고전압증폭기
MEMS 드라이브 고전압증폭기
도문
2022. 10. 20. 14:30
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고전압 증폭기
를 사용한 MEMS의 정전기 작동 빗 드라이브 부상 및 풀인
에서 유전체 충전 및 위치 잡음에 이르기까지
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소개
이 애플리케이션 노트에서는 고전압 증폭기가 장착된 고성능 정전기 MEMS(마이크로 전자 기계 시스템) 액추에이터를 구동할 때 고려해야 할 문제에 대한 포괄적인 개요를 제공합니다.
먼저 MEMS 장치의 제조, 취급 및 신뢰성에 대해 설명합니다. 다음으로, MEMS 작동 원리가 소개되고 정전기 빗 구동 및 병렬 플레이트 액추에이터가 자세히 탐구됩니다. 다양한 유형의 스프링이 해당 속성과 함께 나열되고 작동력 및 변위 대 전압 관계가 표시됩니다. 여기에는 정상적인 빗 구동 동작, 측면 불안정, 부상, 평행 플레이트 변위 및 풀인이 포함됩니다.
다음 섹션에서는 빗 드라이브와 정전 용량 RF MEMS 스위치와 같은 병렬 플레이트 액추에이터 모두에 대한 기생 유전체 충전의 영향을 다룹니다. 이 충전으로 인해 교대 또는 병렬 플레이트 풀인 및 풀아웃 전압이 사라집니다. 예방 및 정전기 차폐를 통해 충전의 해로운 영향을 제거하는 방법에 대한 중요한 주제가 자세히 설명되어 있습니다.
마지막 부분에서는 정전기 액추에이터를 올바르게 구동하는 방법에 관심을 돌립니다. 장치 파괴를 방지하기 위해 전류 제한을 커버하고, 브리지 모드 작동은 작동 전압을 두 배로 늘립니다. MEMS 기계적 전달 기능과 고전압 증폭기 대역폭의 결합 효과에 대해 논의하고 장치를 둘러싼 공기의 압력을 MEMS 액추에이터의 전기적/기계적 반응 결합을 최적화하는 데 어떻게 사용할 수 있는지 보여줍니다. 마지막으로 고전압 증폭기 잡음 및 열 잡음 및 선형성이 위치 결정 분해능과 정확도에 어떻게 영향을 미치는지에 대해 설명합니다. 고전압 증폭기 설계 및 제조 회사인 Falco Systems는 (작성 당시) MEMS 자체를 개발하지 않습니다. 그러나 우리는 많은 고객이 매일 여기에서 다루는 주제에 대해 작업하고 있음을 알고 있습니다. IMEC, Leiden University, TU Delft 및 다양한 프로젝트 및 사용자위원회에서 저자의 이전 경험을 부분적으로 기반으로하는이 정보를 제시함으로써 많은 독자를 도울 수 있기를 바랍니다. 이 응용 프로그램 노트에서 다루는 주제와 관련된 질문이있는 경우 저자에게 문의하십시오.
마이크로 기계 장치 MEMS (마이크로 전자 기계 시스템 또는 마이크로 기계)는 마이크로 일렉트로닉스 산업을 위해 개발 된 기술을 사용하여 생산되는 소규모 기계 장치
입니다. 가장 작은 트랜지스터에 대한 탐구는 잘 제어되고 매우 작은 피쳐 크기로 구조물을 만들기위한 매우 진보 된 리소그래피, 증착 및 에칭 기술을 가져 왔습니다. 이러한 구조는 기계적 및 전기적 기능을 가질 수 있으며, 이로 인해 MEMS 기술은 매우 강력합니다.
MEMS 및 마이크로일렉트로닉스를 모두 제조하는데 사용되는 공정은 도 1에 도시되어 있다. MEMS는 기계적 캐리어 웨이퍼로부터 출발하여 제조된다. 여러 물질의 층들은 증착 및/또는 성장될 수 있고, 그들의 특성은 확산 또는 이온 주입에 의해 불순물을 추가함으로써 변경될 수 있다. 특징은 고급 리소그래피를 사용하여 만들어집니다 : 작은 특징은 감광성 resi에 빛으로 투사됩니다.st 레이어. 이러한 기능은 요즘 고밀도 마이크로 일렉트로닉스 공정의 경우 nm 크기 일 수 있지만 MEMS의 경우 일반적으로 다소 큽니다. 이 포토레지스트층은 아래의 층에 선택적으로 접근할 수 있도록 개발되었다. 노출 된 영역에 재료를 추가하거나 에칭 할 수 있습니다. 이 시퀀스는 구조가 완료 될 때까지 여러 번 수행됩니다. 웨이퍼는 다이(die)라고 불리는 개별 회로로 톱질되어 패키지에 배치된다. 패키지의 핀과의 접촉은 얇은 와이어 본드 또는 작은 솔더 볼에 의해 이루어질 수 있습니다. 후자의 경우 다이를 거꾸로 장착해야합니다 ( '플립 칩').
그림 1. MEMS (및 마이크로 일렉트로닉스) 제조 공정
에서 트랜지스터 및 그 배선과 같은 마이크로 전자 구조물이 웨이퍼에 잘 부착되는 것이 바람직하며, 칩 상에 기계적 기능을 생성하는 열쇠는 움직일 수있는 자유로운 서있는 구조를 만드는 능력입니다. 이를 달성하기 위한 세 가지 공정은 표면 미세 가공, SOI(절연체의 실리콘) 및 벌크 마이크로 가공입니다. 우리는 세 가지 모두에 대해 차례로 논의 할 것입니다.
표면 미세 가공에서 기계적 구조는 웨이퍼 위에 층을 증착하고 선택적으로 에칭하여 제작됩니다. 자유로운 서있는 구조를 얻으려면 희생 층이라고 불리는 중간 층을 에칭해야합니다. 이 과정은 도 2에 도시되어 있다.
그림 2. 표면 마이크로 가공 공정 : 자유 서있는 층은 희생 층을
에칭하여 얻을 수 있습니다 전통적으로 표면 마이크로 가공에 사용되는 재료는 반도체 산업에서 차용됩니다. 이것은 잘 부착되고 평평하며 기계적으로 스트레스가없는 필름을 형성하기 위해 이러한 재료를 처리하는 방법에 대한 광범위한 지식이 있기 때문에 수행됩니다. 원형 공정은 원래 미국 버클리 센서 및 액추에이터 센터에서 개발된 상업용 MEMSCAP PolyMUMPS 공정[1]에 의해 구현됩니다. Cadence와 같은 대형 마이크로 전자 소프트웨어 패키지를 사용하여 설계를 그릴 수 있지만 L-edit 및 CleWin과 같은 간단하고 비용 효율적인 솔루션을 사용하여 설계를 그릴 수 있습니다. MEMS 제조는 클린룸에서 매우 순수한 재료를 사용하는 첨단 장비로 이루어지기 때문에 장치 배치를 처리하는 데 비용이 많이 듭니다. PolyMUMS는 여러 사용자가 웨이퍼의 작은 부분에 대한 설계를 제공할 수 있는 다중 사용자 프로세스입니다. 제조가 완료되면 사용자는 해당 부품을 수령하고 처리 실행 비용을 공유합니다. 이 PolyMUMPS 표면 미세 가공 공정에서, 단결정 실리콘 스타팅 웨이퍼 상에, 다결정 실리콘 층들 (폴리실리콘, 구조 재료)이 증착되고, 그 사이에 이산화규소 층이 있다. 실리콘 산화물은 희생 층 역할을하며 기계적 특징 아래에 에칭되지만 기계 구조물의 앵커를 고정하고 앵커 포인트에서 전기 신호를 분리하는 역할도합니다. 희생 층이 폴리실리콘 아래에 얼마나 멀리 에칭될 것인지를 언더-에칭의 양이라고 한다. 웨이퍼와 기계적 구조 사이에는 질화 실리콘 절연층이 있다. 기계적 구조 아래에는 전기 신호를위한 얇은 폴리 실리콘 라우팅 층이 있습니다. 금은이 과정에서 접촉 패드에 사용됩니다.
더 많은 재료 이제 알루미늄 합금 및 고급 유전체와 같이 일반적으로 사용됩니다. 광범위한 개요는 [2]를 참조하십시오. 최근 저자 팀은 아르곤 국립 연구소 (미국)와 협력하여 TU Delft (네덜란드)에서 붕소 도핑 된 초 나노 결정 다이아몬드 (UNCD) [3]의 구조 층이있는 액터블 표면 마이크로 머신 장치를 개발했습니다. 그림 3에서, 다수의 PolyMUMP 표면 마이크로머신 장치들이 이 기술이 무엇을 할 수 있는지의 예로서 도시되어 있다.
그림 3. 표면 미세 가공 부품
의 예 표면 미세 가공의 단점 중 하나는 성장된 구조층이 반드시 얇다는 것입니다. 더 두꺼운 층은 성장하는 데 불균형 한 시간이 걸리고 내부 기계적 응력 구배를 갖는 경향이 있으므로 장치가 표면에서 말리게됩니다. SOI 기술은 두 개의 웨이퍼를 그 사이에 얇은 이산화 규소 유전체와 함께 접합함으로써 힉 구조층을 사용할 수있는 가능성을 제공합니다. 이어서, 상부 웨이퍼는 기계적으로 필요한 두께로 분쇄된다.
상부 층의 두께 때문에, 수직 특징은 깊은 반응성 이온 에칭 (DRIE)으로 에칭되어야하고, 단결정 SOI 층에서 잘 정의 된 각도 아래의 평평한 표면은 KOH 습식 에칭으로 얻을 수 있습니다. SOIMUMPS 공정[1]은 이러한 공정의 일례이며, 다시 다중 사용자이며, 이와 같이 만들어진 구조물의 예는 도 4에 도시되어 있다.
그림 4. SOI MEMS 성분
의 예로는 벌크 미세가공에서, 캐리어 웨이퍼 자체가 구조 재료로서 사용된다. 처리는 SOI 프로세스와 매우 유사합니다.
이러한 프로세스의 조합이 종종 사용된다는 점에 유의해야합니다. 예를 들어 MEMS 압력 센서 및 AFM(원자력 현미경) 팁의 제조는 벌크 및 표면 미세 가공 공정의 조합을 사용합니다. 때로는 오목한 구멍이 웨이퍼에 에칭되어 표면 마이크로 머신 된 MEMS 장치를 웨이퍼 표면 아래의 '피트'에 배치합니다. 이러한 방식으로, 마이크로 일렉트로닉스는 일반적인 방법으로 웨이퍼에 첨가 될 수 있지만, 기계적 구조가 완료된 후에.
취급 및 신뢰성 MEMS는 많은 신뢰성
문제로 어려움을 겪을 수 있습니다. 전체 목록은 [4]를 참조하십시오. 이러한 문제는 디자인의 결함, 부품의 잘못된 취급으로 인해 발생할 수 있지만 주로 마이크로 도메인에서 당신을 공모하는 자연의 힘으로 인해 발생할 수 있습니다. 후자는 접촉 또는 슬라이딩 부품과 같은 특정 간단한 유형의 기능 개발을 매우 어렵게 만듭니다. 우리는 차례로 다른 문제를 검토합니다.
MEMS는 작은 형상으로 인해 먼지 입자와 같은 오염에 매우 민감합니다. 상업용 장치는 항상 보호 패키지에 장착되며 MEMS 장치를 사용한 실험은 종종 클린 룸에서 수행됩니다. 보호 패키지는 MEMS 가속도계와 같은 경우 캐비티가 있는 간단한 밀폐형 패키지입니다. 종종 양극 결합 실리콘 또는 유리 프릿 웨이퍼 캡 또는 다이에 직접 납땜되는 소형 캡과 같은 칩 레벨 패키지가 사용됩니다. 광학 기능을 갖춘 MEMS의 경우 패키지에 투명 창을 제공해야 하며, 예를 들어 압력 및 환경 센서는 '외부 세계'에 액세스해야 합니다. 장치에 대한 오염의 영향에 대한 철저한 조사가 필요합니다. 실험 상황에서 MEMS는 항상 클린 룸에서 생산되지만 때로는 외부에서 테스트됩니다. 이것이 수용 가능한지 여부는 장치마다 다를 수 있으므로 개별적으로 평가해야합니다.
MEMS는 접촉과 입자에 매우 민감합니다. 가공 된 웨이퍼 또는 개별 다이로 저장하는 허용 된 방법은 닫힌 웨이퍼 상자 또는 작은 '젤 팩'의 끈적 끈적한 호일에 있습니다. 후자는 MEMS 장치를 제자리에 유지하기 위해 바닥에 끈적 끈적한 젤 층이있는 단순한 작은 상자이며 종종 투명합니다 (그림 5). 먼지 입자에 대한 민감성 때문에 다이의 취급은 플라스틱 핀셋 또는 바람직하게는 플라스틱 팁이있는 금속 핀셋에서만 이루어져야합니다. 이러한 방식으로, 취급 동안 다이의 측면으로부터 분리된 입자의 생성이 최소화된다. 이러한 입자는 장치 기능을 방해하는 것으로 알려져 있습니다. 또한 클린 룸에서만 이러한 저장 상자를 여는 것이 좋습니다. 장시간 보관해야 하는 장치들은 방출 에칭 전에 저장될 수 있으며, 전형적으로 마지막 처리 단계 중 하나가 발생하였다. 장치가 보호 희생 층에 내장되어있는 한, 그들은 훨씬 덜 민감하며 일반 마이크로 일렉트로닉스가 죽는 것과 같은 방식으로 저렴한 패키지에 보관할 수 있습니다.
그림 5. MEMS는 젤 팩에서 다이를 사용하며, 정전기 작동에 의존하는 MEMS 장치(이 애플리케이션 노트에서 자세히 설명)를
취급하기 위한 플라스틱 팁이 있는 핀셋은 정전기 방전(ESD) 고장에 민감합니다. 이러한 방전은 일반적으로 삼중 전기에 의해 발생합니다 : 춥고 건조한 날씨에 카펫 위를 걷는 사람, 또는 기계에서 부품을 미끄러지는 사람은 수천 ~ 수만 볼트의 정전기가 축적 될 수 있습니다. 이 전기는 암페어의 피크 전류와 나노초 내에 접촉할 때 방전됩니다. 해당 에너지는 마이크로 일렉트로닉스와 (정전기) MEMS를 모두 손상시킬 수 있습니다. 올바른 ESD 예방을 위해 지침 (또는 생산 시설의 경우 규범)을 따르는 것이 좋습니다. 작업은 접지되고 전도성 인 표면에서 이루어지며 손목 랩으로 구성 요소를 만지거나 전도성 바닥 및 전도성 (오버) 신발을 사용하여 부품을 만지는 사람들이 접지하는 것이 바람직합니다. 이상적인 세계에서 MEMS 젤 팩 보관 박스는 전도성도 뛰어납니다.
물리학의 고전적 법칙이 일반적으로 그들의 행동을 지배하지만, MEMS 구조는 너무 작아서 거시적 인 세계에서 우리가 익숙했던 것과는 여전히 매우 다릅니다. 장치 크기를 10^3배 줄이면 길이가 10^3배 작아지지만 표면적은 10^6, 관성 질량은 10^9만큼 줄어듭니다. 질량이 낮기 때문에 MEMS 장치는 거시적 장치에 비해 G-force 및 충격에 상대적으로 민감하지 않으며 대부분의 경우 모든 방향에서 거꾸로 작동합니다.
치수 축소로 인한 높은 표면 대 부피 비율로 인해 MEMS는 접착, 마찰 및 마모와 같이 표면과 관련된 모든 것에 매우 민감합니다. 접착은 표면이 매우 매끄럽기 때문에 발생합니다 : 전형적인 값은 1 - 10 nm_rms의 거칠기이므로 표면은 실제로 접촉시 서로 가깝습니다. 표면이 서로 너무 가까울 때, f와 같은 표면력모세관 접착력, 반 데르 발스 분자력, 정전기력, 표면 사이의 수소 브릿지, 직접 '냉간 용접'접촉 및 전도성 표면 사이의 양자 기계적 카시미르 힘으로 인한 orces는 모두 관찰 된 총 접착력에 추가됩니다. 이 총 접착력이 액추에이터의 복원 스프링력보다 크면 움직이는 부품이 다른 표면에 달라 붙는 고장 모드 인 '스틱 션'이 발생합니다. 스틱 실패는 그림 6에 나와 있습니다.
그림 6. 정지 된 빔
의 스틱 고장 희생 층에서 장치를 방출하는 동안
특별한주의를 기울여야합니다. 희생 층이 젖은 에칭, 헹굼 및 건조에 방치되면, 헹굼 유체 (종종 물)는 모세관으로 인해 건조 중에 자유 서있는 부분 아래에서 수축됩니다. 거기에서 그것은 구조물을 아래로 당길 것입니다. 이것은 물의 표면 장력과 관련된 힘에 의해 발생합니다. 유체가 완전히 증발하면 건조 후 남아있는 물에 용해 된 오염의 '커피 얼룩'에 의해 MEMS 장치의 부품을 효과적으로 접착합니다. 이것은 종종 준수 MEMS 구조의 문제이며 일반적인 해결책은 헹굼 유체를 고압 및 온도에 의해 삼중 점으로 가져 오는 액체 CO2로 대체하는 것입니다. 삼중점에서는 기체와 액상의 차이가 없습니다. 이런 식으로, 모세관 목이 나타나지 않을 것이고 장치는 그들에게 작용하는 어떤 힘도 없이 자유롭게 서 있는 것처럼 보일 것이다.
상당한 유전체 충전이 발생하지 않는 한(훨씬 더 자세히 논의될 것임) 자유 서 MEMS 장치를 위협하는 가장 큰 접착력은 전형적으로 모세관 응축에 의해 야기된다. 대부분의 MEMS 구조 재료의 표면은 친수성이며, 접촉하면 공기로부터의 습도의 모세관 응축으로 인해 표면 사이에 얇은 층의 물이 나타납니다. 상황은 도 7에 개략적으로 묘사되어 있다.
그림 7. 모세관 응축
으로 인한 거친 표면 사이의 물
이 물 필름은 모세관 응축에 대한 특징적인 거리에 의해 주어진 일반적인 거리보다 표면이 더 가깝게 접촉하는 모든 영역에서 표면 사이의 틈새를 덮는다 d_cap. 이 거리는 [5]
이 식에서 gamma_l는 물의 표면 장력, v는 액체 몰 부피, 세타는 표면 상의 물의 접촉각, R은 기체 상수, T는 절대 온도 및 RH로 주어진다. 상대 습도. 모세관 접착력으로 인한 힘은 큰 것입니다 : 거시적 인 세계에서 우리가 두 개의 평평한 유리 판을 그 사이에 물로 분리하지 못하게하는 것과 같은 힘입니다. 건조기 대기는 대기(상대 습도 RH가 낮을수록)이며, d_cap의 값이 작을수록, 표면 사이의 물의 양이 작아지고, 따라서 모세관 접착력으로 인해 표면을 함께 유지하는 힘이 낮아진다. 위에서 언급 한 다른 힘의 강점은 또한 거리 의존성을 가지고 있지만, 일반적으로 모세관 응축을위한 힘보다 덜 갑작 스럽습니다. 더 거칠고 t그는 표면이 단단할수록 친밀한 접촉의 영역이 낮아지고 전체 표면 상호 작용 에너지 및 접착력이 작아 지므로 스틱 실패 모드로 인해 장치가 실패하지 않을 가능성이 커집니다.
접착력의 정확한 크기에 대한 예측은 번거롭고 실제로 큰 편차가 발생하기 쉽습니다. 모델에는 표면 거칠기의 통계적 분포, 표면이 특정 하중과 접촉 할 때 표면이 어떻게 변형되는지, 모든 표면 힘이 거리의 함수로 상호 작용하는 방식이 포함됩니다. 도 8에서는 Xue et al. [6]에 의해 MEMS 장치에서의 접착력에 대한 실험적 연구를 나타낸 결과로서, 표면 거칠기의 효과를 고려한 단순한 소성 변형 접착 이론과 비교하였다[7]. 접착 모델의 수치 값은 '오류 밴드'와 함께 제공됩니다. 이러한 에러 밴드는 MEMS 디바이스의 표면의 거칠기가 통계적으로 동일하더라도, 표면 거칠기의 확률적 특성으로 인해 디바이스마다 예상되는 변동이 여전히 존재하기 때문에 필요하다. 모델에서 이러한 예상 변동이 계산되고 주어진 오류 밴드는 테스트된 많은 수의 MEMS 장치에 대한 예상 접착력의 한 시그마 편차입니다. 이 장치 대 장치 변형은 실제입니다. 매우 낮은 접착 값을 제외하고는 실험 결과에서도 동일한 크기 변동 순서가 관찰되며, 분포의 '특이치'인 개별 접촉 아스퍼리티가 접착에 불균형적으로 큰 영향을 미칩니다.
그림 8. 모세관 응축력으로 인한 표면 거칠기가 1.7nm_rms는 폴리실리콘 친수성 MEMS 장치에 대한 접착력 및 접착력 변화를 예측하고 측정했습니다. Xue et al. [6]의 실험 연구와 [7]
저자의 지식에 대한 이론적 연구에서 채택 된 저자의 지식에 따르면, 장치의 온도가 갑자기 0도 아래로 내려 갔을 때 표면 사이의 액체 모세관 응축수에 어떤 일이 일어나는지 철저히 조사한 사람은 없지만 동결은 분명히 경험되는 접착력에 영향을 미칩니다. 더욱이, 접착력이 '노화', 즉 표면 사이의 장기간 접촉 후에 값이 변화(전형적으로 증가)하는 것이 관찰되었다. 노화를위한 좋은 모델은 아직 존재하지 않습니다. MEMS를 건조하게 유지하십시오!
대체로, 친수성 표면의 단기 접착의 크기에 대해서만 좋은 실험 및 이론적 정보가 제공됩니다. 종종 표면의 소수성 (hydro-) 탄소 및 기타 오염 물질로 인해 측정 된 접착력이 낮지 만,이 효과는 기껏해야 불규칙합니다. 자유 서 있는 장치의 바닥면에 '딤플'(작은 범프)을 포함하고 실수로 또는 의도적으로 접촉할 수 있는 다른 표면에 '딤플'을 포함시켜 접촉 표면적을 최소화하는 것이 좋습니다. 종종 모세관 접착력으로 인한 힘은 여전히 너무 높아서 준수 MEMS 장치에 대해 허용할 수 없습니다. 이 경우, 소수성 필름이 표면에 증착될 수 있다. SAM(self assembled monolayer)[8] 또는 하이드로- 또는 플루오로카본('테프론 형상')[9]의 플라즈마 증착층이 첨가될 수 있다. 이들은 접착력을 감소시키고 비교적 안정한 것으로 나타났습니다. 장치를 고배율로 SEM (주사 전자 현미경)으로 이미징하는 것만으로 c.아르본은 MEMS 장치의 표면에 증착됩니다. 이것은 SEM 컬럼 내의 거의-그러나 -아-꽤 진공 조건의 잔류 가스에서 탄소 함유 분자의 균열로 인해 발생한다. 증착된 탄소의 이 얇은 층은 접착력에 대하여 MEMS 장치의 표면 특성을 엄청나게 변화시킬 수 있다.
MEMS 표면이 접촉하는 상황이 이상적이지 않은 경우, 예를 들어 기어와 슬라이더와 같이 표면이 서로 문질러야 하는 경우 더욱 그렇습니다. 피처 크기가 작기 때문에 약간의 마모만으로도 모양, 표면 및 입자 생성 변화로 인해 장치 작동을 방해하기에 충분합니다. MEMS의 전통적인 구조 재료는 다결정 실리콘, '폴리 실리콘'입니다. 폴리실리콘은 원래 그 특성과 증착 기술이 마이크로 일렉트로닉스 산업에서 잘 알려져 있었기 때문에 선택되었습니다. 부서지기 쉽기 때문에 피로와 크리프로 고통받지 않으며 서스펜션에 좋지만 마찰 학적 특성은 좋지 않습니다. Sandia의 고전적 연구가 폴리 실리콘 마이크로 모터의 마모를 보여 준 후 [10], 많은 솔루션이 제안되고 조사되었습니다. 가능성 중 하나는 SiNx, SiC, Al2O3 텅스텐, DLC (다이아몬드 형 탄소) 및 UNCD와 같은 접착 및 내마모성 하드 코팅의 사용입니다. 이러한 층을 모든 표면에 순응적으로 증착하는 것은 어렵고 종종 장치 모양을 변경하는 기계적 응력 구배를 도입합니다. 어떤 경우에는 구조 재료 자체로 하드 레이어를 사용하는 것이 좋습니다. 접착력 감소를 위한 좋은 선택인 SAM 코팅은 슬라이딩 조건에서 빠르게 마모되며 권장되지 않습니다. 또 다른 옵션은 얇은 기름이나 물과 같은 액체 윤활유를 사용하는 것입니다. 슬라이딩 MEMS 표면의 상대 속도는 작은 치수로 인해 높지 않기 때문에 올바른 윤활 (윤활유의 움직임으로 인한 표면의 리프트가 접촉을 막는 경우)이 종종 달성되지 않습니다. 또한, 작은 스케일에서의 높은 점도는 상대적으로 높은 에너지 소산을 야기한다. 많은 응용 분야는 또한 액체 윤활유의 사용과 호환되지 않습니다. MEMS의 윤활은 활발한 연구 분야이며, 원자 규모의 초윤활성 및 열윤활성에 기반한 그래핀 및 / 또는 계획의 사용은 언젠가는 현실이 될 수 있습니다.
현재 상업적 관점에서 가장 실행 가능한 옵션은 VPL (기상 윤활)으로 보입니다. Texas Instruments DMD (Digital Micromirror Device)는 내부에 스티어링 전자 장치가 통합 된 이동식 거울 매트릭스가 포함 된 칩입니다. 빔과 같은 프로젝션 시스템에 사용됩니다. 이 칩의 패키지에는 유기 화합물이 포함되어 있는데, 이는 일반적으로 고체이지만 패키지가 프로젝션 램프의 빛에 의해 가열 될 때 모든 표면에 승화되고 증착됩니다. 생성 된 박막은 거울 마개가 착륙하고 수십 나노 미터를 미끄러지는 표면을 윤활합니다 [11]. 대등한 해결책은 표면 사이의 접촉점에서의 모세관 응축으로 인한 윤활 필름을 형성하기에 충분한 증기압을 갖는 패키지 내의 펜탄올의 사용이다[12]. VPL은 또한 슬라이딩 중에 접점에서 단단하고 내마모성 트리보필름을 형성합니다. 물의 존재가 VPL에 의한 윤활의 효과를 심각하게 감소시키기 때문에 밀폐 된 패키지가 필요합니다.
MEMS 장치는 일반적으로 순환 기계 하에서의 장기간의 피로로 인해 마모되지 않습니다. 응력 (예를 들어 공명에서), 피로가 발생하기 때문에 재료 내의 기존의 미세한 결함은 표면으로 이동하고 합체해야합니다. MEMS는 단순히 너무 얇아서 피로 균열을 형성하기에 충분한 결함이 없습니다 [4]. 기계적 응력이 너무 높아서 재료의 항복 응력에 가까운 새로운 결함이 생성 될 때만 낮은 사이클 피로가 문제가 될 것입니다. 박막 실리콘에서는 실리콘이 부서지기 쉽고 정상적인 의미에서 피로가 없어야하지만 환경 보조 피로 메커니즘이 관찰되었습니다. 다행스럽게도 이것은 재료의 항복 강도에 비해 매우 높은 응력에서만 발생하므로 실제로는 일반적으로 문제가되지 않습니다. 고온에서 금속 MEMS의 크리프는 거시적 구조보다 더 많은 문제이지만 실리콘에서는 발생하지 않습니다.
MEMS 액추에이터
자력은 마이크로 도메인에서 잘 확장되지 않지만 분리 거리가 작 으면 충전 된 도체 사이의 전기장이 매우 강해집니다. 이 효과를 통해 고전압 증폭기에 의해 구동되는 정전기 액추에이터를 마이크로 스케일에서 변위를 생성하는 매우 유용한 방법으로 사용할 수 있습니다. 정전기 액추에이터는 크게 두 가지 범주로 나뉩니다(그림 9). 변위 시 도체 사이의 프린지 필드의 변화를 추진력으로 사용할 때, 해당 액추에이터는 빗 구동 액추에이터라고 합니다. 이 액추에이터는 긴 스트로크 인 플레인 액추에이터로 사용됩니다. 평행 플레이트 도체 사이의 갭에서 필드의 변화는 더 큰 힘을 야기 할 수 있지만, 간격이 휴식시 총 갭 폭의 1/3 이상으로 단축 될 때 불안정을 나타냅니다. 따라서 이러한 액추에이터는 일반적으로 작은 비행기 변위 및 '스위칭'유형 작동에만 사용됩니다. 두 액추에이터 유형에 대해서는 다음 섹션에서 자세히 설명합니다.
그림 9. 정전기 액추에이터 다른 액추에이터
또한 가능하다. 큰 힘이 필요한 경우 열 팽창을 기반으로 한 액추에이터가 사용되지만 정전기 대응 장치와 달리 많은 전류와 저전압 증폭기가 필요합니다. 이러한 액추에이터는 굴곡 경첩의 핫 빔과 콜드 빔으로 구성되거나, 셔틀을 각도(셰브론 타입)로 구동하는 다수의 빔으로 구성된다(도 10 참조).
그림 10. 열 액추에이터
세 번째 작동 방법은 MEMS 생산 공정의 일부로 증착되는 얇은 압전 필름을 사용합니다 (그림 11). 공진이나 기계적 증폭이 수반되지 않는 한, 이러한 압전 액추에이터가 제공 할 수있는 변위는 매우 작지만 강한 힘을 가지고 있습니다. 압전 재료는 벌크 또는 표면 음향 공진기에도 자주 사용됩니다.
그림 11. 압전 액추에이터 MEMS 액추에이터
의 다른 유형은 다른 구동 전자 장치가 필요합니다. 정전기 MEMS 액추에이터를 구동하는 것은 고전압 증폭기의 전통적인 영역이며, 이러한 액추에이터는 일반적으로 작동하기 위해 10~200V가 필요합니다. 열 액추에이터는 대신 구동 소스에 대해 매우 낮은 저항을 나타내며 높은 전류가 필요합니다.그들을 움직이게하기 위해 고전압의 티드. 고전압 증폭기는 전열 MEMS 액추에이터에 특히 적합하지 않습니다. 대신 저전압, 고전류 신호 소스가 필요합니다. 물론 고전압 증폭기의 출력 전류가 전열 액추에이터를 구동하기에 충분히 큰 경우 이것도 작동 할 수 있지만 특히 에너지 또는 비용 효율적인 솔루션은 아닙니다. 피에조 액추에이터는 정적으로 구동되는 경우에도 고전압 증폭기가 필요하지만 공진에 자주 사용되기 때문에 구동 전압 측면에서 구동 요구 사항은 일반적으로 정전기 액추에이터보다 낮습니다. 이 애플리케이션 노트에서는 정전기 액추에이터에 초점을 맞추면서 경우에 따라 논의된 주제가 압전 MEMS 액추에이터에도 유효하다는 점에 주목합니다.
MEMS 스프링 정전기 MEMS 액추에이터는 두 가지 주요 특성을 가지고 있습니다 : 전기장이 힘을 발휘하는 방법과 장치가 정지되는 스프링
에 의해 어떻게 제한되는지, 그리고 정전기력이 작용하는 방법. 변위의 크기는이 전기 구동력과 스프링 상수의 균형에 달려 있습니다. 실제 변위 델타는 전기력 F_el과 스프링 힘 F_spring이 방향에서 동일하고 반대인 변위 거리에 의해 주어진다:
이는 실제 MEMS 장치의 거동을 결정하기 위해서는 두 힘 모두를 알아야 함을 의미한다. 이 섹션에서는 스프링의 분석 모델에 대해 논의하고 다음 두 섹션에서는 빗 구동과 병렬 플레이트 갭 액추에이터의 힘을 제시합니다. 여기에 주어진 방정식은 다소 복잡한 전기 기계 구조의 매우 간단한 분석 모델입니다. 그들은 앵커 포인트 변형, 일부 프린지 필드 등을 무시합니다. 그러나 관련 변수에 대해 적절한 크기 순서를 제공해야하며 MEMS 설계에 대한 빠른 현실 검사, 완전한 설계 또는 설계 평가를 수행하는 '빠르고 더러운'방법, FE-(유한 요소) 모델링을 보완하는 데 사용할 수 있습니다. 또한 FE 모델링과는 달리, 그들은 왜 사물이 그대로인지에 대한 많은 통찰력을 제공합니다.
단면 및 양면 클램핑 빔, 빗 드라이브 및 병렬 플레이트 액추에이터의 모든 기능 부품이 설명됩니다. 모든 경우에, 구부러진 빔 (캔틸레버 및 클램핑 클램핑)은 특정 힘에 대한 변위를 정의하는 데 사용됩니다.
quick_MEMS.pdf라는 수식 요약 양식과 quick_MEMS.xls라는 Excel 시트는 현재 응용 프로그램 노트와 함께 사용할 수 있으며 여기에서 사용할 수 있습니다. Excel 시트에 기하학적 값을 입력하면 일반적인 정전기 액추에이터 형상에 대한 전압, 힘, 변위 등을 계산할 수 있습니다.
표 1에는 분석 모델과 함께 일반적인 스프링 목록이 포함되어 있으며 대부분 [13]에서 가져온 것입니다. 힘 F에 대한 변위 델타는 k_spring 구조의 스프링 상수에 의해 관련된다. 후자는 디자인의 기하학적 구조와 재료 속성에 의해 결정됩니다 :
사용 된 기호는 수직 두께 t, 길이 l 및 너비 w, 길이 l_c의 변형입니다. l_표시된 바와 같이 a와 l_b. 영의 모듈러스 E는 구조 재료 자체의 강성을 설명하는 재료 매개 변수입니다.
표 1. 분석 설명
과 함께 일반적인 MEMS 스프링 형상 스프링 상수에 대한 분석 선형 근사를 사용할 때 방정식이 유효한 방향을 확인하는 것이 중요합니다. 비행기 내 스프링 상수와 비행기 밖 스프링 상수는 거의 동일하지 않습니다. 또한 스프링 상수에 대한 중요한 기여는 앵커 포인트 변형과 같이 고려되지 않는다는 점에 유의해야합니다. 또한 제조 공정 변화로 인해 스프링 상수에 장치 간 및 로트 투 로트 변동이 있습니다. 스프링 상수의 보다 정확한 모델이 필요한 경우, 예를 들어 선형 모델이 유지되지 않는 큰 편향의 경우 또는 다른 형상이 선호되는 경우 FEM(유한 요소 모델링)이 해결책이 될 수 있습니다. 이 소프트웨어 패키지에서는 스프링 상수를 모델링 할 수있을뿐만 아니라 전기장, 열 영향 및 공기 압력의 영향을 매우 자세하게 설명하는 데에도 사용할 수 있습니다. 잘 알려진 소프트웨어 패키지는 예를 들어 COMSOL Multiphysics 및 ANSYS이지만 Mathematica 및 Matlab과 같은 범용 환경에서도 좋은 시뮬레이션을 설정할 수 있습니다. 컴퓨터 시뮬레이션의 결과는 모델에 넣은 것만 큼 좋습니다.
금속의 힘과 변형으로 인한 응력을 직접 측정하는 것은 어렵지만 실리콘과 같은 반도체의 경우 라만 분광법을 사용할 수 있습니다 [14]. 마이크로 라만 분광계에서는 작은 프로빙 레이저 스폿이 현미경으로 집중되고 산란광 스펙트럼이 수집되고 분석됩니다. 이 산란광은 빛과 포논의 상호 작용으로 인한 샘플의 비탄성 산란 과정으로 인해 입사 레이저 빔에 존재하지 않는 주파수를 포함합니다. 입사 레이저 주파수에 대한 라만 스펙트럼 피크의 이동으로부터 (고해상도 분광계 및 민감하고 액체 질소 냉각 된 CCD 카메라로 측정), 재료의 기계적 응력은 집속 된 레이저 스폿의 크기와 동일한 공간 분해능, 일반적으로 0.5 ~ 1.0um로 측정 될 수 있습니다. 샘플이 레이저 빔에 의해 가열되지 않도록주의해야합니다, 온도 차이는 또한 스펙트럼에서 라만 피크 이동으로 나타날 것이기 때문에. 스트로보스코픽 측정에서는 (순환적) 기계적 응력의 진화도 따를 수 있습니다. 도 12에서는 기계적 응력 매핑이 압력 하의 실리콘 MEMS 멤브레인의 도시되어 있다.
그림 12. 바닥면
에 저압을 가한 실리콘 MEMS 멤브레인의 기계적 응력의 라만 측정 빗 드라이브 액추에이터: 의도된 동작, 불안정 및 부상
빗 드라이브는 고정식 및 정지된 움직이는 손가락으로 구성됩니다(그림 9). 고전압 증폭기를 사용하여 그들 사이에 전압이 인가되면, 프린지 필드의 정전기력이 그들을 함께 끌어 당깁니다. 그림 13은 지오메트리를 보여줍니다. 움직이는 빔과 고정 빔 사이의 전압이 증가함에 따라 힘F_x 움직이는 빔을 안쪽으로 밀어 넣고 겹침 길이 l을 증가시킵니다. 두께 t를 갖는 이동 및 고정 빔은 반드시 동일한 높이에 있을 필요는 없으며, 중첩 높이는 p이다. 움직이는 손가락과 고정 된 손가락 사이의 간격 길이는 g이며,이 간격은 허용도 epsilon_0가있는 공기 / 진공으로 채워집니다. 정전기력은 손가락 사이의 전압 V의 제곱과 함께 간다 n 손가락
쌍의 총 힘 F_total은
x 방향의 스프링 강성에 대해 작용하는 총 힘의 x 방향 delta_x에서 해당 변위k_x 인가된 전압에서 직교성:
x 방향의 빗 구동 액추에이터의 변위가 너무 커지지 않도록 하기 위해, 많은 설계에는 최대 평면 내 변위를 제한하는 스토퍼가 포함되어 있습니다. 이 마개의 접촉 영역은 작아야합니다. 그렇지 않으면 stiction 오류가 발생할 수 있으며 장치가 여전히 실패합니다. 이러한 스토퍼는 석판으로 정의되어 있기 때문에 잘 정의 된 위치에 있으므로 변위 교정에도 사용할 수 있습니다.
그림 13. 빗 드라이브 액추에이터 형상
빗 드라이브의 서스펜션
은 의도한 동작 방향으로의 변위를 허용할 뿐만 아니라 측면 및 평면 밖으로의 변위를 허용합니다. '측면 불안정 전압'은 MEMS 콤 드라이브의 최대 사용 가능한 작동 전압을 제한합니다. 전압이 너무 높아지면 빗 드라이브의 손가락이 옆으로 움직이고 다른 전위의 손가락을 만질 수 있습니다. 이것은 y 방향의 스프링 상수가 정전기력이 줄어들 때 발생합니다. y 방향의 스프링 상수는 x 방향의 변위 (차례로 k_y에 따라 다름)에 따라 달라지며 k_x가 접힌 굴곡 서스펜션의 빔 길이인 l_beam과 같이
[15] 주어집니다. 측벽 불안정성은 x 방향 delta_x의 최대 변위에서 발생합니다.최대 :
빗 드라이브는 측면으로 움직일 수있을뿐만 아니라 일반적으로 상당한 평면 외 움직임을 나타냅니다. 이것은 빗 구동이 움직이도록 강제하는 전기장이 z에서 대칭적이지 않기 때문에 발생합니다 (그림 14). 이 필드는 움직이는 빗 드라이브 손가락을 위로 당기고 빗 드라이브 액추에이터를 고정 된 손가락의 평면에서 '상승'시키는 효과가 있습니다. 이것이 작동된 경우, 일반적으로 p가 빗 구동 지오메트리에 예시된 바와 같이 t와 같지 않은 이유이다(그림 13). 부상은 평형이 발견되면 특정 높이에서 멈추며, 이는 종종 상대적으로 낮은 작동 전압에서 이미 발생합니다.
그림 14. 빗 드라이브의 횡단면. 위쪽의 필드 라인은 아래의 필드 라인에 의해 상쇄 될 수 없기 때문에 아래의 라인 형태는 도 15에서 접지면
에 의해 스크리닝되고, 부상은 SEM에서 관찰된 바와 같이 도시되어 있다. 대부분의 부상은 낮은 평면 내 변위가 일어나며, SEM에서 전자로 이미지화한다는 사실로 인해 작동 전압이 증가할 때 작동 전극이 더 어두워진다는 점에 유의한다(전압 콘트라스트라고 함).
그림 15. SEM에서 모니터링되는 전방 동작 및 부상과 함께 빗 드라이브 작동. 전체 동영상은 여기에서
액세스 할 수 있습니다 주어진 최대 부상 높이 z_0 수직 스프링 상수 k_z 수직 '구동 용량'gamma_z의 경우 작동 전압의 함수로서의 실제 부상 높이 z는 [16]에 의해 주어진 변수로
z_0되고 gamma_z 선험적으로 알지 못하고, 빗 드라이브 액추에이터의 프린지 필드의 모양에 의존하기 때문에 분석적으로 모델링하기가 어렵습니다. FE (유한 요소) 계산 모델은 필요한 경우 동작을 예측하는 데 더 적합합니다.
그러나, 손가락들 사이의 커패시턴스가 작동 전압의 함수로서 측정된다면, 부상의 크기는 측정된 곡선으로부터 추출될 수 있다[17]. 이를 통해 측정 된 곡선에 함수를 맞추고 피팅에서 z_0 및 gamma_z을 얻을 수 있습니다. 도 16은 폴리실리콘 MEMS 콤 구동 액추에이터의 작동 전압의 함수로서 커패시턴스 변화의 전형적인 측정을 도시한다. 이 실험에서, 작동 전압은 고정식 빗 세트와 움직이는 빗 세트 사이에 인가되고, 커패시턴스는 유사한 콤 세트들 사이에서 작동전압이 없는 상태에서 측정된다. 이는 관련된 작은 커패시턴스 변화(aF 내지 fF)의 측정을 용이하게 하기 위해 수행된다. 처음에는 빗 드라이브가 틈새에서 부상 할 때 정전 용량이 낮아질 것으로 예상하지만 실제로 더 많은 프린지 필드 라인이 장치에서 종료 될 수 있으므로 실제로 커집니다 (이것이 빗 드라이브가 처음부터 상승하기를 원하는 이유입니다). 이 효과는 더 높은 작동 전압에서 작동 빗의 당김이 지배적 일 때까지 커패시턴스 변화를 지배합니다.이 체제에서는 움직이는 빗 손가락이 측정 빗 갭에서 빠져 나오기 때문에 정전 용량이 사분면으로 감소합니다.
그림 16. 작동 전압의 함수로서 빗 구동 액추에이터의 커패시턴스 변화는 부상의 효과를 명확하게 보여줍니다. 2um 변위의 스토퍼는 변위 보정으로 사용되며 스토퍼에 대한 빗 드라이브 셔틀의 접착력은 전압이 감소하는 곡선에서 날카로운 '점프'로 명확하게 볼 수 있습니다.
평면 내 및 평면 밖 변위 결합에 의한 델타-C(V)의 커패시턴스 변화에 대한 전체 방정식은, [17]
