Vertical comb-drive actuators for millimeter waveguide applications

167 Pages·2014·60.94 MB·English

Diss.ETHNo. 21727
Vertical comb-drive actuators for
millimeter waveguide applications
Adissertationsubmittedto
ETH ZURICH
forthedegreeof
Doctor of Sciences
presentedby
Li Yunjia
LaureaSpecialisticainNanotecnologieperleICT
bornJune13,1984
citizenofP.R.China
acceptedontherecommendationof
Prof. Dr. ChristoferHierold,examiner
Prof. Dr. FarrokhAyazi,co-examiner
Prof. Dr. ChristianHafner,co-examiner
2014
ii
DocumenttypesetbytheauthorusingtheLATEX2ε systemandtheKOMA-Script
documentclassscrbook.
Copyright©2014LiYunjia,Zürich

Realknowledgeistoknowtheextentofone’signorance.
-Confucius
Tomyparents
v

Abstract
Millimeter wave refers to the electromagnetic wave in the frequency range
between30and300GHzandcorrespondingwavelengthsbetweenfrom10and
1millimeter. Duetoitsveryhighfrequency,thetransmissionofmillimeterwave
oftensuffersfromfreespacelossandatmosphericabsorption. Waveguide-based
componentsarefavorableinthisfrequencyrangebecausethetransmittedwave
isconfinedinanenclosedspace,givingrisetoadvantagesoflowdissipativeloss,
highpower-handlingcapacity,andnoneedforwaveguide-to-planartransitions.
Asthemillimeterwavecomponentsmustmatchapproximatelythewavelength
ofthetransmittedRFsignal,itispromisingtointegrateMicroelectromechanical
Systems(MEMS)intomillimeterwaveguidesintermsofthelowloss, hightun-
abilityandlowcost. Inthiswork,aseriesofnovelverticalcomb-driveactuators
are designed and fabricated to generate large torsional movement at low actu-
ation voltage. The actuators are mounted onto various millimeter waveguides,
realizingthefunctionsofavariablepowerdividerandatunablephaseshifter.
Fabricationprocessesaredevelopedtoimplementtheactuatorsforthiswork.
The fabrication processes are based on a generic bulk micromachining techno-
logy that includes multiple steps of photolithography, wafer bonding, dry etch-
ing, and physical vapor deposition (PVD). Several specific steps of the generic
flowfortherotorandstatorlayersareadaptedtorealizeeitherahigheryieldor
betterRFperformance. Theresultsofimportantfabricationparametersarealso
measuredandstudied.
A first proof-of-concept demonstrator implemented is a micro tilting plate
device, for the application as variable ratio RF power divider. The device fea-
turesanrectangularSU-8suspensionandaleverstructuretoincreasethestatic
deflectionoftheactuator. Atopmetallayerisintegratedintothedeviceforsteer-
ingtheRFsignalandinterconnectingthewaveguide. Themechanicalresonance
frequencyofthetorsionalmodeofthedeviceis369Hz, andthestaticmeasure-
mentsshowthatthemicroplatecanachievedeflectionanglesbetween5.2◦ and
5.9◦ with a DC actuation voltage of 30 V. RF signal transmission shows that a
variablepowersplituptoaratioofmorethan1:2ismeasuredat82.5GHzwhilst
keeping the amount of dissipated power below 25%. The device is observed to
havesidepull-infailuresatvoltagesover30Vduetothelackofin-panestability.
Asanextstep,inordertoobtainlowtorsionalstiffnessandhighin-planestabil-
ity, a novel vertical comb-drive actuator with large static deflection is designed
and fabricated for application as a tunable millimeter-wave phase shifter. The
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MEMS device is composed of a pair of interdigitated micro-plates actuated in-
dependentlybystaggeredverticalcomb-drivesandsuspendedbysoftSU-8tor-
sionalsprings. SU-8springswithbothrectangularandreversed-Tcross-sections
arepresented.Thedevicewithrectangularspringcanachieveamaximumdeflec-
tionof7.8◦ with22.5Vactuationvoltage, whereasthedevicewithareversed-T
springcanachieveamaximumdeflectionof10.3◦ atanactuationvoltageof35V.
Lateralandverticalmovementsofthecomb-driveareobservedduringthestatic
torsional operation of the actuators. The maximum lateral and vertical move-
ment of the device with rectangular spring is 6.47 µm and 1.78 µm at an actu-
ationvoltageof22.5V(correspondingtoatorsionaldeflectionof7.38◦);whereas
the maximum lateral and vertical shift observed for the T-spring device is 3.23
µmand1.72µmatanactuationvoltageof30V(correspondingtoatorsionalde-
flection of 8.46◦). The results demonstrated that reverse-T shaped cross-section
ofthespringenablesthelowtorsionalstiffnessandhighin-planestabilitycom-
pared to the rectangular cross-section. A high cycle test is conducted, and the
actuator could withstand 800 million cycles of operation without failure or fa-
tigue. ThefabricatedMEMSactuatorismountedintoametallicwaveguideand
itsRFperformanceismeasured. Atmechanicaldeflectionangleof8.2◦, atrans-
missionphaseshiftof58.0◦ isrealizedwithaninsertionlossof5.1dBat98GHz,
correspondingtoafigureofmeritof11.5◦/dB.
When the actuator is operating under static load, the viscoelastic behavior of
SU-8 spring induces angle drift over time (creeping). The torsional viscoelastic
creeping and recovery of the SU-8 spring are studied at 3 different stress levels.
Amaximumcreepof0.43◦ isobservedunderaconstantstressof8.3MPawithin
1hour.Acapacitivereadoutcircuithasbeendesignedandimplementedtosense
theangularchangeofthecomb-driveactuator. Thecircuitisabletoactuateand
sense the capacitance change by the same comb-drive actuators, with a resolu-
tion of around 0.03◦ (corresponding to a capacitance resolution of 0.05 pF). The
readoutcapacitanceisthenusedastheinputforaPIcontroller,whichhasbeen
proventobeeffectiveincounterbalancingthecreepingoftheSU-8spring.ThePI
controlleristunedbyZiegler-Nicholsmethodsandhasasettlingtimeofaround
2.3 s for the output. It shows also good agreement to the Simulink simulation
(with 0.2 s difference). With the controller, a total deflection angle increase of
0.06◦in1hourisobtainedatastresslevelof8.3MPa,comparedtothe0.43◦creep
withtheopenloopoperation.ItindicatesthatthePIcontrolleriseffectiveinelim-
inatingtheangledriftinducedbyviscoelasticcreeping.
viii
Zusammenfassung
EineMillimeterwelleistelektromagnetischeWelleimFrequenzbereichzwischen
30und300GHzundentsprichteinerWellenlängezwischen10und1Millimeter.
Aufgrund ihrer sehr hohen Frequenz, ist die Transmission von Millimeterwel-
len oft mit Freiraumverlusten und atmosphärischer Absorption verbunden. In
diesem Frequenzbereich ist die Anwendung von wellenleiterbasierten Kompo-
nenten von Vorteil, da die transmittierte Welle auf einen umschlossenen Raum
begrenz ist. Dies führt zu kleinen dissipativen Verlusten, ermöglicht hohe Ener-
giedichten, sowie das Entfallen der Umwandlung zwischen Wellenleitern und
planarenTechnologien.DadieKomponentenderMillimeterwellenungefährder
Wellenlänge des transmittierten Hochfrequenz (HF)- Signals entsprechen müs-
sen,istdieIntegrationvonMikroelektromechanischenSystemen(MEMS)alsakti-
veElementeindieMillimeterwellenleiteräusserstvielversprechend.Diesbringt
unteranderemVorteilebezüglichkleinenVerluste,einerflexiblenEinstellbarkeit
sowieniedrigenKosten.ImRahmendieserArbeitwirdeineSerievonneuartigen
Kammfingeraktuatorenentwickeltundhergestellt,mitdemZielgrosseTorsions-
bewegungen mit kleiner Aktuierungsspannung zu generieren. Die Aktuatoren
werden in verschiedene Millimeterwellenleiter eingebaut, wobei ein variabler
LeistungsteilerundeineinstellbarerPhasenschieberrealisiertwerden.
Fabrikationsprozesse für die Implementierung der präsentierten Aktuatoren
werdenentwickelt.DerFabrikationsprozessbasiertaufdergenerischenTechno-
logie der Bulkmikromechanik, welche aus mehreren Schritten der Fotolithogra-
phie, Wafer Bonden, Trockenätzen sowie physikalischen Dampfphasenabschei-
dung (PVD = Physical Vapor Deposition) besteht. Mehrere spezifische Schrit-
te des allgemeinen Prozessablaufs werden für die Rotor- und Statorschichten
zwecks höherer Ausbeute sowie besserer HF- Leistung optimiert. Die Einflüs-
sederwichtigenFabrikationsparameterwerdenebenfallsuntersuchtunddisku-
tiert.AlsMachbarkeitsnachweisdesvorgestelltenKonzepteswirdeinersterDe-
monstratormiteinemMikrokippelementalsvariablerHF-Leistungsteilerimple-
mentiert. Das Element weist eine rechteckige SU-8 Aufhängung sowie eine He-
belstrukturzurErhöhungderstatischenAuslenkungdesAktuatorsauf.Einein-
tegrierteOberflächenmetallbeschichtungdientderAnsteuerungdesHF-Signals
und der Verbindung zum Wellenleiter. Die mechanische Resonanzfrequenz des
Kippelements im Torsionsmodus beträgt 369 Hz. Bei einer angelegten Aktuie-
rungsspannung von 30 V DC, liegen die erreichten statischen Kippwinkel der
Mikroplattezwischen5.2◦ und5.9◦.BeieinerFrequenzvon82.5GHzwirdeine
ix
variableLeistungsteilungdestransmittiertenHF-SignalsbiszueinemVerhältnis
von über 1:2 erreicht. Dabei bleibt die Verlustleistung unterhalb von 25 %. Bei
einerangelegtenSpannungvonüber30VversagendieBauelementeaufgrundei-
nesseitlichenPull-ins,versursachtdurchmangelndeplanareSteifigkeitderAuf-
hängung.
Um eine tiefe Torsionssteifigkeit und zugleich hohe planare Stabilität zu
erreichen, wird in einem nächsten Schritt ein neuartiger, strukturvertikaler
Kammfingeraktuator mit grosser statischer Auslenkung entwickelt und fabri-
ziert. Diese Struktur ist für die Anwendung als einstellbarer Millimeterwellen -
Phasenschieberausgelegt.DasMEMSBauelementbestehtauszweifingerartigin-
einandergreifenden Mikroplatten, welche durch unabhängige, vertikale Kamm-
fingeraktuatorenangetriebenwerdenundaufweichenSU-8Torsionsfedernauf-
gehängt sind. SU-8 Federn mit rechteckigem und umgekehrtem T Querschnitt
werdenvorgestellt.DasBauelementmitrechteckigenFedernkanneinemaxima-
leAuslenkungvon7.8◦beieinerangelegtenSpannungvon22.5Verreichen.Das
Element mit umgekehrten T Federn erzielt jedoch eine maximale Auslenkung
von10.3◦beieinerAktuierungsspannungvon35V.DielateraleundvertikaleBe-
wegungdesKammaktuatorswerdenwährendderstatischenTorsionuntersucht.
Die maximale laterale und vertikale Bewegung des Bauelements mit rechtecki-
gen Federn beträgt 6.47 µm and 1.78 µm bei einer angelegten Spannung von
22.5 V (entspricht einer Torsionsauslenkung von 7.38◦). Die maximale laterale
und vertikale Verschiebung bei den Federn mit umgekehrtem T Querschnitt ist
nur3.23µmand1.72µmbeieinerAktuierungsspannungvon30V(entsprichtei-
nerTorsionsauslenkungvon8.46◦).DieseResultatedemonstrierendietiefereTor-
sionssteifigkeitsowiediehöhereplanareStabilitätderFedernmitumgekehrtem
TQuerschnittimVergleichzudenrechteckigenFedern.EinerunterDauerschwin-
gung beanspruchter Aktuator hält 800 Millionen Operationszyklen ohne Versa-
gen oder nachweisbare Ermüdung aus. Der hergestellte MEMS Aktuator wird
ineinenmetallischenWellenleitereingebautundaufseineHF-Leistunggeprüft.
Bei 98 GHz und einem mechanischem Verkippungswinkel von 8.2◦, kann eine
Phasenverschiebungvon58.0◦mit5.1dBEinfügungsdämpfungerreichtwerden.
DiesentsprichteinerGütezahlvon11.5◦/dB.
WennderAktuatorunterstatischerLastbetriebenwird,führtdasviskoelasti-
scheVerhaltenderSU-8FedermitderZeitzueinerWinkelabweichung(Kriech-
verhalten). Das viskoelastische Torsionskriechen sowie die Erholung der SU-8
FedernwerdenbeidreiverschiedenenBeanspruchungsgradenuntersucht.Nach
einereinstündigenkonstantenBelastungmit8.3MPa,wirdeinmaximalesKrie-
chen von 0.43◦ beobachtet. Eine kapazitive Ausleseschaltung wird entwickelt
und implementiert, um die Winkelveränderung des Kammfingeraktuators zu
detektieren. Die Schaltung kann mit einer Auflösung von ca. 0.03◦ (entspricht
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