simulaciones DSMC fueron utilizadas para determinar correlaciones de los parámetros del amortiguamiento en gas

0.634 1.572

1 0.537

G

G

0.445 11.20

1 5.510

G

G

1 8.834

1 5.118

G

G

0 1G G = gas film (gap) thickness. /G is modified Knudsen number

2

= accommodation coefficient. (pare este objeto, a = 1).

Sumali H, Torczynski JR, Epp DS and Gallis MA 2007 Experimental Validation of a Squeeze-Film Damping Model Based on Molecular Gas Dynamics Proc. 2007 ASME International Design Engineering Technical Conference.

Es una Simulación Directa del método de Monte Carlo (DSMC) .


por gas


Mediciones de una placa que oscila

Plate width154.3 m

Air gap between plate and substrate Mean thickness = 4.1 m.

• La estructura es de oro. • ~ 5.7 m. • El sub-estrato es alumina.

Folded-cantilever springs

Anchored to substrate

• Assumed width a and length b, where ab = true plate area.

b

a

A = 29717(m)2

a = 154.3 m


por gas


Mediciones utilizan el LDV y la cámara de vacío

Microscope

Vacuum chamber

Laser beamDie under test

PZT actuator (shaker)

• El substrato es agitado por un actuador piezo-eléctrico

• Scanning Laser Doppler Vibrometer (LDV) mide velocidades en la base y en diferentes puntos del dispositivo MEMS


por gas


Del análisis del modelo experimental se obtienen la frecuencia natural, amortiguamiento y formas modales.

Measured deflection shape, first mode. Higher modes are not considered.

16910Hz. Up-and-down.

27240Hz

33050Hz

• Tests were repeated at different air pressures from atmospheric (640 Torr) to near-vacuum (<1 milliTorr).


por gas


Amortiguamiento diferente al de película comprimida (“non-squeeze-film damping”) se estima de la asíntota a presión cero

• A bajas presiones “ Non-Squeeze-Film Damping” (NSFD) es el amortiguamiento dominante

• Linear-fit total measured damping at a few lowest-pressures. The zero-pressure intercept is NSFD.

• Para obtener el “squeeze-film damping” del amortiguamiento total medido, se resta el NSFD del amortiguamiento total medido


por gas


Unos modelos estan bien de acuerdo con la medición.

• El modelo de Blech model es para numeros de Knudsen bajos.

• El limite de Andrews et al’s tiene suficiente exactitud a Ks

bajos. • El modelo de Bao et al’s sera

mas exacto con una modificacion1.

• El modelo de Gallis y Torczynski, y el de Veijola estan de acuerdo con la medición.

1Minikes A, Bucher I and Avivi G Damping of a micro-resonator torsion mirror in rarefied gas ambient Journal of Micromechanics and Microengineering 15 1762-9


por gas


Así, los datos experimentales sugieren las siguientes conclusiones

• En placas rígidas con espesores ~150 m, oscilaciones de 4.1 m sobre el substrato, las películas de aire comprimido pueden generar grandes amortiguamientos

• Modelos no-moleculares no son necesariamente menos precisos que los modelos moleculares

• Para las condiciones experimentales propuestas, en aire atmosférico, el modelo mas simple de Andrews et al, es tan bueno como cualquier otro modelo más sofisticado

32 /42.0 hAc Andrews

• En regímenes de altos números de compresión (bajas presiones o frecuencias altas), el modelo de Veijola parece coincidir experimentalmente de manera precisa


por gas


Ejemplos de sensores de

MEMS

Ejemplos de Mediciones de Sensores


Measured with laser Doppler vibrometry, in a vacuum chamber.

Modo de pandeo, 440kHz

Modo torsional,190kHz

Laser Doppler Vibrometer mide vibraciones de puntas cantilever de AFM


MEMS


Vibration mode shape of array without mass.

Vibration mode shape of array with 10 picogram (10-14

kg) mass attached.

Un arreglo de micro cantilevers es capaz de medir masas de 10 picogramos.


MEMS



MEMS

Ejemplos de Actuadores de Sandia


Un actuador de comb-drive puede mover muchos tipos de espejos

Ejemplos de motores de

MEMS


El sistema de actuación es robusto.

http://mems.sandia.gov/gallery/movies_bugs_on_mems.html

Ejemplos de motores de

MEMS


Conclución

• MEMS se produce los MEMS se mueven.


Agradecimientos

Sandia is a multiprogram laboratory operated by Sandia Corporation, a Lockheed Martin Company,for the United States Department of Energy’s National Nuclear Security Administration

under contract DE-AC04-94AL85000.

Many people from Sandia National Laboratories in Albuquerque, New Mexico, USA contribute to this presentation.

Sandia is a multiprogram laboratory operated by Sandia Corporation, a Lockheed Martin Company,for the United States Department of Energy’s National Nuclear Security Administration under contract DE-AC04-94AL85000.

[email protected]

Agradecimiento


• Radio Frequency MEMS

Narrow-gap Polysilicon RF MEMS Resonators

A polysilicon MEMS resonator process has been developed at Sandia for the fabrication of high-Q oscillator references and intermediate frequency (IF) filters. This process can achieve electrode-to-resonator gaps less than 100 nm, which is needed to reduce the impedance of capacitively transduced devices. While high frequency resonators can be implemented in this process, it is best suited for fabricating resonators below 200 MHz because the impedance levels are significantly lower at these frequencies. Advantages of these polysilicon resonators when compared to microfabricated piezoelectric resonators include much higher Q (> 60,000), low drift, tunability, and low vibration sensitivity. These properties make polysilicon µresonators ideal for implementing miniature oscillators and IF filter banks for RF MEMS applications.

http://mems.sandia.gov/about/rf-mems.html

MEMS ExamplesPage 46© 2009 Sandia National Laboratories http://mems.sandia.gov/samples/pricing.html


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