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

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2 Sandia is a multiprogram laboratory operated by Sandia Corporation, a Lockheed Martin Company, for the United States Department of Energys National Nuclear Security Administration under contract DE-AC04-94AL Visualización y Prueba Dinámica de MEMS Dr. Hartono (Anton) Sumali Laboratorios Nacionales de Sandía (Sandia National Laboratories) Albuquerque, New Mexico, USA Conferencia Magistral (Keynote Speech) Semana Nacional de Ingenieria Electronica (SENIE) 2009 Ocotlán, Jalisco, Mexico

3 MEMS Examples Page 2 © 2009 Sandia National Laboratories Porque se llama Laboratorios Sandía Prólogo Sino por la montaña de Sandía _Watermelon_Slice_TN.jpg Así se llama. No por la fruta

4 MEMS Examples Page 3 © 2009 Sandia National Laboratories 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

5 MEMS Examples Page 4 © 2009 Sandia National Laboratories 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 Prólogo

6 MEMS Examples Page 5 © 2009 Sandia National Laboratories Paso 1: Diseño y análisis Prólogo

7 MEMS Examples Page 6 © 2009 Sandia National Laboratories Paso 2: Fabricación Prólogo

8 MEMS Examples Page 7 © 2009 Sandia National Laboratories Paso 3: Empaquetamiento Los micro sistemas requieren soluciones de empaquetamiento de volúmenes pequeños, alta capacidad. A 32 layer 3-D package 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

9 MEMS Examples Page 8 © 2009 Sandia National Laboratories 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

10 MEMS Examples Page 9 © 2009 Sandia National Laboratories 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

11 MEMS Examples Page 10 © 2009 Sandia National Laboratories Rebotes Mecánicos en RF MEMS Caso de Estudio 1 Rebote Mecánico en MEMS de Radio Frecuencia

12 MEMS Examples Page 11 © 2009 Sandia National Laboratories Sandia RF MEMS Interruptor Bottom of contact tabs 2.6 µm above transmission lines. Bottom of plate 3.9 µm above resistor pad. Springs Raised post Plate Electrostatic pad Dimples under tabs Transmission lines NE tab NW tab SE tab SW 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 oro 100 m Rebotes Mecánicos en RF MEMS

13 MEMS Examples Page 12 © 2009 Sandia National Laboratories Intended Motion EnergizingEnergizing: Electrostatic actuation pulls plate downward. Posición energizada: placa hacia abajo Desenergizar Desenergizar: los resortes estructurales proveen de la fuerza de restauración Rebotes Mecánicos en RF MEMS

14 MEMS Examples Page 13 © 2009 Sandia National Laboratories 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 Se requiere más análisis de la dinámica estructural Rebotes Mecánicos en RF MEMS

15 MEMS Examples Page 14 © 2009 Sandia National Laboratories 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 Rebotes Mecánicos en RF MEMS

16 MEMS Examples Page 15 © 2009 Sandia National Laboratories Problema del Rebote Mecánico saltos del interruptor son causados por el rebote mecánico Rebotes Mecánicos en RF MEMS

17 MEMS Examples Page 16 © 2009 Sandia National Laboratories Determinar la longitud del pulso de actuación: Cálculos del Aterrizaje Suave (soft landing) Trabajo realizado en el sistema por F Electrostatic. Energía del sistema masa-resorte cuando m eff se desplaza x h = Resolver para x a. Resolver la Ecuación de Movimiento iterativamente para encontrar el tiempo time t a. Velocidad cero (energía cinética cero) deseada al desplazamiento desired x h. Voltaje and F Electrostatic are zero after VaVa VhVh Voltaje V Pulse Coast Hold Time t 0 Plate travel x xhxh xaxa tata thth Velocity = 0 Rebotes Mecánicos en RF MEMS

18 MEMS Examples Page 17 © 2009 Sandia National Laboratories 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 Rebotes Mecánicos en RF MEMS

19 MEMS Examples Page 18 © 2009 Sandia National Laboratories 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 Rebotes Mecánicos en RF MEMS

20 MEMS Examples Page 19 © 2009 Sandia National Laboratories Forma de onda redondeada Actuation waveform Displacement vs. time Rebotes Mecánicos en RF MEMS

21 MEMS Examples Page 20 © 2009 Sandia National Laboratories 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 Rebotes Mecánicos en RF MEMS

22 MEMS Examples Page 21 © 2009 Sandia National Laboratories 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. Voltage 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. Rebotes Mecánicos en RF MEMS

23 MEMS Examples Page 22 © 2009 Sandia National Laboratories Amortiguación de vibración por gas Estudio de caso 2 Amortiguamiento en gas de MEMS

24 MEMS Examples Page 23 © 2009 Sandia National Laboratories 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. Amortiguación de vibración por gas

25 MEMS Examples Page 24 © 2009 Sandia National Laboratories Fluidos comprimidos amortiguan la oscilación Oscillating plate Gas gap Substrate x y z a b h Gap thickness h Time (t) = e 0 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 Sensors and Actuators, ] Amortiguación de vibración por gas

26 MEMS Examples Page 25 © 2009 Sandia National Laboratories El número de Knudsen determina el régimen de amortiguamiento annlisen/teaching/ Phys223/PHYS223-LECT34.html = viscosity, Pa.s R= universal gas constant, J/(mol.K) T= temperature, K m m =molecular mass, kg/mol Mean free path 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 K s = mean free path/(gap size). Necesitamos datos experimentales! Amortiguación de vibración por gas

27 MEMS Examples Page 26 © 2009 Sandia National Laboratories Modelos moleculares publicados aún no explican mediciones de amortiguamiento reportadas Adapted to squeeze-film gap [M Bao et al 2002 J. Micromech. Microeng ] MD-simulation-based model [S. Hutcherson and W. Ye 2004 J. Micromech. Microeng ] Free-space damping model [R.G Christian 1966 Vacuum, ] Data measured on squeeze-film device [ J.D. Zook et al 1992 Sensors and Actuators A, ] 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 Amortiguación de vibración por gas

28 MEMS Examples Page 27 © 2009 Sandia National Laboratories 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 rígida 2.Espacios pequeños 3.Desplazamientos pequeños 4.Variaciones de presión pequeñas 5.Procesos isotérmicos 6.mean free path moleculares pequeños Andrews et al.s limit (9. Zero Knudsen number limit of Blechs) Veijolas model Libre de 7 y 8. P= ambient pressure, Pa h= gap size, m = viscosity, Pa s p= pressure at (x,y), Pa t= time, s Modelos Moleculares no podrían validarse con los datos disponibles. Tratar con modelos continuos Blechs model (7. En las orillas, la presión es la presión ambiente. 8. Se desprecia la inercia del fluido) Amortiguación de vibración por gas

29 MEMS Examples Page 28 © 2009 Sandia National Laboratories El modelo de Blech fue derivado para un régimen continuo, bajo número de Knudsen For low squeeze numbers, << 2 Depends on the squeeze number a= plate width, m b= plate length, m h= gap height, m P= ambient pressure, Pa = viscosity, Pa s = frequency, rad/s Blechs typical applicable range: = 1.82(10) -5 Pa.s; a = 144 m; h = 4.5 m. in atmosphere P=9.3(10) 4 Pa: <1 for < 70kHz Blechs 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 (Andrews et als model). Amortiguación de vibración por gas

30 MEMS Examples Page 29 © 2009 Sandia National Laboratories h= gap size, m p= pressure at (x,y), Pa t= time, s = viscosity, Pa s = density, kg/m 3 Considerando la refracción y la inercia del gas fluyendo dentro y fuera del espacio, Veijola (2004) modificó la ecuación de Reynolds en Knudsen number K s = /h Veijola, T., 2004, Compact models for squeezed-film dampers with inertial and rarefied gas effects, Journal of Micromechanics and Microengineering, 14, p = mean free path, m Si la oscilación del espacio es (t) = e 0 exp(j t), entonces la amplitud compleja de la fuerza de amortiguamiento es: a= width, m b= length, m e 0 = amplitude, m j= -1 n = 1 for isothermal, (= c p /c v for adiabatic). P= ambient pressure, Pa = viscosity, Pa s = frequency, rad/s = gas mass density, kg/m 3 El modelo de Veijola considera la inercia del fluido Amortiguación de vibración por gas

31 MEMS Examples Page 30 © 2009 Sandia National Laboratories El modelo de Gallis ay Torczynski (GT) combinan la ecuación de Reynolds equation con dinámica molecular 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 G = gas film (gap) thickness. /G is modified Knudsen number = 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 ASME International Design Engineering Technical Conference. Es una Simulación Directa del método de Monte Carlo (DSMC). Amortiguación de vibración por gas

32 MEMS Examples Page 31 © 2009 Sandia National Laboratories Mediciones de una placa que oscila Plate width 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 = m Amortiguación de vibración por gas

33 MEMS Examples Page 32 © 2009 Sandia National Laboratories Mediciones utilizan el LDV y la cámara de vacío Microscope Vacuum chamber Laser beam Die 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 Amortiguación de vibración por gas

34 MEMS Examples Page 33 © 2009 Sandia National Laboratories Del análisis del modelo experimental se obtienen la frecuencia natural, amortiguamiento y formas modales. Measured deflection shape, first mode. Higher modes are not considered Hz. Up-and-down Hz 33050Hz Tests were repeated at different air pressures from atmospheric (640 Torr) to near-vacuum (<1 milliTorr). Amortiguación de vibración por gas

35 MEMS Examples Page 34 © 2009 Sandia National Laboratories 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 Amortiguación de vibración por gas

36 MEMS Examples Page 35 © 2009 Sandia National Laboratories 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 als tiene suficiente exactitud a K s bajos. El modelo de Bao et als sera mas exacto con una modificacion 1. El modelo de Gallis y Torczynski, y el de Veijola estan de acuerdo con la medición. 1 Minikes A, Bucher I and Avivi G Damping of a micro-resonator torsion mirror in rarefied gas ambient Journal of Micromechanics and Microengineering Amortiguación de vibración por gas

37 MEMS Examples Page 36 © 2009 Sandia National Laboratories 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 En regímenes de altos números de compresión (bajas presiones o frecuencias altas), el modelo de Veijola parece coincidir experimentalmente de manera precisa Amortiguación de vibración por gas

38 MEMS Examples Page 37 © 2009 Sandia National Laboratories Ejemplos de sensores de MEMS Ejemplos de Mediciones de Sensores

39 MEMS Examples Page 38 © 2009 Sandia National Laboratories 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 Ejemplos de sensores de MEMS

40 MEMS Examples Page 39 © 2009 Sandia National Laboratories Vibration mode shape of array without mass. Vibration mode shape of array with 10 picogram ( kg) mass attached. Un arreglo de micro cantilevers es capaz de medir masas de 10 picogramos. Ejemplos de sensores de MEMS

41 MEMS Examples Page 40 © 2009 Sandia National Laboratories Ejemplos de sensores de MEMS Ejemplos de Actuadores de Sandia

42 MEMS Examples Page 41 © 2009 Sandia National Laboratories Un actuador de comb-drive puede mover muchos tipos de espejos Ejemplos de motores de MEMS

43 MEMS Examples Page 42 © 2009 Sandia National Laboratories El sistema de actuación es robusto. Ejemplos de motores de MEMS

44 MEMS Examples Page 43 © 2009 Sandia National Laboratories Conclución MEMS se produce los MEMS se mueven.

45 MEMS Examples Page 44 © 2009 Sandia National Laboratories Agradecimientos Sandia is a multiprogram laboratory operated by Sandia Corporation, a Lockheed Martin Company, for the United States Department of Energys National Nuclear Security Administration under contract DE-AC04-94AL 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 Energys National Nuclear Security Administration under contract DE-AC04-94AL Agradecimiento

46 MEMS Examples Page 45 © 2009 Sandia National Laboratories 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.

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