A modern MEMS resonator is a micro-scale structure operated over a high frequency range. In order to predict its resonant behavior in a design process, High-frequency response analysis (Hi-FRA) is demanded. Algebraic substructuring (AS) is known as a fast numerical technique to construct an eigenspace for FR and frequency sweep (FS) algorithm efficiently solves the frequency response system projected on the eigenspace. However, the existing FS algorithm using AS is developed for low-FRA, say over the range 1Hz-2KHz. In this work, we extend the FS algorithm using AS for FRA over an arbitrary frequency range. Therefore, it can be efficiently applied to systems operated at a high frequency, say over the range 230MHz-250MHz. The success of the proposed method is demonstrated by Hi-FRA of a checkerboard resonator.
MEMS 각속도계에서 일정한 크기와 주파수를 가지는 진동을 주기 위한 공진기 회로는 각속도계의 성능에 가장 큰 영향을 미친다. 특히 공진기 회로에서 기계구조물의 미세한 진동에 의해 발생되는 수 pico-coulomb의 전하를 증폭하는 전하증폭기와 feedback된 신호를 안정된 크기로 만들어 주는 AGC(Automatic Gain Control) 회로의 정밀도가 MEMS 각속도계의 정밀도를 결정짓는다. 본 논문에서는 전하증폭기의 실제적인 회로의 등가 회로 출력 공식을 실험을 통하여 확인하였고, 입력 신호의 주파수가 MEMS 각속도계의 설계 공진 주파수인 30kHz일 때 0.15 pC 단위까지 측정 가능함을 확인하였다. AGC회로의 경우 simulation을 통하여 동작을 확인하였고, 실제 AGC 회로를 제작하여 실험한 결과, 오실로스코프로 확인하기 어려울 정도로 안정된 출력을 얻었다.
This paper presents a robust optimal design method for a periodic structure type of MEMS resonator that is vulnerable to mode localization. The robust configuration of such a MEMS resonator to fabrication error is implemented by changing the regularity of periodic structure. For the mathematical convenience, the MEMS resonator is first modeled as a multi pendulum system. The index representing the measure of mode variation is then introduced using the perturbation method and the concept of modal assurance criterion. Finally, the optimal intentional mistuning, minimizing the expectation of the irregularity measure for each substructure, is determined for the normal distributed fabrication error and its robustness in the design of MEMS resonator to the fabrication error is demonstrated with numerical examples.
This paper presents a robust optimal design method for a periodic structure type of MEMS resonator that is vulnerable to mode localization. The robust configuration of such a MEMS resonator to fabrication error is implemented by changing the regularity of periodic structure For the mathematical convenience, the MEMS resonator is first modeled as a multi-pendulum system. The index representing the measure of mode variation is then introduced using the perturbation method and the concept of modal assurance criterion. Finally, the optimal intentional mistuning, minimizing the expectation of the irregularity measure for each substructure, is determined for the normal distributed fabrication error and its robustness in the design of MEMS resonator to the fabrication error is demonstrated with numerical examples.
One of important factors in designing array-type MEMS resonators is obtaining a desired frequency response function (FRF) within a specific range. In this paper Krylov subspace-based model order reduction using moment-matching with non-zero expansion points is represented to calculate the FRF of array-type resonators. By matching moments at a frequency around a specific range of the array-type resonators, required FRFs can be efficiently calculated with significantly reduced systems regardless of their operating frequencies. In addition, because of the characteristics of moment-matching method, a minimal order of reduced system with a specified accuracy can be determined through an error indicator using successive reduced models, which is very useful to automate the order reduction process and FRF calculation for structural optimization iterations.
MEMS 공정기법을 적용하여 새로운 형태의 LC 공진기형 자기센서를 제작하였다. 이 마이크로 LC 공진기는 솔레노이드형 마이크로인덕터에 연자성 마이크로와이어를 코어로 삽입하고 여기에 콘덴서를 병렬로 연결하여 구성하였다. 코어 자성 물질은 melt spinning 법으로 제조한 유리가 코팅된 $Co_{83.2}B_{3.3}Si_{5.9}Mn_{7.6}$ 마이크로와이어이다. 코어물질의 연자성을 개선하기 위하여 $150^{\circ}C$, $200^{\circ}C,\;250^{\circ}C,\;300^{\circ}C$ 등 여러 온도에서 1시간씩 진공 열처리하였다. MEMS 공정으로 제작된 솔레노이형 마이크로인덕터는 길이가 $500{\sim}1,000{\mu}m$ 이며 감은수는 $10{\sim}20$회이다. 외부자기장에 따른 본 마이크로인덕터의 최대 인덕턴스 변화율은 370%이었다. 초연자성 마이크로와이어의 투자율이 외부자기장에 따라 급격히 변하기 때문에 인덕턴스변화율이나 LC 공진기의 자기임피던스 변화율(MIR)이 급속하게 변한다. 최대감도를 얻기 위해서 MIR 곡선은 정교하게 조절할 수 있다. 마이크로인덕터와 멀티바이브 레어터 회로로 구성된 원형 자기센서소자를 제작하여 시험동작을 하는데 성공하였다.
In this paper, modeling of the non-ideal frequency response, especially "notch-and-spike" magnitude phenomenon and phase lag distortion, are discussed. To characterize the non-ideal frequency response, a new electro-mechanical simulation model based on SPICE is proposed using the driving loop of the capacitive vibratory gyroscope. The parasitic components of the driving loop are found to be the major factors of non-ideal frequency response, and it is verified with the measurement results.
One of important factors in designing MEMS resonators for RF filters is obtaining a desired frequency response function (FRF) within a specific frequency range of interest. Because various array-type MEMS resonators have been recently introduced to improve the filter characteristics such as bandwidth, pass-band, and shape factor, the degrees of freedom (DOF) of finite elements for their FRF calculation dramatically increases and therefore raises computational difficulties. In this paper the Krylov subspace-based model order reduction using moment-matching with non-zero expansion points is represented as a numerical solution to perform the frequency response analyses of those array-type MEMS resonators in an efficient way. By matching moments at a frequency around the specific operation range of the array-type resonators, the required FRF can be efficiently calculated regardless of their operating frequency from significantly reduced systems. In addition, because of the characteristics of the moment-matching method, a minimal order of reduced system with a prearranged accuracy can be determined through an error indicator using successive reduced models, which is very useful to automate the order reduction process and FRF calculation for structural optimization iterations. We also found out that the presented method could obtain the FRF of a $6\times6$ array-type resonator within a seventieth of the computational time necessary for the direct method and in addition FRF calculation by the mode superposition method could not even be completed because of a data overflow with a half after calculation of 9,722 eigenmodes.
전자기력을 이용하여 탐침형 정보저장장치의 미디어를 제어할 수 있는 초정밀 구동기를 제작하였다. 탐침형 정보저장장치는 데이터 비트의 크기가 10nm 수준이고, 단일 캔틸레버가 점유하는 영역의 크기가 수십 ${\mu}m$${\times}$수십${\mu}m$ 수준이므로, 미디인 구동기는 수 nm의 위치 정확도 및 수십 ${\mu}m$ 수준의 변위 그리고 100Hz이상의 공진 주파수를 확보하여야한다. 본 연구에서 제작한 탐침형 정보저장장치의 미디어 구동기는 고저항 Si wafer 표면을 Deep RIE로 patterning한 후 그 내부를 도금으로 채워 구리 코일을 형성하고 이를 영구자석과 결합시킨 후, 구리 코일에 전류를 흘려 미디어를 구동하는 방식이다. 사용된 영구자석은 SmCo 자석이며 코일의 폭은 $100{\mu}m$이고 간격은 $20{\mu}m$, 높이는 $70{\mu}m$로 결정하였으며, 100Hz 이상의 공진 주파수를 확보하기 위하여 스프링 재질은 구리보다 상대적으로 stiff한 Si을 사용하였다. 미디어의 크기는 $20{\times}20mm^2$, 전체 구동기의 크기는 $30{\times}30mm^2$이며 측정결과 최대변위는 140mA 인가 시 약 ${\pm}127{\mu}m$이다.
The high vacuum hermetic sealing technique ensures excellent performance of MEMS resonators. For the high vacuum hermetic sealing, the customization of anodic bonding equipment was conducted for the glass/Si/glass triple-stack anodic bonding process. Figure 1 presents the schematic of the MEMS resonator with triple-stack high-vacuum anodic bonding. The anodic bonding process for vacuum sealing was performed with the chamber pressure lower than 5 × 10-6 mbar, the piston pressure of 5 kN, and the applied voltage was 1 kV. The process temperature during anodic bonding was 400 ℃. To maintain the vacuum condition of the glass cavity, a getter material, such as a titanium thin film, was deposited. The getter materials was active at the 400 ℃ during the anodic bonding process. To read out the electrical signals from the Si resonator, a vertical feed-through was applied by using through glass via (TGV) which is formed by sandblasting technique of cap glass wafer. The aluminum electrodes was conformally deposited on the via-hole structure of cap glass. The TGV process provides reliable electrical interconnection between Si resonator and aluminum electrodes on the cap glass without leakage or electrical disconnection through the TGV. The fabricated MEMS resonator with proposed vacuum packaging using three-layer anodic bonding process has resonance frequency and quality factor of about 16 kHz and more than 40,000, respectively.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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