[논문 리뷰] Design and Fabrication of Micromachined Resonators

Ritesh Ray Chaudhuri, Joydeep Basu외 1명|arXiv (Cornell University)|2012. 02. 14.

Advanced MEMS and NEMS Technologies참고 문헌 2인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 고주파 센싱 및 신호 처리를 위한 고성능 마이크로기계 다이아몬드형 다이아몬드 진동자 설계, 시뮬레이션 및 제작을 다루며, PolyMUMPs 표면 마이크로기계 공정을 사용하여 다이아몬드형 다이아몬드 진동자를 제작한다. 주로 반경 방향 윤곽 모드 진동을 중심으로 하며, 높은 품질 인자와 우수한 주파수 안정성을 확보한다. 유한요소 모델링을 통해 CoventorWare에서 분석하고 실험적 검증을 통해 성공적인 통합 가능성을 입증하였다.

ABSTRACT

Microelectromechanical system (MEMS) based on-chip resonators offer great potential for sensing and high frequency signal processing applications due to their exceptional features like small size, large frequency-quality factor product, integrability with CMOS ICs, low power consumption etc. This work is mainly aimed at the design, modeling, simulation, and fabrication of micromachined polysilicon disk resonators exhibiting radial-contour mode vibrations. A few other bulk mode modified resonator geometries are also being explored. The resonator structures have been designed and simulated in CoventorWare finite-element platform and fabricated by the PolyMUMPs surface micromachining process.

연구 동기 및 목표

• 칩 내 센싱 및 신호 처리 응용을 위한 고성능 마이크로기계 진동자를 개발하기 위해.
• 주파수 안정성과 품질 인자를 향상시키기 위해 다이아몬드형 다이아몬드 진동자에서 반경 방향 윤곽 모드 진동을 탐색하기 위해.
• 최적의 동적 응답을 확보하기 위해 유한요소 분 析를 사용하여 진동자 기하 구조를 설계 및 시뮬레이션하기 위해.
• CMOS 적합성을 확보하기 위해 PolyMUMPs 표면 마이크로기계 공정을 사용하여 진동자를 제작하기 위해.
• 시뮬레이션과 실험적 제작을 통한 설계 검증을 수행하기 위해.

제안 방법

• 진동자 구조의 유한요소 모델링은 진동 모드 및 주파수 응답 분 析를 위해 CoventorWare 플랫폼을 사용하여 수행되었다.
• 진동자는 반경 방향 윤곽 모드 진동을 유도하기 위해 디스크 형상을 설계하여 품질 인자와 주파수 안정성을 향상시켰다.
• 배치 생산과 CMOS 집적회로와의 호환성을 위해 PolyMUMPs 공정을 적용하였다.
• 다른 공진 구조에 비해 성능과 내구성의 비교를 위해 추가로 배치 모드를 수정한 기하 구조를 탐색하였다.
• 시뮬레이션에는 공진 주파수와 품질 인자를 예측하기 위한 모드 분석 및 주파수 응답 특성 분석이 포함되었다.
• 제작 과정은 다이아몬드형 다이아몬드 재료의 증착, 패터닝 및 에칭을 포함한 표준 표면 마이크로기계 공정 단계를 거쳤다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다이아몬드형 다이아몬드 진동자에서 반경 방향 윤곽 모드 진동을 어떻게 최적화하여 높은 품질 인자와 안정된 주파수 응답을 확보할 수 있는가?
• RQ2 기하 구조의 수정이 마이크로기계 진동자의 공진 행동과 성능에 미치는 영향는 어떠한가?
• RQ3 PolyMUMPs 공정이 고주파 진동자의 신뢰성 있고 CMOS 호환성 있는 제작을 어느 정도 가능하게 하는가?
• RQ4 CoventorWare에서의 시뮬레이션 결과와 실제 제작된 장치 성능 간의 상관관계는 얼마나 높은가?
• RQ5 마이크로기계 진동자에서 크기, 품질 인자, 제작 수율 간의 주요 설계 상충 요소는 무엇인가?

주요 결과

• 반경 방향 윤곽 모드 진동자는 낮은 에너지 손실과 안정된 주파수 작동을 나타내어 높은 품질 인자를 확보하였다.
• CoventorWare에서의 유한요소 시뮬레이션은 제작된 장치의 공진 주파수와 진동 형상에 대해 정확하게 예측하였다.
• PolyMUMPs 공정을 통해 다이아몬드형 다이아몬드 진동자의 성공적인 제작이 이루어졌으며, 표준 MEMS 제작 공정과의 호환성을 확인하였다.
• 수정된 배치 모드 진동자 기하 구조는 주파수 응답을 조절할 수 있는 잠재적인 다른 공진 행동을 보였다.
• 시뮬레이션과 제작 워크플로우의 통합을 통해 효과적인 설계 반복과 성능 검증이 가능하였다.
• 본 연구는 칩 내 센싱 및 고주파 신호 처리 응용 분야에서 마이크로기계 진동자를 활용할 수 있음을 입증하였다.