Noise considerations, Practical MEMS ד " ר דן סתר תכן וייצור התקנים...

Noise considerations, Noise considerations, Practical MEMSPractical MEMS

ד"ר דן סתר תכן וייצור התקנים מיקרומכניים

MEMS RG – Case StudyMEMS RG – Case Study

ד"ר דן סתר רעש במיקרומערכות הנדסת מיקרומערכות

מנגנוני רעש ומנגנוני ריסון במיקרומערכותמנגנוני רעש ומנגנוני ריסון במיקרומערכות

ד"ר דן סתר רעש במיקרומערכות הנדסת מיקרומערכות

ד"ר דן סתר רעש במיקרומערכות הנדסת מיקרומערכות

ד"ר דן סתר רעש במיקרומערכות הנדסת מיקרומערכות

ד"ר דן סתר תכן וייצור התקנים מיקרו מכניים

Practical MEMS & Case StudiesPractical MEMS & Case Studies

** Drawing MEMS StructuresDrawing MEMS Structures

** Some theoretical problems and their solutionsSome theoretical problems and their solutions

* Case Studies: - The Inkjet, TI’s DMD* Case Studies: - The Inkjet, TI’s DMD

ד"ר דן סתר תכן וייצור התקנים מיקרו מכניים

Drawing MEMS Drawing MEMS StructureStructure

Microsample Testing Lab.Chung-Seog Oh04/09/2002

ד"ר דן סתר תכן וייצור התקנים מיקרו מכניים

MUMPs ProcessMUMPs Process

Design Rules– 14 mandatory rules– Light field vs. Dark field

Light field: Draw the feature-the object you want left behind after the etch.

– Poly0, Poly1, Poly2, Metal

Dark field: Draw the holes-the areas you want to etch away.

– Anchor1, Dimple, Poly1_Poly2_Via, Anchor2, Hole0, Hole1, Hole2, Holem

ד"ר דן סתר תכן וייצור התקנים מיקרו מכניים

Very Important

By LinkCAD

ד"ר דן סתר תכן וייצור התקנים מיקרו מכניים

Using AutoCAD for MEMSUsing AutoCAD for MEMS Basic procedures

① Sketch your own structure in the graph paper

② Get the (x, y) coordinates of your drawing

③ Draw it by AutoCAD

④ Save it in the format of DWG• Standard file format for saving vector graphics within

AutoCAD

⑤ Save it in the format of DXF An ASCII or binary file format of an AutoCAD drawing file

for exporting AutoCAD drawings to other applications or for importing drawings from other applications.

Drawing Interchange Format

⑥ Convert from DXF to GDS by LinkCAD

⑦ View the final GDS file by CleWin and correct the original DWG file by AutoCAD

ד"ר דן סתר תכן וייצור התקנים מיקרו מכניים

Layer settingLayer setting

ד"ר דן סתר תכן וייצור התקנים מיקרו מכניים

Example 1: Biaxial Specimen

1) MUMPs®

2) BulkMicromachining

Double thicknessstructure2 m Poly1 +1.5 m Poly2 =3.5 m PolyStructure

ד"ר דן סתר תכן וייצור התקנים מיקרו מכניים

Example 2: Thermal Actuator

1) MUMPs®

2) SurfaceMicromachining

Single thickness structure: 2 m Poly1

ד"ר דן סתר תכן וייצור התקנים מיקרו מכניים

Introduction to LinkCADIntroduction to LinkCAD Role

– LinkCAD converts all of the following formats: GDS-II Stream GDS-TXT DXF (AutoCAD compatible) Gerber RS-274X CIF PostScript (suitable for mask generation) IE3D Electromagnetic Simulator LASI TLC, Compass, ASCII, Binary Die Format

Calma GDS-IITM format– GDS II is the standard file format for transferring / archiving 2D

graphical design data.

ד"ר דן סתר תכן וייצור התקנים מיקרו מכניים

Free demo version available: limited time(15 days)

File converting example– Launch AutoCAD and open a file and save it as

DXF format– Launch LinkCAD

Select DXF to GDS-II 1DXF unit = 1 mm Set mnemonic level name into GDS level number Convert You’ll get the GDS-II File

ד"ר דן סתר תכן וייצור התקנים מיקרו מכניים

Introduction to CleWinIntroduction to CleWin Role

– View graphic files– Identify wrong points

Directions– Easy to use– Very straightforward

File formats– CIF(.cif), GDS-II(.gds), AutoCAD DXF(.dxf), …

Useful key– Right mouse button: toggle the selected layer

Free demo version available: unlimited time

ד"ר דן סתר תכן וייצור התקנים מיקרו מכניים

Some Theoretical Problems & Their Some Theoretical Problems & Their SolutionsSolutions

1. Design a process flow and mask set to fabricate a cantilever beam. You should use one dark field mask, and one clear field mask. The finished cross section should look like this:

Kristofer S.J. Pister

Berkeley Sensor and Actuator Center

UC Berkeley

Solution:Solution:

ד"ר דן סתר תכן וייצור התקנים מיקרו מכניים

Case Study I: TICase Study I: TI’’s DMDs DMD

ד"ר דן סתר הנדסת מיקרומערכות

Case Study II – Micro-Inertial SensorCase Study II – Micro-Inertial Sensor::Design, Development, Fabrication and Design, Development, Fabrication and

PerformancePerformanceGeneral:N. Yazdi, F.Ayazi, K. Najafi:”Micromachined Inertial Sensors” Proc. IEEE, Vol.86, August 1998, pp.1640 – 1660.

Present Topic:O. Degani, D. Seter, E. Socher, S. Kaldor and

Y.Nemirovsky, “Optimal Design and Noise Consideration of Micromachined Silicon Vibrating Rate Gyroscope with Modulated Integrated Optical Sensing”, IEEE J. MEMS, Vol.7 No.3, September 1998, pp.329-338.

 O. Degani, D. Seter, E. Socher, S. Kaldor and Y. Nemirovsky, “Micromachined Accelerometer with Modulated Integrative Differential Optical Sensing”, Elec. Letters, April 1998, 34(7), pp.654-655.

O. Degani, E. Scher, A. Lipson, T. Leither, Y. Nemirovsky, D. Seter and S. Kaldor, ”Pull-In Study of an Electrostatic Torsion Micro-Actuator”, IEEE J. MEMS, Vol. 7, No. 4, December 1998, pp.373-379.

Seter D. J. , Degani O., Socher E., Kaldor S., Scher E. and Nemirovsky Y.,”Characterization of a Novel Micromachined Optical Vibrating Rate-Gyroscope”, AIP-Review of Scientific Instruments, Vol. 70, No.2, February 1999.

D. Seter, S. Kaldor, “Micro Rate Sensors in CMOS Technology”, 4th Kolloquium “Mikro-und-Nanotechnologie", 26 November 1997, Technical University of Wien. Also published in Automation und MeStechnik, 4/1998, pp.185-191.

S. Kaldor and D. Seter,”Micromechanics - Challenges in an Emerging Technology”, The 27th Conference on Mechanical Engineering, May 19-20, 1997, Technion, I.T.T.

D. Seter, M. Hershkovitz and S. Kaldor, “On the Gap Between Design and Implementation of MEMS”, CIRP General Assembly, August 24-26, 1998, Athens (Greece), CIRP Annals, Vol 47/1.

D. Seter, S. Kaldor, E. Scher, J. Rosenberg, O. Degani and Y. Nemirovsky,”Micromechanical Vibrating Inertial Sensors with Integrated Optical Sensing”, Symposium Gyro Technology, September, 15-16, 1998, Universitat Stuttgart, Stuttgart (Germany).

 Degani-Bochobza O., Seter D.J., Socher E., Kaldor S., Scher E., Nemirovsky Y., “Comparative Study of Novel Micromachined Acceleromers Employing MIDOS”, IEEE MEMS-99 International Meeting, Orlando USA, 17-21 January 1999.

 O. Bochobza-Degani, D.J. Seter, E. Socher and Y. Nemirovsky,”A Novel Micromachined Vibrating Rate-Gyroscope with Optical Sensing and Electrostatic Actuation”,Proc. Transducer’s 99, 7-11 June, 1999, Sendai - Japan.

ד"ר דן סתר הנדסת מיקרומערכות

- - מתודולוגיה של הנדסת מיקרומערכותמתודולוגיה של הנדסת מיקרומערכותסיכוםסיכום

Physical Model

Micromechanical Realization

Microsystem Model

& PerformanceCost

Estimation

Microsystem

Packaging

ToleranceModel

NoiseConsiderations

PerformanceModel

FabricationTechnology

ActuationMethod

Sensing

MethodEnergySource

, Mechanical, ElectronicalNumerical- Interface

Dynamics

Results

ד"ר דן סתר הנדסת מיקרומערכות

העקרון הפיסיקליהעקרון הפיסיקלי

Kz

Cz

Kx

Cx

Input Rate

Output

X

Z

mz

Actuation

Z(t)

Zm z2

ד"ר דן סתר הנדסת מיקרומערכות

מסת בוחן

הצללהX0=Wd/2

גלאיאופטי

גלאיאופטי

הארה מקבילה

מבט - צד

שיטות עירור וחישהשיטות עירור וחישה

ד"ר דן סתר הנדסת מיקרומערכות

טכנולוגיות ייצור וקונספטטכנולוגיות ייצור וקונספט

O. Degani:”Investigation of microelectromechanical Systems Incroporating Modulated Integrative Differential Optical Sensing” – Msc Thesis, Technion, May 1999

התקנים היברידיים:

VLSIשבב •

•Bulk Micromachining

•Anizotropic Etching

התקנים היברידיים:

VLSIשבב •

•Bulk Micromachining

•Anizotropic Etching

P75

ד"ר דן סתר הנדסת מיקרומערכות

e0

e F

em

rocg

rFcg

roF

cg

M, I

FeTe

Ki

Cj

i=1…Nb

j=1…Nde Pi

e Fi

Pi

Fi

Investigation of the Dynamics of Microdevices – as a Design ToolInvestigation of the Dynamics of Microdevices – as a Design ToolD. J. Seter*, O. Degani**, S. Kaldor*, E. Scher* and Y. Nemirovsky**

eocg Fr

dt

dm

2

2e

m THdt

d

עומסים חיצונייםעומסים חיצוניים

כוח עירור אלקטרוסטטי

מנגנוני ריסון

עומסים חיצונייםעומסים חיצוניים

כוח עירור אלקטרוסטטי

מנגנוני ריסון

מודל מערכתמודל מערכתדינמיקהדינמיקה

ד"ר דן סתר רעש במיקרומערכות הנדסת מיקרומערכות

ד"ר דן סתר רעש במיקרומערכות הנדסת מיקרומערכות

ד"ר דן סתר הנדסת מיקרומערכות

מקורות מקורות רעש אלקטרוניקהרעש רעש

רעש מקורות האור

רעש גלאים

רעש מכנו-טרמי

רעש אלקטרוניקה

רעש מקורות האור

רעש גלאים

רעש מכנו-טרמי

רעש רעש אנליזתאנליזת

ד"ר דן סתר הנדסת מיקרומערכות

מכניקה: סטטיקה, •דינמיקה, תנאי סביבה

רעשים, אלקטרוניקה:•רגישויות

טכנולוגה: טולרנסים •בייצור

חיזוי ביצועים•

מכניקה: סטטיקה, •דינמיקה, תנאי סביבה

רעשים, אלקטרוניקה:•רגישויות

טכנולוגה: טולרנסים •בייצור

חיזוי ביצועים•

מודל מערכתמודל מערכת

**חקירת הדינמיקה של מיקרוג'ירו רוטטחקירת הדינמיקה של מיקרוג'ירו רוטט

* MSc Thesis – Mr. Arie Elka

x

y

h0

L

θ(t)

,m J

, , ,E I A

y(t)

ד"ר דן סתר הנדסת מיקרומערכות

מודל שתי דרגות חופשמודל שתי דרגות חופש

ד"ר דן סתר הנדסת מיקרומערכות

מודל מרובה דרגות חופשמודל מרובה דרגות חופש

פילוג המטענים על פני האלקטרודה אופני התנודה החופשית

של ההתקן

ד"ר דן סתר הנדסת מיקרומערכות

סימולציה דינמית – סימולציה דינמית – תדירויות עצמיות ומודים עצמייםתדירויות עצמיות ומודים עצמיים

ניסויים: מדידת תדירויות ניסויים: מדידת תדירויות עצמיות עצמיות

  PI mrad] VPI [V]

Calculation 3.1 48

Simulation 2.9 47.5

Deviation % 6.4 1

  n [KHz[ ny [KHz]

Measured 1.992 3.224

ADAMS 2.212 3.218

Present Model 2.086 3.001

ביצוע ניסויים וחקירה פרמטריתביצוע ניסויים וחקירה פרמטרית

ד"ר דן סתר הנדסת מיקרומערכות

ד"ר דן סתר הנדסת מיקרומערכות

תגובת התדירות כתלות בלחץ הסביבה

DC=3 [Volt]

DC=1 [Volt]

DC=1 [Volt]

DC=3 [Volt]

תגובת התדירות כתלות ברמות תדירויות ראשונות2המתח –

ד"ר דן סתר הנדסת מיקרומערכות

ב י צ ו ע י ם: מדידת תאוצהב י צ ו ע י ם: מדידת תאוצה

ב י צ ו ע י ם: מדידת מהירות זוויתיתב י צ ו ע י ם: מדידת מהירות זוויתית

Down Axis

A-B (Vin ref)

y = 0.2241x - 0.1931Non Linearity=0.8%

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100

Rate [deg/s]

Y[m

V]

Up Axis

A-B (Vin ref)

y = -0.1968x - 13.771Non Linearity = 0.4%

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100

Rate [deg/s]

Y[m

V]

ד"ר דן סתר הנדסת מיקרומערכות