TR2021016171T - FIBER OPTIC MEMS MICROPHONE - Google Patents
FIBER OPTIC MEMS MICROPHONEInfo
- Publication number
- TR2021016171T TR2021016171T TR2021/016171 TR2021016171T TR 2021016171 T TR2021016171 T TR 2021016171T TR 2021/016171 TR2021/016171 TR 2021/016171 TR 2021016171 T TR2021016171 T TR 2021016171T
- Authority
- TR
- Turkey
- Prior art keywords
- membrane
- mems
- fiber optic
- microphone
- laser
- Prior art date
Links
- 239000000835 fiber Substances 0.000 title claims abstract description 71
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims abstract description 165
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims abstract description 13
- 238000013461 design Methods 0.000 claims description 46
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims description 21
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 19
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 claims description 16
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims description 12
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 9
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 9
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 9
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 8
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims description 7
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 7
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 6
- 229910000530 Gallium indium arsenide Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 3
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 abstract description 22
- 230000004044 response Effects 0.000 description 35
- 238000000034 method Methods 0.000 description 20
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 11
- 229920005591 polysilicon Polymers 0.000 description 11
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 9
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 9
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 9
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 6
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 6
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 5
- VRBFTYUMFJWSJY-UHFFFAOYSA-N 28804-46-8 Chemical compound ClC1CC(C=C2)=CC=C2C(Cl)CC2=CC=C1C=C2 VRBFTYUMFJWSJY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 241000958526 Cuon alpinus Species 0.000 description 3
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 3
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000011160 research Methods 0.000 description 3
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 description 3
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 3
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 238000001312 dry etching Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 230000036039 immunity Effects 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 2
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920000147 Styrene maleic anhydride Polymers 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000001186 cumulative effect Effects 0.000 description 1
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 description 1
- 230000023077 detection of light stimulus Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 238000002847 impedance measurement Methods 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 238000013532 laser treatment Methods 0.000 description 1
- 238000013332 literature search Methods 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 210000005036 nerve Anatomy 0.000 description 1
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 1
- 230000010255 response to auditory stimulus Effects 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 230000005236 sound signal Effects 0.000 description 1
- 238000012732 spatial analysis Methods 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 1
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 description 1
- 238000001039 wet etching Methods 0.000 description 1
Abstract
Buluş, optik fiberde yayılan optik enerjinin fotodiyot çipi ile elektrik enerjisine dönüştürülmesi yoluyla elektriksel bükülebilir MEMS membrana sahip fiber optik MEMS mikrofon ile ilgilidir.The invention relates to a fiber optic MEMS microphone with an electrically bendable MEMS membrane by converting the optical energy emitted in the optical fiber into electrical energy by the photodiode chip.
Description
TARIFNAME FIBER OPTIK MEMS MIKROFON TEKNIK ALAN Bulus, optik fiberde yayilan optik enerjinin fotodiyot çipi ile elektrik enerjisine dönüstürülmesi yoluyla elektriksel bükülebilir MEMS membrana sahip fiber optik MEMS mikrofon ile ÖNCEKI TEKNIK Ses dalgalarini elektrik sinyallerine çeviren aygitlar olan mikrofonlar MEMS teknolojisi ile gelistirilmektedir. MEMS mikrofonlar, ivmelenmeye karsi dirençleri, düsük enerji tüketimi, uzun süreli dengeli performanslari, yüksek hassasiyetleri ve küçük boyutlari ile tasinabilir teknolojilerde kullanim için ideal hale gelmistir. MEMS fiber optik mikrofonlar, elektromanyetik etkilere karsi dayanikli olduklari için dagitik sensör aglarinda ve tehlikeli endüstriyel ortamlarda kullanilmaktadir. Çok düsük kayipli fiber optik kablolar ile kilometrelerce uzaga tasinabilmektedirler. MEMS tabanli fiber optik mikrofon arastirmalari ile akademik ve endüstriyel literatürdeki patentler incelendiginde MEMS aygitlarinin aktif gerilim uygulanmadan pasif olarak çalistirildigi ve çalisirken hassasiyetlerinin sinirli ve sabit oldugu görülmektedir. Ticari erisilebilir mikroelektromekanik sistem (MEMS) mikrofonlarmda, duyulabilir frekans araliginin (20 Hz - 20 kHz) tespiti, akim/gerilim veya kapasitif ölçümler gibi bazi elektriksel ölçümler yoluyla gerçeklestirilmektedir. Bu ölçümler, sistemin ve ortamin elektriksel gürültüsüne karsi hassastir. Ayrica bu mikrofonlar, yüksek sicaklik ve yüksek basinç gibi zor çevresel kosullarda dogru sonuçlar vermemektedir. Fiber optik sensörler, sicaklik, titresim, basinç, kirilma indisi algilama için çok çesitli algilama uygulamalarinda kullanilmaktadir. Dissal Fabry-Perot interferometresi ile fiber optik algilamaya dayali mikroelektromekanik sistem (MEMS) teknolojisini kullanmak, yüksek frekansli ultrasonun yüksek hassasiyetli algilamasini saglamaktadir. Günümüzde bazi uygulamalarda kondensatör mikrofonlar yerine fiber optik mikrofonlar tercih edilmektedir. Geleneksel kondensatör mikrofon, daha fazla sinyal isleme için bir yüksek giris empedansli önyükseltecin gerekliliginden dolayi bir yüksek empedansli aygittirl. Kondansatör mikrofon için, bu ek yüksek empedansli önyükselteç, bazi karmasik elektronik tasarimlar için bile mikrofonun performansini azaltan tasarimda ek bir yüktür. Ek olarak, kablo kapasitanslari nedeniyle, mikrofon ve alici elektronigi arasindaki mesafe çok küçük olmalidir, bu da mikrofonun sinirli bir alanda uygulanmasini kisitlar. Fiber optik MEMS mikrofon, tasarimda kullanilan tüm elektronik bilesenler sensör probunun disinda tutuldugundan elektromanyetik girisime karsi çok yüksek bagisikliga sahiptir'. MEMS teknolojisinin temel avantaji, temel olarak membranin boyutunu ayarlayarak istenen cevap araligini, bant genisligini ve hassasiyeti elde etme esnekligi sunmasidirliz. Ayrica fiber optik mikrofonlarda faz ve siddet modülasyonu olmak üzere iki farkli yöntem kullanilmaktadir. Faz modülasyonu teknigi, ölçüm araligi ve dayaniklilik göz önüne alindiginda daha iyi performans saglamaktadirzß. Bu nedenlerle, duyulabilir frekans araligi tespiti için bir MEMS mikrofonu tasarlamanin yeni bir yolunu bulma gerekliligi ortaya çikmistir. Ses dalgalarini algilama yöntemi olarak isigin kullanilmasinin, ses dalgalarini elektriksel olarak algilayan mikrofonlara göre çok daha iyi performans sagladigi gösterilmistir4. DESCRIPTION FIBER OPTIC MEMS MICROPHONE TECHNICAL FIELD The invention is the conversion of optical energy emitted in optical fiber into electrical energy by photodiode chip. with a fiber optic MEMS microphone with an electrically bendable MEMS membrane. PRIOR ART Microphones, which are devices that convert sound waves into electrical signals, are equipped with MEMS technology. is being developed. MEMS microphones, resistance to acceleration, low energy consumption, portable with their long-term stable performance, high sensitivity and small size It has become ideal for use in technologies. MEMS fiber optic microphones, They are used in distributed sensor networks and dangerous used in industrial environments. With very low loss fiber optic cables They can be transported many kilometers away. With MEMS-based fiber optic microphone research When the patents in the academic and industrial literature are examined, the active voltage of MEMS devices are operated passively without being applied and their sensitivity is limited and constant while working. is seen. In commercial accessible microelectromechanical system (MEMS) microphones, detection of the audible frequency range (20 Hz - 20 kHz), current/voltage or capacitive measurements It is carried out by some electrical measurements such as These measurements are based on the system and environment. sensitive to electrical noise. In addition, these microphones are suitable for high temperature and high It does not give accurate results in difficult environmental conditions such as pressure. fiber optic sensors, in a wide variety of sensing applications for temperature, vibration, pressure, refractive index sensing is used. Based on fiber optic sensing with Dissal Fabry-Perot interferometer Using microelectromechanical system (MEMS) technology, high frequency ultrasound It provides high precision detection. In some applications today, the capacitor Fiber optic microphones are preferred instead of microphones. conventional capacitor The microphone is powered by a high input impedance preamplifier for more signal processing. It is a high-impedance device because of its necessity. For condenser microphone, this attachment The high-impedance preamplifier allows the microphone to be used even for some complex electronic designs. It is an additional burden in the design that reduces its performance. In addition, due to cable capacitances, The distance between the microphone and the receiver electronics should be very small, which means that the microphone restricts its application in one area. Fiber optic MEMS microphone, all used in the design against electromagnetic interference as electronic components are kept out of the sensor probe has very high immunity'. The main advantage of MEMS technology is mainly that the membrane achieve the desired response range, bandwidth and sensitivity by adjusting the size We offer flexibility. In addition, phase and intensity modulation in fiber optic microphones. Two different methods are used. The phase modulation technique, measuring range and It provides better performance when durability is taken into account. For these reasons, A new way to design a MEMS microphone for audible frequency range detection. The need to find has emerged. Light as a method of detecting sound waves much better than microphones that detect sound waves electrically. performance has been demonstrated4.
Küçük yer degistirme ölçümü için optik algilama teknigi, endüstriyel zarar vermeyen teknikler, titresim ve elektromanyetik girisimlere karsi bagisiklik ve denge, tekrarlanabilirlik, zorlu ortamlara karsi dayaniklilik, yüksek hassasiyet, yüksek çözünürlük ve hizli cevap gibi benzersiz avantajlari için mikroyapilarin tasarimi ve test edilmesi için hayati öneme sahiptiiß. Optical sensing technique for small displacement measurement, industrial non-destructive techniques, immunity and stability to vibration and electromagnetic interference, repeatability, tough environmental resistance, high sensitivity, high resolution and fast response. vital to the design and testing of microstructures for their unique advantages.
Fiber optik mikrofon, genis dinamik aralik, yüksek hassasiyet ve genis bant genisliginde düz frekans cevabi nedeniyle çesitli uygulamalarda yenilikçi uygulamalara olanak saglayabilmektedirl. Fiber optic microphone, wide dynamic range, high sensitivity and wide bandwidth flat enable innovative applications in a variety of applications due to its frequency response we can provide.
Son yirmi yilda, dissal F abry-Perot interferometre tabanli basinç sensörleri önemli bir gelisim göstermistir ve üzerinde önemli arastirmalar yapilmistir. Diyafram tabanli dissal Fabry-Perot interferometre sensörleri, düsük basinç ve akustik dalga tespiti için basariyla kullanilmistirs. In the last two decades, external Fabry-Perot interferometer-based pressure sensors have undergone significant development. and significant research has been done on it. Diaphragm-based external Fabry-Perot Interferometer sensors have been used successfully for low pressure and acoustic wave detection.
Yüksek güvenilir Fabry-Perot interferometre tabanli basinç sensörü elde etmek için en önemli kisim MEMS membrandir. Fiber boyunca yayilan isik, fiber ucundaki membrana çarpmaktadir ve ardindan geri yansimaktadir. Bu noktada fiber ucu ile membran arasinda Fabry-Perot boslugu elde edilmektedir. Membrandaki küçük yer degistirmeler, bosluktan gelen girisimsel saçaklari analiz edilerek tespit edilmektedir. Faz modülasyon tekniginin uygulanabilirligi ölçümlerle deneysel olarak kanitlanmistir4. To obtain a highly reliable Fabry-Perot interferometer-based pressure sensor, the most important part is MEMS membrane. Light propagating along the fiber hits the membrane at the fiber end. and then reflected back. At this point, between the fiber end and the membrane, Fabry-Perot space is obtained. Small displacements in the membrane are due to interference from the cavity. their fringes are analyzed and determined. Applicability of phase modulation technique It has been experimentally proven by measurements4.
Membranin boyutu ayarlanarak, membranin havadaki elektriksel empedansi ayarlanabilmektediri. Fiber optik MEMS mikrofondaki hem giren hem de yansiyan isinlar ayni optik fiberi paylastigindan, fiberdeki sicaklik, basinç ve titresimdeki degisiklikler gibi çevresel etkiler Fabry-Perot interferometre tarafindan elde edilen girisim sinyalini önemli ölçüde etkilememektedir'. Fiber optik mikrofon, gerçek zamanli ve uzaktan algilama potansiyeline sahiptir. Bu tip sensör ayrica titresimi ve ivmeyi ölçmek için gelistirilebilmektedir. Yapinin basitligi ve kullanim kolayligi nedeniyle bu tasarim çesitli uygulamalarda kullanilabilmektedir4. Basinç sensörleri, fiber optik fikri ile de kullanilabilmektedir. Bu basinç sensörleri ile 20 0C - arasinda lineer basinç hassasiyeti elde edildigi gösterilmistir? Son zamanlarda, bir mikrofon uygulamasi için Parylen-C ve grafen oksit gibi farkli membran malzemeleri önerilmistir. Parylen-C, 20 Hz'de 2000 nm/Pa derecesinde güçlü cevap ortaya koymaktadir. Parylen-C'nin biyouyumlulugu nedeniyle, bu akustik sensörlerin biyomedikal uygulamalarda çok faydali oldugu söylenmektedir7. Grafen oksit üretimindeki gelismeler ile istenilen kalinlikta güvenilir üretimi mümkün hale gelmektedir. Grafen oksit bazli membranin 100 Hz-ZO kHz araliginda düz cevap verdigi gösterilmistirg. Optik fiber mikrofonlar için oluklu gümüs membranlarin kullanilabilecegi de gösterilmistir. Membran üzerinde olusturulan oluklarin mikrofonun performansini iyilestirdigi gösterilmistir ve yeni tasarim, 63 Hz - l kHz araliginda 50 nm/Pa derecesinde cevap ortaya koymaktadir9. Yeni membran malzemeleri bulma çabalarina ek olarak, MEMS membranlarin sekil ve boyutunun iyilestirilmesine yönelik arastirmalar devam etmektedir. Önerilen bir yöntem, bir halka seklinde oluklu MEMS membranin mikroüretimini yapmaktadir. Bu yöntemde Önerilen tasarim, 1 kHz'de 3 uPa/Hzm'lik minimum ölçülebilir basinç seviyesini algilayabilmektedirm. By adjusting the size of the membrane, the electrical impedance of the membrane in air can be adjusted. In a fiber optic MEMS microphone, both incident and reflected rays are the same. environmental factors such as changes in temperature, pressure, and vibration in the fiber. The effects significantly reduce the interference signal obtained by the Fabry-Perot interferometer. does not affect'. The fiber optic microphone has real-time and remote sensing potential. has. This type of sensor can also be developed to measure vibration and acceleration. build Due to its simplicity and ease of use, this design is used in a variety of applications. can be used4. Pressure sensors can also be used with the idea of fiber optics. This pressure 20 0C - with sensors It has been shown that linear pressure sensitivity can be achieved? Recently, different membranes such as Parylene-C and graphene oxide have been used for a microphone application. materials are recommended. Parylene-C elicits a strong response of 2000 nm/Pa at 20 Hz. puts it. Due to the biocompatibility of Parylene-C, these acoustic sensors are suitable for biomedical It is said to be very useful in applications7. With advances in graphene oxide production, Reliable production at the desired thickness becomes possible. Graphene oxide-based membrane It has been shown to give a flat response in the 100 Hz-ZO kHz range. Slotted for optical fiber microphones It has also been shown that silver membranes can be used. formed on the membrane grooves have been shown to improve microphone performance and the new design is 63 Hz to 1 kHz. It reveals a response of 50 nm/Pa in the range9. New membrane materials In addition to the efforts to find research continues. A proposed method is an annular corrugated MEMS carries out the micromanufacture of the membrane. Proposed design in this method, 3 at 1 kHz I can detect the minimum measurable pressure level of uPa/Hzm.
BULUSUN AMAÇLARI VE KISA BIR AÇIKLAMA MEMS teknolojisi için yeni bir yaklasim olan fiber optik MEMS mikrofon bu dokümanda sunulmaktadir. Bulus, bir lazer güçlü aktif MEMS fiber optik akustik sensörlü mikrofondur. OBJECTS OF THE INVENTION AND A BRIEF DESCRIPTION Fiber optic MEMS microphone, a new approach to MEMS technology, is covered in this document. is offered. The invention is a laser powered active MEMS fiber optic acoustic sensor microphone.
Mikrofonlarin hayatimizda önemli bir yeri vardir. Geleneksel mikrofonlarin yerini artik MEMS mikrofonlar almaktadir. Küçük boyutlu MEMS mikrofonlar kapasitif ve piezoelektrik modeller olarak temin edilmektedir. Microphones have an important place in our lives. Traditional microphones are now replaced MEMS receives microphones. Small size MEMS microphones are capacitive and piezoelectric. are available as models.
MEMS mikrofonlar, kapasitif veya piezoelektrik elektriksel ölçüm tekniklerine dayandiklari için RF ve mikrodalga sinyallerinden ve MRG gibi yüksek manyetik alanlardan etkilenmektedir. MEMS microphones are based on capacitive or piezoelectric electrical measurement techniques. from RF and microwave signals and high magnetic fields such as MRI is affected.
Fiber optik MEMS mikrofonlar, MEMS pasif diyafram ve fiber optiklerin birlestirilmesiyle elde edilmektedir. Bu bulusta, MEMS pasif diyafram yerine elektriksel olarak ayarlanabilen bir MEMS membran sunulmaktadir. Ayrica, bir fotodiyot çipi araciligiyla MEMS membranin tam üzerine gelen giren lazer isigindan elektrik gücü üretilmektedir. Bunu yaparken, fiber optik kablo boyunca pratik olmayan elektriksel iletkenlik ortadan kaldirilmis ve büyük kapasiteli kullanim maliyeti önemli ölçüde azaltilmistir. Bu noktada optik kablo içerisinde tasinan isigin enerjisinin bir fotodedektör vasitasiyla membran üzerindeki elektrik gerilimine dönüstürülmesi fikrinden yararlanilmaktadir. Fiber optic MEMS microphones combined with MEMS passive diaphragm and fiber optics is obtained. In this invention, instead of a MEMS passive diaphragm, an electrically adjustable diaphragm is used. MEMS membrane is offered. Also, full coverage of the MEMS membrane via a photodiode chip Electric power is produced from the incoming laser light on it. In doing so, fiber optic impractical electrical conductivity along the cable is eliminated and large capacity operating costs are significantly reduced. At this point, the light carried in the optical cable conversion of energy to electrical voltage on the membrane by means of a photodetector idea is used.
Algilama elemani, fiber optik MEMS mikrofonun en kritik parçasidir. Bu algilama elemani olan membran, mikrofon istenilen aralikta istenilen hassasiyette çalisacak sekilde tasarlanmistir. Bu bulusta, bir fiber optik mikrofonda kullanilmak üzere özel tasarlanmis MEMS membranin tasarimi ve karakterizasyonu, duyulabilir frekans araliginda cevap verecek sekilde gerçeklestirilmektedir. Bu tasarim, üzerinde simetrik dagilimli hava deliklerine sahip elektriksel bükülebilir membrana sahiptir. Mikroüretim, ticari erisilebilir çok-kullanicili ve çok-projeli bir servis (POLYMUMPS, MEMSCAP Inc., Fransa) kullanilarak yapilmaktadir. The sensing element is the most critical part of the fiber optic MEMS microphone. This sensing element The membrane with the microphone is designed to operate at the desired sensitivity in the desired range. is designed. In this invention, it is specially designed for use in a fiber optic microphone. The design and characterization of the MEMS membrane will respond in the audible frequency range. is carried out in sequence. This design has symmetrically distributed air holes on it. It has an electrically bendable membrane. Micromanufacturing, commercially accessible multi-user and It is done using a multi-project service (POLYMUMPS, MEMSCAP Inc., France).
Membranin tam elektriksel ve optik karakterizasyonlari sirasiyla bir empedans analizörü ve lazer vibrometer kullanilarak yapilmaktadir. Tasarim, bunu optik enterferometre tabanli mikrofonlar için uygun hale getiren yansitici altin kapli yüzey içermektedir. Membranin geçici ve kararli durum analizinden yararlanilmaktadir ve membranin genel cevabinin yani sira konumsal cevabi da elde edilmektedir. Membranin temel rezonansi, ilgili frekans araligi olan kHz'nin biraz üzerinde olan 28 kHz'dir. 10 mm'lik tepe yer degistirmesi, 100 mV tepeden tepeye gerilim ve IV DC gerilim kosullari altinda vibrometer ölçümlerinden elde edilmektedir. An impedance analyzer and an impedance analyzer for the full electrical and optical characterizations of the membrane, respectively. This is done using a laser vibrometer. The design does this based on an optical interferometer. It features a reflective gold-plated surface making it suitable for microphones. transient of the membrane and steady-state analysis are used and the overall response of the membrane as well as positional response is also obtained. The fundamental resonance of the membrane is the corresponding frequency range, which is It is 28 kHz, which is slightly above kHz. 10 mm peak displacement, from 100 mV peak obtained from vibrometer measurements under peak voltage and IV DC voltage conditions.
Uygulanan AC gerilimi basinca dönüstürdükten sonra, membranin hassasiyetinin 28 kHz'de 40 nm/Pa civarinda oldugu hesaplanmistir. After converting the applied AC voltage to pressure, the sensitivity of the membrane is reduced to 40 at 28 kHz. It is calculated to be around nm/Pa.
Tasarimin simetrisi de konumsal analizle dogrulanmaktadir. Bu bulus, optik mikrofonlar için MEMS membranin tasarimina yönelik yeni bir yön sunmaktadir. Bu bulus, fiber optik mikrofon uygulamalari için yeni membran malzemeleri bulmak yerine yeni bir membran gerçeklestirmek için MEMS teknolojisini kullanmaktadir. Bu MEMS membran, duyulabilir frekans araligina cevap verecek sekilde tasarlanmistir. Bu yeni tasarim, membran yer degistirmesinin tespiti için optik algilama ile uyumludur. Olgun mikroüretim süreçlerinin kullanilmasi, tasarimi güvenilir ve tekrarlanabilir hale getirmektedir. Membranin farkli uyarimlara karsi kararli durum ve geçici cevaplarinin kapsamli analizleri yapilmaktadir ve tasarimin performansi dogrulanmaktadir. The symmetry of the design is also verified by spatial analysis. This invention is for optical microphones. MEMS offers a new direction for the design of the membrane. This invention is fiber optic. Instead of finding new membrane materials for microphone applications, a new membrane It uses MEMS technology to perform. This MEMS membrane is audible It is designed to respond to the frequency range. This new design includes membrane It is compatible with optical detection for detection of displacement. mature micromanufacturing processes use makes the design reliable and repeatable. Different of the membrane Comprehensive analyzes of steady-state and transient responses to excitations are carried out and The performance of the design is verified.
Bulusun bir yönüdür, burada MEMS aygiti sirasiyla yukaridan asagiya METAL, POLY2, POLYl, POLYO, SiN ve Si alt tabakasindan olusmaktadir. It is one aspect of the invention, where the MEMS device is METAL, POLY2, It consists of POLYl, POLYO, SiN and Si substrate.
Bulusun bir baska yönüdür, burada hava deliklerinin ve çikintilarinin çapi 36 um ve 12 um'ye ayarlanmaktadir. It is another aspect of the invention, wherein the diameter of the vents and protrusions is 36 µm and 12 µm. is being set.
Bulusun bir baska yönüdür, burada bir fotodiyot çipi, Ge-TIA veya InGaAs P-l-N fotodiyottur. Another aspect of the invention is that a photodiode chip is a Ge-TIA or InGaAs P-1-N photodiode.
Bulusun bir baska yönüdür, burada lazer islemi dalga boyu için deger 1064 nm'dir. Another aspect of the invention is that the value for the laser treatment wavelength is 1064 nm.
Bulusun bir baska yönüdür, burada aktif MEMS tabanli fiber optik akustik mikrofondaki ses dalgalarina karsilik gelen büyük delikli membranin yer degistimiesi isigin faz modülasyonu ile belirlenmektedir. Another aspect of the invention is that the sound in an active MEMS-based fiber optic acoustic microphone The displacement of the large-hole membrane corresponding to the waves of the light is produced by phase modulation of the light. is determined.
Bulusun bir baska yönüdür, burada fiber optik kablodan gelen lazer isin, hem uzaktan güç iletimi hem de MEMS aygiti araciligiyla akustik sinyal sensörü olarak kullanilmaktadir. Another aspect of the invention is that the laser beam from the fiber optic cable is both remotely powered It is used both as an acoustic signal sensor for transmission and as an acoustic signal sensor via a MEMS device.
Bulusun bir baska yönüdür, burada MEMS membranin akustik uyarima karsi kontrol araligi ve ölçüm sisteminin hassasiyeti, MEMS aygitinin mikrofondaki geriliminin kontrol edilmesiyle ayarlanmaktadir. Another aspect of the invention is that the control range of the MEMS membrane against acoustic excitation and The sensitivity of the measuring system is determined by controlling the voltage of the MEMS device at the microphone. is being set.
Bulusun bir baska yönüdür, burada membran altinda yeterince büyük oksit asindirmasi elde etmek için, membran üzerindeki herhangi bir nokta, aralarinda maksimum 15 am mesafe olan bir hava deligi ile erisilebilir olmalidir. It is another aspect of the invention in which sufficiently large oxide etching can be achieved under the membrane. any point on the membrane with a maximum distance of 15 am between them. must be accessible with an air vent.
Bulusun bir baska yönüdür, burada membran, altin elektriksel hatlar ve aralarinda altin ince tele sahip bir çip tasiyici üzerinde yer almaktadir. It is another aspect of the invention, wherein the membrane, gold electrical lines and gold thin It is located on a chip carrier with a wire.
Bulusun bir baska yönüdür, burada membran tasariminin boyutlari asagidaki gibidir: 0 Alt tabaka kalinligi (tsubs) >650 um'dir o Membran çapi (dmembrane) 1000 um'dir o delikten delige çap (dHOLE-ro-HOLE) 50 um'dir o çikinti çapi (ddimple) 12 um'dir o metal kalinligi (tmeiai) 0.51 um'dir o POLY2 kalinligi (tpoiy2) 1.5 um'dir o Çikinti kalinligi (tdimplc) 0.75 um'dir o POLYl kalinligi (tpulyl) 2.0 um'dir o POLYO kalinligi (IpolyO) 0.51 um'dir o SiN kalinligi (tsiN) 0.61 um'dir. It is another aspect of the invention, where the dimensions of the membrane design are as follows: 0 Substrate thickness (tsubs) is >650 µm o Membrane diameter (dmembrane) is 1000 µm o hole-to-hole diameter (dHOLE-ro-HOLE) is 50 µm o protrusion diameter (ddimple) is 12 um o metal thickness (tmeiai) is 0.51 µm o POLY2 thickness (tpoiy2) is 1.5 µm o The ridge thickness (tdimplc) is 0.75 µm o POLYl thickness (tpulyl) is 2.0 µm o POLYO thickness (IpolyO) is 0.51 µm o SiN thickness (tsiN) is 0.61 µm.
Bulusun bir baska yönü olup, burada MEMS aygiti, lazer gücü ile uzaktan çalistirilmaktadir ve kontrol edilmektedir. Another aspect of the invention is that the MEMS device is remotely operated by laser power and is controlled.
Bulusun bir baska yönü olup, burada lazer isininin gücü, MEMS aygiti ile entegre fotodiyot vasitasiyla MEMS aygitini kontrol edecek bir gerilim kaynagina dönüstürülmektedir. Another aspect of the invention is that the power of the laser beam is combined with the photodiode integrated with the MEMS device. is converted into a voltage source to control the MEMS device.
BULUSU AÇIKLAYAN SEKILLERIN AÇIKLAMALARI Bu bulus ile gelistirilen fiber optik MEMS mikrofon daha iyi açiklamak için kullanilan sekiller ve açiklamalari asagidaki gibidir: Sekil 1, güçlü aktif MEMS tabanli fiber optik akustik sensörlü Sekil la, Fabry Perot interferometre ölçüm sistemi Sekil lb, F otodiyot tarafindan saglanan aktif MEMS fiber optik mikrofonun yapisi Sekil 2, MEMS membran tasariminin en kesit görünümü Sekil 3, MEMS yapisinin elektriksel empedans ölçümleri Sekil 3a, gösterildigi gibi prob istasyonu tablasindaki membran Sekil 3b, Gösterildigi gibi prob istasyonundan alinan mikroskop görünümü Sekil 4, Lazer vibrometer kullanilarak MEMS yapisinin yer degistirme ölçümleri Sekil 5, Gösterildigi gibi membranin üstten görünümü Sekil 5a, Hava delikli membranin polisilisyum tabakasi Sekil 5b, Hava deliklerini ve çikintilarini gösteren membranin yakinlastirilmis görünümü Sekil 6, Optimum membran tasarimi için delik düzeni Sekil 7, Elektriksel karakterizasyon kurulumu Sekil 8, Optik karakterizasyon kurulumu Sekil 9, F rekansin bir fonksiyonu olarak membranin bükülmesi Sekil 10, Membrandan farkli radyal mesafeler için seçilen alan üzerindeki ortalama yer degistirme Sekil 11, Membranin simetrisinin analizi. Membranin merkezinden (a) 50 mm, (b) 150 mm, (0) 250 um ve (d) 350 um ile ayrilan iki noktanin cevabi Sekil 12, Membranin (a) 28 kHz, 51 kHz ve 109 kHz'de sürekli dalga girislerine (kararli durum) konumsal cevabi ve (b) 28 kHz, (e) 51 kHz, (d) bir sinüs dalgasi döngüsü Referans Numaralari 1. Mems membran Lazer diyot Fotodiyot Optik fiber sikülatör Yansiyan isik Giren lazer isigi Optik fiber Alt tabaka . POLYO 11. POLY] 12. POLY2 13. Metal 14. Triaks baglantili prob istasyonu . Mikroskop 16. Igne tutucu 17. Igne 18. Tabla 19. Monitör . Ag ve empadans analizörü 21. Güç bölücü 22. Bilgisayar 23. Lazer vibrometre 24. Mikroskop & kompakt sensör kapagi . Altin teller 26. Lazer 27. Mems mikrofon 28. Çip tasiyici 29. Dijital osiloskop . Fonksiyon kaynagi BULUSUN DETAYLI AÇIKLAMASI Mevcut bulus asagida ayrintili olarak tarif edilmistir. Bu bulus, optik mikrofonlar (27) için MEMS membranin (l) tasarimi için yeni bir yön sunmaktadir. DESCRIPTION OF FIGURES DESCRIBING THE INVENTION The shapes used to better explain the fiber optic MEMS microphone developed by this invention and their explanations are as follows: Figure 1 with fiber optic acoustic sensor based on powerful active MEMS Figure la, Fabry Perot interferometer measurement system Figure lb, Structure of active MEMS fiber optic microphone provided by Photodiode Figure 2, cross-section view of the MEMS membrane design Figure 3, electrical impedance measurements of the MEMS structure Figure 3a, the membrane on the probe station tray as shown Figure 3b, Microscope view from the probe station as shown Figure 4, Displacement measurements of the MEMS structure using a laser vibrometer Figure 5, Top view of the membrane as shown Figure 5a, Polysilicon layer of air perforated membrane Figure 5b, Zoomed-in view of membrane showing vents and protrusions Figure 6, Hole pattern for optimum membrane design Figure 7, Electrical characterization setup Figure 8, Optical characterization setup Figure 9, Bending of the membrane as a function of frequency Figure 10, Average location over the selected area for different radial distances from the membrane changing Figure 11, Analysis of the symmetry of the membrane. (a) 50 mm, (b) 150 mm from the center of the membrane, (0) Response of two points separated by 250 µm and (d) 350 µm Figure 12 shows that the Membrane (a) has continuous wave inputs (stable) at 28 kHz, 51 kHz, and 109 kHz. case) positional response and (b) 28 kHz, (e) 51 kHz, (d) a sine wave cycle Reference Numbers 1. Mems membrane laser diode photodiode Optical fiber circulator reflected light Incoming laser light optical fiber substrate . POLY 11. POLY] 12. POLY2 13. Metal 14. Probe station with triax connection . Microscope 16. Needle holder 17. Needle 18. Table 19. Monitor . Ag and impedance analyzer 21. Power divider 22. Computer 23. Laser vibrometer 24. Microscope & compact sensor cover . gold strings 26. Laser 27. Mems microphone 28. Chip carrier 29. Digital oscilloscope . Function source DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention is described in detail below. This invention is for optical microphones (27). It offers a new direction for the design of the MEMS membrane (1).
Bu bölümde bir yenilik gösterilecektir. An innovation will be shown in this section.
Bulus, bir lazer (26) güçlü aktif MEMS tabanli fiber optik akustik sensörlü mikrofondur (27) (Sekil 1). MEMS aygiti, bir optik fiber (7) kablo uç yapisi ve bir fotodiyot (3) çipi ile entegre edilmektedir. Fiber optik kablodan gelen lazer (26) isininin bir kismi, bir Fabry-Perot girisimi olusturmak için MEMS alt tabaka (8) ve membrandan geri geçmektedir ve fiber optik girisimsel hareket sensörüne gitmektedir. Gelen lazer (26) isininin geri kalan kismi fotodiyot (3) çipini aydinlatarak MEMS aygitini aktive etmek için elektrik gücünü olusturmaktadir. The invention is a laser (26) powered active MEMS based fiber optic acoustic sensor microphone (27) (Figure 1). The MEMS device is integrated with an optical fiber (7) cable end structure and a photodiode (3) chip. is being done. Part of the laser (26) beam from the fiber optic cable is caused by a Fabry-Perot interference. The MEMS passes back through the substrate (8) and the membrane to form the fiber optic goes to the interventional motion sensor. The remainder of the incoming laser (26) beam is photodiode. (3) It generates electrical power to activate the MEMS device by illuminating the chip.
Lazer (26) isini gücü degistirilerek MEMS aygiti farkli gerilim degerlerinde çalistirilmaktadir. By varying the laser (26) beam power, the MEMS device is operated at different voltage values.
Bu sayede yüksek iletim faktörüne ve dinamik cevap araliklarina sahip ayarlanabilir MEMS fiber optik mikrofon (27) aygitlari elde etmek mümkündür. Lazer (26) islemi dalga boyu için yapisi kaybiyla geçebilmektedir ve MEMS aygitini çalistiracak InGaAs P-I-N fotodiyot(3)unu aydinlatabilmektedir. Thus, tunable MEMS with high transmission factor and dynamic response ranges It is possible to obtain fiber optic microphone 27 devices. For laser (26) process wavelength It can pass with the loss of structure, and the InGaAs P-I-N photodiode(3) is used to drive the MEMS device. can illuminate.
MEMS membrani (1), Lazerdiyot (2), fotodiyot(3) Ge-TIA ve fiber optik sirkülatör (4) sekil la°da gösterilmektedir. Sekil la”da 1064 nm degerinde gösterilen lazer diyot (2). MEMS membrani (l), fotodiyot (3), yansiyan lazer isigi (5), giren lazer isigi (6) ve Optik fiber (7) lb°de gösterilmistir. Sekil lb°de @0125 um ve @0425 um olarak gösterilen optik fiber (7). MEMS membrane (1), Laserdiode (2), photodiode (3) Ge-TIA and fiber optic circulator (4) figure It is shown in la°. The laser diode (2) shown in Figure la at 1064 nm. MEMS membrane (1), photodiode (3), reflected laser light (5), incoming laser light (6), and Optical fiber (7) It is shown in lb°. Optical fiber (7), shown as @0125 µm and @0425 µm in Fig. lb°.
MEMS fiber optik mikrofonlar (27), akustik ses dalgasina karsilik gelen bir titresimli diyaframa sahiptir. Bu diyafram hiçbir sekilde elektriksel olarak kontrol edilebilen bir yapi degildir, yani pasiftir. Diyafram rezonans frekanslari sabittir. Fiber optik kablo ile gelen isigin siddeti veya faz modülasyonu, ses dalgasina karsilik gelen diyaframin yer degistirmesi ile belirlenmektedir. Genel olarak diyafram yapisinin farkli malzemeleri veya diyafram yüzeyi oluk sekilleri ile hassasiyet arttirilmaya çalisilmaktadir. MEMS fiber optic microphones (27) contain a vibrating waveform corresponding to an acoustic sound wave. It has a diaphragm. This diaphragm is in no way an electrically controllable structure. it is not, it is passive. Diaphragm resonance frequencies are fixed. Incoming light with fiber optic cable intensity or phase modulation, with the displacement of the diaphragm corresponding to the sound wave is determined. Generally different materials of diaphragm structure or diaphragm surface Sensitivity is tried to be increased with groove shapes.
Bulusta, aktif MEMS tabanli fiber optik akustik mikrofondaki (27) ses dalgalarina karsilik gelen büyük delikli membranin (Sekil 2) yer degistirmesi isigin faz modülasyonu ile belirlenmektedir. Bu, membranin ses dalgalarina karsi hassasiyetini ayarlamasini saglamaktadir. l) MEMS aygiti, lazer (26) gücü ile uzaktan çalistirilmaktadir ve kontrol edilmektedir. Fiber optik kablodan gelen lazer (26) isini, hem uzaktan güç iletimi hem de MEMS aygiti araciligiyla akustik sinyal sensörü olarak kullanilmaktadir. Lazer (26) isininin gücü, MEMS aygiti ile entegre fotodiyot (3) vasitasiyla MEMS aygitini kontrol edecek bir gerilim kaynagina dönüstürülmektedir. Literatürde lazer (26) gücü ile aktive edilen bir MEMS çalismasina rastlanmamistir. 2) Aktif MEMS tabanli fiber optik akustik sensörde, MEMS membranin (l) akustik uyarima karsi kontrol araligi ve Ölçüm sisteminin hassasiyeti, MEMS aygitinin mikrofondaki (27) gerilimi kontrol edilerek ayarlanmaktadir. Bu, geleneksel MEMS fiber optik mikrofonlardan (27) daha genis bir dinamik cevap araligi saglamaktadir. Literatür arastirmasinda aktif güç kaynagi ile çalisan MEMS fiber optik mikrofon (27) bulunmamistir. 3) MEMS aygiti, bir optik fiber (7) kablo uç yapisi ve bir fotodiyot (3) çipi ile entegre edilmektedir. Fiber optik kablodan gelen lazer (26) isini hem uzaktan güç iletimi hem de MEMS aygiti araciligiyla akustik sinyal sensörü olarak kullanilacaktir. Bir sensör sisteminde uzaktan güç iletimi için lazer (26) isini kullanan bir çalismaya literatürde rastlanmamistir. lsik sadece yer degistirme için degil, ayni zamanda enerji iletimi için de kullanilmaktadir. Bu enerji iletimi ile kullanim sirasinda rezonans frekansini ayarlayabilecegimiz bir aktif membranin varligi özellikle çok genis bir frekans araliginda (20 Hz - 20,000 Hz) çalisan mikrofonlar (27) için önemlidir. In the invention, in response to sound waves in an active MEMS-based fiber optic acoustic microphone (27) The displacement of the incoming large-hole membrane (Fig. 2) with the phase modulation of the light is determined. This allows the membrane to adjust its sensitivity to sound waves. it provides. l) The MEMS device is remotely operated and controlled by laser (26) power. Fiber The laser (26) beam from the optical cable is transmitted to both the remote power transmission and the MEMS device. It is used as an acoustic signal sensor. Power of laser (26) beam, MEMS to a voltage source to control the MEMS device via the integrated photodiode (3). is being converted. In the literature, there is a MEMS study activated by laser (26) power. not found. 2) In the active MEMS-based fiber optic acoustic sensor, the acoustic excitation of the MEMS membrane (l) counter control range and sensitivity of the measuring system, the MEMS device at the microphone (27) voltage is controlled and adjusted. This is from traditional MEMS fiber optic microphones. (27) provides a wider dynamic response range. Active power in literature search There was no MEMS fiber optic microphone (27) working with a power source. 3) The MEMS device is integrated with an optical fiber (7) cable end structure and a photodiode (3) chip is being done. The laser (26) coming from the fiber optic cable is transmitted by both remote power transmission and It will be used as an acoustic signal sensor through the MEMS device. In a sensor system A study using the laser (26) beam for remote power transmission has not been found in the literature. Light is used not only for displacement, but also for energy transmission. This It is an active device where we can adjust the resonance frequency during use with energy transmission. The presence of the membrane is particularly useful in a wide frequency range (20 Hz - 20,000 Hz). important for microphones (27).
Bir fiber optik MEMS mikrofonun (27) membrani, onun algilama elemanidir. Membran tasarimi, membranin tekrarlanabilirligi, dayanikliligi, kararli performansi gibi çesitli konularla ilgilidir. Bu konular mikroüretim sürecine yöneliktir. Mikroüretim tesisleri tarafindan sunulan ticari erisilebilir çok-kullanicili çok-süreçlere (MUMPS) dayanarak, POLYMUMPS süreci (MEMSCAP Inc., Fransa), burada amaçlanan mikrofon (27) uygulamasi için sinirlandirinayan süreç tasarim kurallari tarafindan desteklenen havada çalisir membranlarin mikroüretimine uygunlugu nedeniyle seçilmektedir. Ayrica, bu olgun sürecin tekrarlanabilirligi ve tutarliliginin, isigin optik faz tespiti için son derece önemli olan yüksek kaliteli membranin gerçeklestirilmesi için avantajli oldugu düsünülmektedir. The membrane of a fiber optic MEMS microphone 27 is its sensing element. membrane design, membrane repeatability, durability, stable performance. is relevant. These topics are related to the micromanufacturing process. offered by micromanufacturing facilities Based on commercially accessible multi-user multi-processes (MUMPS), the POLYMUMPS process (MEMSCAP Inc., France), non-limiting for the microphone (27) application intended herein micromanufacture of airborne membranes supported by process design rules. selected because of its suitability. In addition, the reproducibility of this mature process and consistency of the high-quality membrane, which is extremely important for optical phase detection of light. is considered to be advantageous.
Bu süreç polisilisyum tabakalarina dayanmaktadir. Membran tasarlama yetenegi ve polisilisyum tabakalarinin altina feda oksit tabakalari asindirrna yetenegi, bu süreci tasarim için degerli kilmaktadir. Feda oksit tabakalarinin mükemmel bir sekilde asindirilmasi, polisilisyum tabakalara deliklerin yerlestirilmesini gerektirmektedir. Herhangi bir asindirma deligi arasindaki mesafe 30 um'den büyük olamamaktadir. Tasarimlarda, membranin tasarimindaki süreç varyasyonlari da dikkate alinmaktadir. Membranin üzerine isigin membrandan yansimasi için metal (13) bir tabaka yerlestirilmektedir. Oksit giderme için standart HF islak asindirmaya ek olarak (302 kuru asindirma kullanilmaktadir. C02 kuru asindirma, membranda kullanilan büyük en-boy orani (1 :500) için membran ve alt tabaka (8) arasindaki adezyonun yapismasini önlemek için kullanilmaktadir. 2 um kalinliga sahip POLY2 (12) membran malzemesinin (9) çok düsük basma gerilmesi (< 7 MPa) ve membran üzerinde kaplamanin çok düsük çekme gerilmesi (<24 MPa), 1 MPa'dan düsük olan bir esdeger gerilmeyle sonuçlanan neredeyse ideal bir gerilme dengelemesi ile sonuçlanmaktadirl 1. Bu, en- boy oranli membranin kalinti gerilmesi nedeniyle ihmal edilebilir bir çökmeye sahip olmasini saglamaktadir. This process is based on polysilicon layers. Membrane design ability and The ability to etch sacrificial oxide layers underneath the polysilicon layers makes this process a tool for design. makes it valuable. Excellent etching of Feda oxide layers, polysilicon requires the placement of holes in the layers. Any etching hole The distance between them cannot be greater than 30 µm. In designs, in the design of the membrane Process variations are also taken into account. Reflection of light from the membrane on the membrane For this purpose, a metal (13) layer is placed. Standard HF wet etching for deoxidation in addition (302 dry etching is used. C02 dry etching is used in the membrane Adhesion of adhesion between membrane and substrate (8) for large aspect ratio (1 :500) used to prevent. 2 µm thick POLY2 (12) membrane material (9) very low compressive stress (< 7 MPa) and on the membrane very low tensile stress of the coating (<24 MPa), an equivalent of less than 1 MPa results in an almost ideal stress compensation. 1. This is the most that the aspect ratio membrane has negligible collapse due to residual stress it provides.
Membranin çapi, duyulabilir frekans araliginda yüksek cevap elde etmek için ayarlanmaktadir. The diameter of the membrane is adjusted to obtain a high response in the audible frequency range.
Denklem 1'de verilen formül kullanilmaktadir”. Bu formül, membran malzeme özelliklerini ve membran boyutlarini hesaba katarak bir dairesel membranin ilk rezonans frekansini vermektedir. Bu tasarim için malzeme özellikleri ve gerekli boyutlar MEMSCAP'tan alinmistir”. f _ im; `Hep ' _Eli-11;: (1) burada a çap, h kalinlik, p 2330 kg/m3 olarak alinan kütle yogunlugu, E 169 GPa olarak alinan Young Modülü ve u 0.22 olarak alinan membranin Poisson oranidir. The formula given in Equation 1 is used”. This formula provides membrane material properties and the first resonant frequency of a circular membrane, taking into account the membrane dimensions. gives. Material properties and required dimensions for this design are from MEMSCAP. taken”. f _ im; `Always ' _Eli-11;: (1) where a is the diameter, h is the thickness, p is the mass density taken as 2330 kg/m3, E is taken as 169 GPa Young's Modulus and u is the Poisson's ratio of the membrane, taken as 0.22.
HZ - 20 kHz frekans bandinda sesli sinyallerin algilanmasi istendiginden, bu bandin üst sinirinin biraz üzerinde olan rezonans frekansi gereklidir. HZ - Since it is desired to detect audio signals in the 20 kHz frequency band, the upper part of this band is The resonance frequency slightly above the nerve is required.
Membranin ortaya çikan tasarimi, hava delikli bir polisilisyum membrandan olusmaktadir ve buna örgülü-yapili membran adi verilmektedir. Membranin üstten görünümü Sekil 5'te gösterilmektedir. The resulting design of the membrane consists of an air-hole polysilicon membrane and this is called a braided-structured membrane. The top view of the membrane is in Figure 5 is shown.
Hava deliklerinin ve çikintilarin çapi sirasiyla 36 pm ve 12 um'ye ayarlanmaktadir. Iki hava deliginin merkezleri arasindaki mesafe tasarim kurallarina göre belirlenmektedir. Membran altinda yeterince büyük oksit asindirma elde etmek için, tasarim kurallari geregi, membran üzerindeki herhangi bir nokta, aralarinda maksimum 15 um mesafe bulunan bir hava deligi ile erisilebilir olmalidir. Çözülen geometrik problem Sekil 6'da gösterilmektedir. The diameter of the vents and protrusions are set to 36 pm and 12 µm, respectively. two weather The distance between the centers of the hole is determined according to the design rules. membrane In order to achieve sufficiently large oxide etching under the membrane, by design rules, the membrane any point on it with an air hole with a maximum distance of 15 µm between them. must be accessible. The solved geometric problem is shown in Figure 6.
Tasarim tamamen simetriktir ve delikler ve bunlarin ayrimlari membran üzerinde her iki yönde de aynidir. Bu tasarimda deliklerin çapi ve deliklerin merkezleri arasindaki mesafe olmak üzere iki degisken vardir. Deliklerin yerlesimi tam simetrik oldugundan, herhangi üç hava deligi merkezi olarak alinan köselerle bir eskenar üçgen elde edilmektedir. Hesaplamalardan sonra, ”KOM-70409: ' Vsd-*mr “7 ”Ve” oldugu bulunmaktadir. Diger bir amaç ise dolgu oranini i'r dHOLE u " maksimize etmektir. Tasarimin dolgu orani (FF) FF - 1 ' ”5 ”mm w mm olarak verilmistir. The design is completely symmetrical and the holes and their separations are on the membrane in both directions. it is the same. In this design, the diameter of the holes and the distance between the centers of the holes are There are two variables. Since the arrangement of the holes is perfectly symmetrical, any three air An equilateral triangle is obtained with the corners with the hole as the center. From calculations then, ”KOM-70409: ' Vsd-*mr is “7 ”And”. Another purpose is to increase the filling ratio. i'r dHOLE u" is to maximize. The fill ratio (FF) of the design is given as FF - 1 ' ”5 ”mm w mm.
Membrandan yansiyan isigin miktarinin, membranin yer degistirmesinin tespiti için yeterince büyük olmasi gerektiginden, en az %50 dolgu orani hedeflenmektedir. The amount of light reflected from the membrane is sufficient to detect the displacement of the membrane. Since it should be large, at least 50% filling rate is targeted.
GHoiE ç.. 0 75 Bu nedenle, kisitlama “Digwrm olmaktadir. Her iki kisitlamayi da optimize etmek için, güvenlik marjlariyla dHOLE : 36 um ve dHOLEýTOýHOLE : 50 um seçilmektedir. Bu durumda, dolgu orani %53 olmaktadir ve delikten delige mesafe 50 um olmaktadir. Membran üzerindeki herhangi bir nokta ile hava deligi arasindaki maksimum mesafe 14 um'dir. from GHoiE.. 0 75 Therefore, the restriction is “Digwrm”. To optimize both constraints, dHOLE : 36 µm and dHOLE‹TOIHOLE : 50 µm with safety margins are chosen. In this situation, the filling ratio is 53% and the hole-to-hole distance is 50 µm. on the membrane The maximum distance between any point and the air hole is 14 µm.
Elde edilen sonucun en kesit görünümü Sekil 2'de gösterilmis ve bu sekildeki parametre degerleri Tablo 1'de verilmistir. The cross-sectional view of the obtained result is shown in Figure 2 and the parameter in this figure is values are given in Table 1.
Tablo 1. Tasarimin temsili boyutlarinin degerleri. Table 1. Values of representative dimensions of the design.
Boyut parametresi Deger Membran çapi (dMEMBRANE), um 1000 Destek uzunlugu (dsuppgm), pm 150 Delikten delige çap (dHOlE-TO-HOIF), pm 50 Delik çapi (diiOLE), pm 36 Metal kalinligi (tMETAL), um , um 1.5 Çikinti kalinligi (tmMpw), um , um 2.0 POLYO kalinligi (tmLyo), um 0.51 SiN kalinligi (tsm), um 0.61 Alt tabaka kalinligi (tsußs), um >650 ELEKTRIKSEL VE OPTIK ÖLÇÜM KURULUMU Mikroüretilmis MEMS membranin (l) performansini karakterize etmek ve dogrulamak için elektriksel empedans ve optik lazer Vibrometre (23) ölçümleri kullanilmaktadir. Tüm membranin kümülatif cevabi elektriksel olarak elde edilirken, 2 um kadar küçük noktalarin konumsal cevabi optik ölçümlerle toplanabilmektedir. Membrani elektriksel olarak karakterize etmek için ag ve empedans analizörü ( ve triaks baglantili prob istasyonu (EPSISOX, Cascade MicroTech, Oregon, ABD) Sekil 7'de gösterildigi gibi kullanilmaktadir. LF-Out portunu kullanan Seri Kazanç-Faz modu kullanilmaktadir. Size parameter Value Membrane diameter (dMEMBRANE), um 1000 Support length (dsuppgm), pm 150 Hole-to-hole diameter (dHOIE-TO-HOIF), pm 50 Hole diameter (diiOLE), pm 36 Metal thickness (tMETAL), um , um 1.5 Ridge thickness (tmMpw), um , um 2.0 POLYO thickness (tmLyo), um 0.51 SiN thickness (tsm), um 0.61 Substrate thickness (tsußs), um >650 ELECTRICAL AND OPTICAL MEASUREMENT SETUP To characterize and validate the performance of the micromanufactured MEMS membrane (1) electrical impedance and optical laser Vibrometer (23) measurements are used. All The cumulative response of the membrane is obtained electrically, while dots as small as 2 μm The spatial response can be gathered by optical measurements. Membrane electrically characterized ag and impedance analyzer ( and Triax connection probe station (EPSISOX, Cascade MicroTech, Oregon, USA) Figure 7 used as shown. Serial Gain-Phase mode using LF-Out port is used.
Bu kurulumda, membran, prob istasyonunun tablasina (18) yerlestirilmektedir. MEMS çipinin toprak ve sinyal pedlerinden gelen elektrik baglantilari, tungsten igneler (PTT-120-/4-25, Cascade MieroTeCh, Oregon, ABD) ve ardindan aga triaks-BNC adaptörü ve empedans analizörü kullanilarak yapilmaktadir. Yüksek empedansli aygitin düsük frekans ölçümünün önerilen yapilandirrnasini uygulamak için aygiti ag analizörüne uygun sekilde baglamak için bir güç bölücü (21) (Agilent 11667L) kullanilmaktadir. 1 kHz-lOO kHz frekans araliginda herhangi bir rezonans frekansini tespit etmek için seri kapasitans (Cs) ve seri direnç (Rs) ölçümleri alinmaktadir. Ölçümler sirasinda Ara Frekans Bant Genisligi (IFBW), 32 ortalamasi ile 500 Hz olarak ayarlanmaktadir. 10 dBm (1 Vpeak-to- peak) sinüzoidal sinyal kullanilmaktadir ve verilen frekans araliginda 1601 veri noktasi alinmaktadir. DC gerilimi 0 V'dan 3 V'a degistirilmektedir. In this setup, the membrane is placed on the plate (18) of the probe station. MEMS chip electrical connections from ground and signal pads, tungsten pins (PTT-120-/4-25, Cascade MieroTeCh, Oregon, USA) followed by a triax-to-BNC adapter and impedance done using the analyzer. Low frequency measurement of high impedance device to properly connect the device to the network analyzer to apply the recommended configuration a power divider (21) (Agilent 11667L) is used. Series to detect any resonant frequency in the frequency range from 1 kHz to 100 kHz. Capacitance (Cs) and series resistance (Rs) measurements are taken. Intermediate Frequency During Measurements Bandwidth (IFBW) is set at 500 Hz with an average of 32. 10 dBm (1 Vpeak-to- peak) sinusoidal signal is used and 1601 data points in the given frequency range is taken. DC voltage is changed from 0 V to 3 V.
Optik karakterizasyon, Sekil 8'de gösterildigi gibi kurulum ile yapilmaktadir. Lazer Agilent, California, ABD), fonksiyon kaynagi (30) ( ve LabView içeren bir kisisel bilgisayar (22) (National Instruments, Texas, ABD) ile birlikte kurulumdaki aygitlari kontrol etmek için kullanilmaktadir.10 Optik karakterizasyon, elektriksel uyarimin bir sonucu olarak MEMS membranin (1) yer degistirmesinin saptanmasina dayanmaktadir. Membrana 633 nm dalga boyunda bir lazer (26) isigi gönderilmektedir ve yansiyan isik (5), membran ve lazer (26) isigi arasinda kullanilan interferometre araciligiyla membranin bükülmesini anlamak için kullanilmaktadir. Nitekim, bu yer degistirme ölçümü yöntemi, fiber optik mikrofonlarda (27) kullanilan yönteme çok benzerdir. Optical characterization is done with the setup as shown in Figure 8. Laser Agilent, California, USA), function source (30) ( and In conjunction with a PC (22) (National Instruments, Texas, USA) with LabView It is used to control the devices in the installation.10 Optical characterization shows the location of the MEMS membrane (1) as a result of electrical excitation. based on the detection of change. A laser (26) with a wavelength of 633 nm is attached to the membrane. The light is sent and the reflected light (5) is used between the membrane and the laser (26) light. It is used to understand the bending of the membrane by means of an interferometer. Indeed, this The displacement measurement method is very similar to the method used in fiber optic microphones (27). is similar.
Membran üzerinde akustik bir basinç olusturmak için, elektriksel uyarim, 1 V'lik bir DC gerilimi ile 0.] V tepeden tepeye sinüzoidal sinyal üreten bir fonksiyon kaynagi (30) tarafindan yapilmaktadir. Uyarim frekansi 3 kHZ'den 150 kHZ'e taranmaktadir. Membranin genel cevabinin yani sira, bu optik karakterizasyon kurulumu, membranin konumsal incelemesini saglamaktadir. Yani lazer (26) isigini membran üzerinde farkli noktalara yönlendirerek, membranin herhangi bir uyarima karsi konumsal cevabi da elde edilebilmektedir. To create an acoustic pressure on the membrane, electrical excitation is a DC of 1 V. with a voltage of 0.] V by a function source (30) that generates a peak-to-peak sinusoidal signal is being done. The excitation frequency is scanned from 3 kHZ to 150 kHZ. General of the membrane In addition to its response, this optical characterization setup allows spatial examination of the membrane. it provides. That is, by directing the laser (26) light to different points on the membrane, The spatial response of the membrane to any excitation can also be obtained.
SONUÇLAR Elektriksel karakterizasyon kurulumu, membranin Sekil 3(a)°da gösterildigi gibi prob istasyonu tablasina (18) yerlestirilmesiyle hazirlanmaktadir. Igneler kullanilarak elektriksel baglantilardan yararlanilmaktadir. Prob istasyonundan alinan mikroskop (15) görüntüsü Sekil 3(b)”de gösterildigi gibidir. RESULTS Electrical characterization setup of the membrane probe as shown in Figure 3(a) The station is prepared by placing it on its table (18). electrical using needles links are used. View of the microscope (15) taken from the probe station Figure As shown in 3(b).
Toprak plakadaki membranin çökmesini önlemek için mikrofon (27) plakalari arasina maksimum 3V DC gerilim uygulanmaktadir. Ölçülen Cs ve R5 degerleri Sekil 3'te gösterilmistir. Sirasiyla 30 kHz ve 56 kHz'de iki rezonans frekansi gözlemlenmektedir. Between the microphone (27) plates to prevent collapse of the membrane in the ground plate. maximum 3V DC voltage is applied. Measured Cs and R5 values are shown in Figure 3. shown. Two resonance frequencies are observed at 30 kHz and 56 kHz, respectively.
Optik ölçüm kurulumunda membran, Sekil 4(b)°de gösterildigi gibi bir çip tasiyiciya (28) yerlestirilmektedir ve elektrik pedleri, Sekil 4(b)°de gösterildigi gibi çip tasiyici (28) üzerindeki elektriksel olarak iletken altin hatlara altin ince tellerle baglanmaktadir. Çip tasiyici (28), membrani pedleri araciligiyla elektriksel olarak uyarmak için kullanilan iki SMA (SubMiniature versiyon A) konektörüne sahiptir. Sinyal üreteci MEMS aygitina baglanmaktadir ve ayrica Vibrometrenin çikisi için tetikleme sinyali olarak osiloskopa (29) da baglanmaktadir. In the optical measurement setup, the membrane is attached to a chip carrier (28) as shown in Figure 4(b). are inserted and the electrical pads are attached to the chip carrier (28) as shown in Figure 4(b). It is connected to the electrically conductive gold lines on it with gold fine wires. chip carrier (28) two SMAs used to electrically excite the membrane through its pads. (SubMiniature version A) connector. Signal generator to MEMS device It is connected to the oscilloscope (29) as the trigger signal for the output of the Vibrometer. is connecting.
Optik ölçümde, tüm veriler, membran üzerindeki 21 noktadan, genel cevabinin yani sira konumsal cevabini anlamak için alinmistir. Bu 21 nokta, Sekil 4(a),da gösterildigi gibi membranin merkezindeki 11”inci nokta ile birbirinden 50 am uzakliktadir. Giris frekansi, sürekli dalga (CW) sinüzoidal uyarim ile 3 kHz'den 150 kHz'e taranmaktadir. Membranin hem konumsal hem de frekans alanindaki cevabi Sekil 2(b)°de gösterilmektedir. 28 kHz, 51 kHz ve 109 kHz olmak üzere üç rezonans frekansi oldugu görülmektedir. Membranin merkezi etrafindaki bölge, herhangi bir girise karsi en yüksek cevabi vermektedir. In optical measurement, all data is displayed from 21 points on the membrane, as well as its overall response. taken to understand its positional response. These 21 points, as shown in Figure 4(a), They are 50 am apart from the 11” point in the center of the membrane. Input frequency, continuous wave (CW) is scanned from 3 kHz to 150 kHz with sinusoidal excitation. Both the membrane The spatial and frequency domain response is shown in Figure 2(b). 28 kHz, 51 kHz and It is seen that there are three resonance frequencies, 109 kHz. center of the membrane the region around it gives the highest response to any input.
Membranin bükülme miktari dikkate alinarak toplam cevabi da konumsal veriler islenerek elde edilmektedir. Genel cevap ve merkezi noktanin cevabi Sekil 9'da gösterilmektedir. 28 kHz'de, membranin ortalama yer degistirmesi ortalama olarak 5 nm ve merkezde 10 nm'dir. Bu rezonansin oransal 3-dB bant genisligi %32'dir. Considering the amount of bending of the membrane, the total response can be obtained by processing spatial data. is being done. The general answer and the answer to the central point are shown in Figure 9. at 28 kHz, the mean displacement of the membrane is 5 nm on average and 10 nm at the centre. This The proportional 3-dB bandwidth of the resonance is 32%.
Alan basina maksimum bükülmeyi elde etmek için lazer (26) isiginin nereye odaklanacagini belirlemek için 28 kHz'deki veri noktalarinin cevaplari analiz edilmektedir. Membranin merkezinden farkli radyal mesafeler için seçilen alan üzerindeki ortalama yer degistirme elde edilmektedir ve elde edilen özellikler Sekil 10'da gösterilmektedir. Isigi odaklamak için optimum alan 150 um'lik bir yariçapa sahiptir. Ortalama yer degistirme, yariçapi 50 am ila 250 pm arasinda degisen dairesel alanlar için neredeyse sabittir. Where to focus the laser (26) light to achieve maximum bending per area. The responses of the data points at 28 kHz are analyzed to determine of the membrane Obtain the average displacement over the selected area for different radial distances from its center. and the obtained properties are shown in Figure 10. To focus the light the optimum area has a radius of 150 µm. Average displacement, radius 50 am to It is almost constant for circular areas ranging from 250 pm.
Membranin cevabindaki simetriyi analiz etmek için, membranin merkezinden 50 nm, 150 um, 250 mm ve 350 um uzaktaki noktalardan alinan veriler kullanilmaktadir. Bu karakteristikler Membranin merkezinden 50 am uzakliktaki noktalar için tepe cevaplarinin ayni frekanslarda oldugu anlasilmaktadir. Bu durum 100 pm uzakliktaki noktalar için de geçerlidir. 250 um uzakliktaki noktalar için, ikinci rezonans frekansinin konumu %3.8 oraninda hafifçe degismektedir. 350 um uzakliktaki noktalar için baska küçük sapmalar gözlemlenrnektedir. To analyze the symmetry in the response of the membrane, 50 nm, 150 µm, from the center of the membrane, Data from points 250 mm and 350 um away are used. These characteristics For points 50 am from the center of the membrane, the peak responses must be at the same frequencies. it is understood to be. This also applies to points 100 pm away. 250 µm For points at a distance, the position of the second resonant frequency is slightly slightly different by 3.8%. is changing. Other small deviations are observed for points at a distance of 350 µm.
Birinci, ikinci ve üçüncü rezonans frekanslari sirasiyla %3.6, %59 ve %4 oraninda degismektedir. The first, second and third resonance frequencies are 3.6%, 59% and 4%, respectively. is changing.
Membranin 28 kHz, 51 kHz ve 109 kHz'deki giris sinyallerine konumsal kararli durum cevaplari Sekil 12(a)°da gösterilmektedir. Membranin zamansal geçici cevabini elde etmek için, 28 kHz, 51 kHz ve 109 kHz rezonans frekanslarinda tek döngülü sinüzoidal sinyaller kullanilmaktadir. Cevaplar Sekil 12(b-d)'de gösterildigi gibidir. Membranin 28 kHz'de girise verdigi geçici cevabin en uzun çinlama cevabina sahip oldugu gözlemlenmistir. Tüm geçici cevaplar zamanla bozulmaktadir. Positional steady state of the membrane to input signals at 28 kHz, 51 kHz and 109 kHz their answers are shown in Figure 12(a). Obtaining the temporal temporal response of the membrane for single-cycle sinusoidal signals at resonant frequencies of 28 kHz, 51 kHz, and 109 kHz. is used. The answers are as shown in Figure 12(b-d). If the membrane enters at 28 kHz It was observed that the temporal response he gave had the longest chiming response. All temporary Answers deteriorate over time.
Seri kapasitör ve seri direnç olarak modellenebildiginden, elektriksel karakterizasyon membrana uygulanabilmektedir. Paralel plakali kapasitör, membran ve alt tabaka (8) paralel plakalar olarak düsünülerek görsellestirilebilmektedir. Mikrofonun (27) tasariminda, membranin hemen altinda 2 um olan alt tabaka (8) üzerine 450 mm yariçapli, 0.5 um kalinliginda polisilisyum tabaka eklenmektedir. Bu parça toprak plaka olarak adlandirilmaktadir ve polisilisyum hatlarla toprak pedlerine baglanmaktadir. Hareketli membran da polisilisyumhatlar vasitasiyla sinyal pedlerine baglanmaktadir. Since it can be modeled as series capacitor and series resistor, electrical characterization can be applied to the membrane. Parallel plate capacitor, membrane and substrate (8) in parallel can be visualized by thinking of them as plates. In the design of the microphone (27) 450 mm radius, 0.5 μm on the substrate (8), which is 2 μm just below the membrane thick polysilicon layer is added. This piece is used as a ground plate. It is named and connected to the ground pads with polysilicon lines. Energetic The membrane is also connected to the signal pads via polysilicon lines.
Sekil 3'te gösterilen elektriksel ölçümlerden, 30 kHz'deki ilk rezonans frekansi, Denklem (1)”den 26 kHz olarak hesaplanan beklenen degere yakindir. Seri kapasitans verilerinden, uygulanan DC gerilimi OV'dan 3V'a degistirildiginde bu frekansin 29.4 kHz'den 30.6 kHz'e degistigi görülmektedir. Rezonans frekansi 56 kHz civarinda gözlemlenmektedir ve uygulanan DC gerilimi ile 3 kHz degismektedir. Bu nedenle, membranin rezonans frekansi, uygulanan DC gerilimi ile ince ayarlanabilmektedir. OV'dan 2V'a ilk rezonans frekansi, gerilimle sertlesmeye bagli olarak 750 Hz artmaktadir ve OV'dan 3V'a, stresle sertlesmeyi baskilayan yayin yumusamasinin etkisine bagli olarak 250 Hz azalmaktadir”. From the electrical measurements shown in Figure 3, the first resonant frequency at 30 kHz is given by Eq. It is close to the expected value calculated as 26 kHz from (1). From the serial capacitance data, This frequency changes from 29.4 kHz to 30.6 kHz when the applied DC voltage is changed from OV to 3V. appears to have changed. The resonance frequency is observed around 56 kHz and the applied It changes 3 kHz with DC voltage. Therefore, the resonant frequency of the membrane is It can be fine-tuned with DC voltage. First resonant frequency from OV to 2V, with voltage increases by 750 Hz depending on the curing and changes from OV to 3V, which suppresses the curing by stress. 250 Hz decreases depending on the effect of broadcast softening”.
Sekil 3(a),da ölçülen kapasitans degerleri, kablolama ve prob uçlarinda kalibrasyon eksikligi nedeniyle, MEMS membranin (1) teorik olarak `1.4 pF olarak hesaplanan gerçek kapasitans degerleri degildir. Sadece rezonans frekanslarinin varligini gösterrnektedirler ve yüksek kapasitans degerleri, 30 kHz ve 56 kHz civarindaki rezonanslarin güçlü oldugunu göstermektedir. Yüksek iletkenlige sahip metale (13) kiyasla, dirençli hafif katkili polisilisyurn hatlar nedeniyle ölçülen direnç degerleri nispeten yüksektir. Capacitance values measured in Figure 3(a), wiring and lack of calibration of probe tips The actual capacitance of the MEMS membrane (1) is theoretically calculated as `1.4 pF. values are not. They only show the existence of resonant frequencies and Capacitance values indicate that resonances around 30 kHz and 56 kHz are strong. shows. Compared to the highly conductive metal (13), the resistive light-doped polysilicon The resistance values measured due to the lines are relatively high.
Rezonanslarin mod sekilleri Sekil 4(b)”de gösterilmektedir. Mod seklinde geçersiz deger olmadigi için birinci rezonans frekansinin temel rezonans frekansi oldugu gözlemlenebilmektedir. 51 kHz'deki ikinci rezonans frekansi ve 109 kHz'deki üçüncü rezonans frekansi, beklendigi gibi radyal yön boyunca sirasiyla bir ve iki sifir degere sahiptir. Bu veriler, bunlarin membranin ilk üç rezonansi oldugunu desteklemektedir. The mode shapes of the resonances are shown in Figure 4(b). Invalid value in mode The first resonance frequency is the fundamental resonance frequency because there is no can be observed. Second resonance frequency at 51 kHz and third resonance at 109 kHz frequency has one and two zero values, respectively, along the radial direction, as expected. These data supports that these are the first three resonances of the membrane.
Sekil 4(b)”de aygitin 28 kHz civarinda çalismasina ek olarak, bu membran 58 kHz ve 109 kHz'de çalismak üzere kullanilabilmektedir. Isigi 150 pm ve 100 pm yariçapli dairesel alanlara odaklayarak, bu membran sirasiyla 58 kHz ve 109 kHz'de çalisabilmektedir. In addition to the device operating at around 28 kHz in Figure 4(b), this membrane has 58 kHz and 109 It can be used to operate at kHz. Circular areas with 150 pm and 100 pm radii focusing, this membrane can operate at 58 kHz and 109 kHz, respectively.
Paralel plakali kapasitör varsayimi kullanilirsa, uygulanan gerilim, kapasitörün plakalarina, yani membrana etki eden kuvveti modellemek için kullanilabilmektedir. Bu bilgi, membranin ses basincina cevap vermesi gerektiginden degerlidir. Sekil 9'daki ortalama yer degistirme verilerinden bu hesaplama, paralel plakali bir kapasitörün plakalarina etki eden basinç miktarini temsil eden formülü ile yapilmaktadir. Bu forrnülde, 8 aslinda eo'dir ve bu, bos alanin pennitivitesidir ve çikintili bölgeler için plakalar arasindaki bosluk 1.25 um'dir. Ilk olarak, plakalar arasindaki bosluk hesaplanmalidir. Paralel plakali bir kapasitör için, uygulanan gerilimin bir fonksiyonu olarak plakanin bükülmesi n " n r olarak . _ 1"n :“__i if'roiîizpsa __ . . . . verilmektedir, burada “°“'“"”'“` membranin çekme gerilimidir ve fr: ::i-n' deff . .. . . . 13 *- r kapasitorlerin plakalari arasindaki etkin bosluktur . If the parallel-plate capacitor assumption is used, the applied voltage is applied to the capacitor's plates, that is, it can be used to model the force acting on the membrane. This information is the membrane It is valuable as it must respond to sound pressure. Average displacement in Figure 9 From the data of this calculation, the pressure acting on the plates of a parallel plate capacitor It is made with the formula that represents the amount of In this formula, 8 actually is eo and this is the pennitivity of the free area and for the ridged regions the gap between the plates is 1.25 is um. First, the gap between the plates must be calculated. A parallel plate capacitor For n " n r, the bending of the plate as a function of the applied voltage . _ 1"n :“__i if'roiîizpsa __ . . . . is given, where “°“'“"”'“` is the tensile stress of the membrane and fr: ::i-n' deff . ... . . 13 *-r is the effective gap between the plates of the capacitors.
Bu tasarimda Vcoiiapse'nin 3V'den büyük oldugu gözlemlenmektedir. deff, membranin farkli bölgelerinden, yani çikintili polisilisyum bölgesi, bölge-1 ve çikintisiz polisilisyum bölgeleri, bölge-Z'den hesaplanabilmektedir. Bölge-I'm hava boslugu gi : 1.25 pm ve bölge-2'nin hava boslugu g2 : 2 um'dir. Efektif bosluk, deff'nll'l 1.86 um olmasiyla sonuçlanarak 9 der.: )1 + ri): = 9-* ile hesaplanabilmektedir. Bu deger denkleme eklendiginde, optik ölçüm kurulumunda oldugu gibi 1V DC gerilimi için Xn : 0.01 oldugu bulunabilmektedir, bu da x : 18.6 nm ile sonuçlanmaktadir. Bu deger defF1.86 um ile karsilastirildiginda ihmal V = Vpc + iiaccos(wt) edilebilir oldugundan göz ardi edilebilmektedir. Uygulanan gerilim olarak DC ve ac gerilimlerin toplamidir. Bunun karesini alarak üç ifade elde edilmektedir; halihazirda plakalar arasindaki etkin boslugun degisiminden sorumlu olan saf DC ifadesi, ihmal edilen uyarim frekansinin iki kati frekansli ac ifadesi ve uyarim frekansi ile ayni frekansli ac ifadesi. It is observed that Vcoiiapse is greater than 3V in this design. deff, the membrane is different regions, namely the protruding polysilicon region, region-1, and the non-protruding polysilicon regions, can be calculated from region-Z. My zone-I airspace: 1.25 pm and zone-2's airspace the gap is g2 : 2 µm. Effective space, resulting in deff'nll'l 1.86 µm 9 der.: )1 + ri): = It can be calculated with 9-*. When this value is added to the equation, the optical As in the measurement setup, it can be found that Xn : 0.01 for 1V DC voltage, this resulting in x : 18.6 nm. This value is negligible compared to deFF1.86 µm. V = Vpc + iaccos(wt) can be ignored as it is possible. As the applied voltage It is the sum of DC and ac voltages. By squaring this, three expressions are obtained; already The expression of pure DC, which is responsible for the variation of the effective space between the plates, is the neglected ac expression with twice the excitation frequency and ac expression with the same frequency as the excitation frequency.
Bu son ifade basinç formülünde kullanilmalidir. dar : 1.86 um alinarak, membranin 28 kHz'de basinç basina ortalama yer degistirmesinin yaklasik 40 nin/Pa oldugu bulunmaktadir. This last expression should be used in the pressure formula. narrow : taking 1.86 µm, membrane at 28 kHz It is found that the average displacement per pressure is about 40 n/Pa.
Membranin yüksek yansitici yüzeyi ve yüksek basinç hassasiyeti, mikrofon (27) uygulamalari için uygun olmasini saglamaktadir. Membranin ortalama yer degistirmesinin, daha büyük DC gerilimleri ile artacagi tahmin edilmektedir. Bu nedenle, bu aygiti 3V DC gerilim çevresinde çalistirmak en yüksek cevabi saglamaktadir ve bu da yer degistirmenin tespitini kolaylastirmaktadir. Highly reflective surface of the membrane and high pressure sensitivity, microphone (27) applications makes it suitable for The greater the mean displacement of the membrane, the greater the DC is expected to increase with increasing voltage. Therefore, do not use this device around 3V DC voltage. running provides the highest response, which also detects displacement. makes it easier.
Uzaklastikça isik demetinin genisligi arttigi için lazer (26) isiginin tespit edilecegi alan önemlidir. Yansima sonrasi fibere iletilen güç miktari, fiber çapina esit olan isin kritik genisliginden sonra azalmaya baslamaktadir. Isigin kat ettigi mesafe sabit alindiginda, degistirilecek tek parametre isinin membrana çarptigi andaki genisligidir. Bu genislik, membrandan yeterli miktarda bükülme bilgisi elde etmek için yeterince büyük olmalidir. Sekil lO'dan, optimum genislik 300 um (150 mm yariçapli daire) olarak hesaplanmaktadir. Bu nedenle isigi 150 nm yariçapli alana odaklamak, hem hassasiyet hem de fibere geri iletilen isik miktari göz önüne alindiginda en iyi çözüm olacaktir. The area where the laser (26) light will be detected, as the width of the light beam increases with distance is important. The amount of power transmitted to the fiber after reflection is the critical amount of heat equal to the fiber diameter. starts to decrease after its width. When the distance traveled by the light is taken as constant, The only parameter to be changed is the width of the beam at the moment it hits the membrane. This width must be large enough to obtain sufficient bending information from the membrane. Shape From 10, the optimum width is calculated as 300 µm (circle with 150 mm radius). This Therefore, focusing the light on the 150 nm radius area is both sensitivity and light transmitted back to the fiber. Considering the quantity, it will be the best solution.
Membran, Sekil ll'de gösterildigi gibi 250 um yariçapli alan içinde oldukça simetrik bir cevap gösterir. Simetri, ayni zamanda, Sekil 12(b, c, d)”de gösterildigi gibi, membranin bir döngü sinüzoidal uyarimlara olan geçici cevabindan da dogrulanabilmektedir. Simetri özelliginden, membranin merkezi çalismasi dogrulanir; membran, merkezine göre dairesel simetriye sahiptir. The membrane provides a highly symmetrical response within a 250 µm radius area as shown in Figure II. shows. Symmetry is also a loop of the membrane, as shown in Figure 12(b, c, d). It can also be confirmed by its transient response to sinusoidal excitations. From the symmetry property, central operation of the membrane is confirmed; membrane has circular symmetry with respect to its center has.
Fiber optik mikrofon (27) için algilama elemani olarak tasarlanan, 36 mm çapinda hava deliklerine sahip, özel tasarim 1300 umx1300 um'nin karakteristikleri POLYMUMPS süreci ile mikroüretime tabi tutulmus ve karakteristikleri arastirilmistir. Membran altinda oksit tabakalarinin feda asindirmasini elde etmek için tasarimda hava delikleri kullanilmistir. Bu delikler tasarimin dolgu orani %53 olacak sekilde tasarlanmistir. Membranin yüzeyi, isik için yansitici bir yüzey kullanan altin kaplamadir. Tasarimin rezonans frekanslari, elektriksel ve optik ölçüm kurulumlari ile elde edilmektedir. Uygulanan dc geriliminin OV'dan 3V'a degismesiyle tasarimin temel rezonans frekansi %3 oraninda degismistir. Yüksek dereceli modlar da gözlemlenmektedir ve membranin merkezi daha yüksek modlara da güçlü cevap vermektedir. Tasarimin cevabi konumsal olarak simetriktir ve mod sekilleri, 28 kHz'deki rezonansin membranin temel modu oldugunu göstermektedir. Duyulabilir frekans araliginin biraz üzerinde rezonans frekansi elde ederek, güçlü cevap elde edilirken, neredeyse hiç faz tersinimi elde edilmemistir. Tasarimin yüksek hassasiyeti, yani 40 nm/Pa, onu fiber optik mikrofonlar (27) için uygun hale getirrnektedir. Lazer (26) isiklarinin dairesel noktalari nedeniyle membranin yüksek dairesel simetrisi de önemlidir. Bu tasarim, 250 mm yariçapli alanda hemen hemen ayni cevabi verdiginden, isigin membrana odaklanacagi alani seçme esnekligi de sunmaktadir. Membranin karakteristikleri ile, bu tasarimin fiber optik mikrofonlar (27) için uygun oldugu dogrulanmistir. Air, 36 mm diameter, designed as a sensing element for the fiber optic microphone (27). special design with holes Characteristics of 1300 µm x 1300 µm micromanufactured by the POLYMUMPS process and its characteristics were investigated. Achieve sacrificial etching of oxide layers under the membrane. Air holes have been used in the design. The filling rate of these holes design is 53%. It is designed to be. The surface of the membrane is gold, which uses a reflective surface for light. is the coating. The resonance frequencies of the design are obtained with electrical and optical measurement setups. is being done. As the applied dc voltage changes from OV to 3V, the fundamental resonance of the design frequency has changed by 3%. Higher order modes are also observed and The center of the membrane also responds strongly to higher modes. Response to design are positionally symmetrical, and the mode shapes are the fundamental mode of the resonant membrane at 28 kHz. shows that. Resonance frequency slightly above the audible frequency range. By doing this, the strong response is obtained, while almost no phase reversal is obtained. your design Its high sensitivity, ie 40 nm/Pa, makes it suitable for fiber optic microphones (27). is bringing. Due to the circular spots of the laser (26) lights, the membrane is highly circular. Symmetry is also important. This design has almost the same response in the 250mm radius area. It also offers the flexibility to choose the area where the light will focus on the membrane. of the membrane With its characteristics, this design is suitable for fiber optic microphones (27). has been verified.
Yukaridaki detayli açiklamadan, bir fiber optik MEMS mikrofon (27), asagidakileri içermektedir; o Fiber optik kablonun ucunda entegre bir MEMS aygiti, - MEMS aygitinin üzerine yerlestirilmis bir fotodiyot (3) çipi, o MEMS aygitinin SIGNAL ve GND pedlerine elektriksel olarak baglanan fotodiyot (3) çipi tarafindan üretilen gerilim, o Giren lazer isiginin (6) bir kismini membrandan optik fibere (7) geri yansitabilen ve giren lazer isiginin (6) kalan kismini membrandan fotodiyot (3) çipine iletebilen MEMS aygiti, o Giren lazer isigini (6) yansitan optik olarak yansitici malzeme ile kaplanmis bir membrana sahip MEMS aygiti, 0 Giren lazer isigini (6) ileten hava deliklerine sahip bir membrana sahip MEMS aygiti, - MEMS aygitina farkli gerilim degerlerinde gerilim uygulayan lazer diyot (2) ile gücü ayarlanabilen lazer (26) isini, o Giren lazer isiginin (6) faz modülasyonu veya siddet modülasyonu yoluyla membran yer degistirmesinin tespiti için kullanilan isik, o Fotodiyot (3) çipi boyunca gerilim üretimi için optik fiber (7) yoluyla enerji iletiminde de kullanilan isik. From the above detailed description, a fiber optic MEMS microphone (27), includes; o An integrated MEMS device at the end of the fiber optic cable, - a photodiode (3) chip placed on the MEMS device, o Photodiode (3) electrically connected to the SIGNAL and GND pads of the MEMS device voltage produced by the chip, o It can reflect some of the incoming laser light (6) back from the membrane to the optical fiber (7), and capable of transmitting the remaining part of the entering laser light (6) from the membrane to the photodiode (3) chip. MEMS device, o A plate coated with optically reflective material that reflects the incoming laser light (6) MEMS device with membrane, 0 MEMS device with a membrane with vents that transmit the incoming laser light (6), - Powered by laser diode (2) that applies voltage to MEMS device at different voltage values adjustable laser (26) beam, o Membrane by phase modulation or intensity modulation of the incoming laser light (6) light used to detect displacement, o In energy transmission through optical fiber (7) for voltage generation across the photodiode (3) chip light used.
Claims (13)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| TR2021016171T true TR2021016171T (en) | 2021-12-21 |
Family
ID=
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Zhao et al. | Small in-fiber Fabry-Perot low-frequency acoustic pressure sensor with PDMS diaphragm embedded in hollow-core fiber | |
| Wu et al. | Flexible optical fiber Fabry–Perot interferometer based acoustic and mechanical vibration sensor | |
| Wang et al. | An ultra-sensitive optical MEMS sensor for partial discharge detection | |
| US6567572B2 (en) | Optical displacement sensor | |
| US7116430B2 (en) | Highly-sensitive displacement-measuring optical device | |
| Perrone et al. | A low-cost optical sensor for noncontact vibration measurements | |
| EP3105599B1 (en) | An optical sensor system and methods of use thereof | |
| Shao et al. | High-spatial-resolution ultrasonic sensor using a micro suspended-core fiber | |
| Li et al. | High sensitivity all-optical acoustic pressure sensor based on resonant micro-opto-mechanical cantilever with integrated rib waveguide | |
| CN109945965A (en) | The arm-type sensitive diaphragm of optical fiber EFPI ultrasonic sensor supporting beam | |
| Liu et al. | A compact fiber optic Fabry–Perot sensor for simultaneous measurement of acoustic and temperature | |
| Li et al. | A compact and highly sensitive voice-eavesdropping microresonator | |
| CN108139284A (en) | Fibre optic compression sensor and method | |
| CN111289085B (en) | Microphone diaphragm amplitude measuring method and device | |
| Orłowska et al. | Light intensity fibre optic sensor for MEMS displacement and vibration metrology | |
| TR2021016171T (en) | FIBER OPTIC MEMS MICROPHONE | |
| Sienkiewicz et al. | A simple fiber-optic sensor for use over a large displacement range | |
| Chen et al. | Fiber-optic acoustic sensor for flexibility and universality applications adopting phase modulation spectroscopy | |
| EP3942262B1 (en) | Fiber optic mems microphone | |
| Wang et al. | A Lever-Type PDMS Flexible Cavity for Acoustic Vector Sensor With High Sensitivity | |
| Kahana et al. | Recent advances in optical microphone technology | |
| CN114235134A (en) | Broadband micro optical fiber micro-spherical acoustic sensor without vibrating diaphragm structure | |
| Afshar et al. | Lens-less, spring-loaded diaphragm-based fiber acoustic sensor | |
| JP2003337063A (en) | Optical interference type ae sensor, ae sensor unit, and ae measurement system | |
| JPH0752118B2 (en) | measuring device |