Estudo e compensação dos efeitos de carga em atuadores MEMS capacitivos

Abstract

Os dispositivos MEMS têm apresentado ao longo dos anos um elevado crescimento, contudo as estruturas RF MEMS apresentam um problema, a sua fiabilidade. Esta deve-se ao facto de o tempo de vida das estruturas estar limitado, entre outros, aos efeitos de carga. Este efeito deve-se à contínua aplicação de um determinado valor de tensão sobre o atuador que, por sua vez, vai levar à injeção de carga no dielétrico do atuador, devido aos elevados campos elétricos gerados sobre o mesmo. Ao fim de algum tempo, esta acumulação de cargas vai começar a ser significativa, chegando a influenciar o comportamento do atuador, bem como o seu tempo de vida. Este efeito, devido à sua importância nos MEMS, tem vindo a ser foco de imensos estudos [1]– [7]. Desde o impacto que o valor da tensão de atuação tem sobre o tempo de vida dos atuadores [1], a sua caracterização e modelização [4] até novas abordagens, recorrendo a atuações bipolares [7], para tentar eliminar este efeito. Por outro lado, tem também sido explorado o impacto que fatores como a temperatura, o packaging ou mesmo a humidade provocam na carga acumulada no dielétrico. Contudo, os efeitos de carga em estruturas MEMS de placas paralelas continuam ainda por explorar, tendo apenas em [3] sido medida experimentalmente a variação no valor da tensão de pull-in que a acumulação de cargas no dielétrico provoca. No entanto, são ainda inexistentes os modelos que permitam relacionar os valores de densidade de carga com os valores de tensão aplicados, ou com a variação da tensão de pull-in. Além disto, é também ainda desconhecido o impacto que os tempos de atuação on/off apresentam no processo de carga do dielétrico. Assim, nesta dissertação foi efetuado um estudo em estruturas MEMS de placas paralelas visando a modelização das mesmas, onde um dos elétrodos do atuador é móvel e o outro se encontra fixo. Estes atuadores, devido ao seu processo de fabrico DRIE, possuem em cada um dos seus elétrodos uma fina camada de Teflon. Os modelos matemáticos considerados de base eram provenientes do estudo realizado em [4]. Contudo, para o estudo levado a cabo nesta dissertação, foi usado um tipo diferente de estrutura, apresentando uma tensão de atuação, enquanto a on, em rampa até ser atingida a tensão de pull-in, ao contrário do modelo apresentado por [4], onde as atuações são feitas com apenas um degrau de tensão. É também elaborado o estudo com o objetivo de observar o impacto que os diferentes tempos de atuação têm no processo de carga do dielétrico. Para os atuadores de placas paralelas foi observada uma relação linear entre a carga injetada no dielétrico e o valor da tensão de atuação. Foi também observado que a densidade de carga injetada no dielétrico é dada diretamente pela razão da área do dielétrico. Quanto aos tempos de atuação, foi observado que, com o aumento do tempo a off, o dielétrico demorava mais até carregar completamente, podendo mesmo chegar a nunca carregar na sua totalidade, dependendo do tempo a off.

MEMS devices during the past the years have experienced an high growth, however RF MEMS devices are hindered by their reliability problems. This is due to the lifetime of the devices being limited by, among others, charge effects. This effect is due to continuous applying a voltage on the actuator, which in turn, will lead to injecting charge in to the dielectric of the actuator, due to the high electric fields. After a while, the charge being built up will start to be meaningful, therefore changing the behaviour of the actuator as well as its lifetime. This effect, due to his importance in MEMS, is being the main focus from several studies [1]– [7]. From the impact of the actuation voltage on the actuators lifetime [1], its characterization and modeling [4] to new methods to mitigate this problem through bipolar actuation [7]. On the other hand, it has also been explored the impact that factors such as temperature, packaging or even the humidity cause on the charge built up into the dielectric. However, charge effects in MEMS devices with parallel plates are yet to explore, having only been measured in [3] the voltage shift due to the built up of charges in the dielectric. However, the models that allow to relate the charge densities values with the voltage actuation or with the pull-in voltage shift are still inexistent. Furthermore, it is still unknown the impact of the actuation times on the dielectric charging. Therefore, in this dissertation it has been made a study in a MEMS device of parallel plates, aiming their modeling, where one of the electrodes of the actuator is movable and the other one is fixed. These actuators, due to the its fabrication process DRIE, have in each of the electrodes a thin layer of Teflon. The mathematical models initially considered were from the study made in [4]. However, for the study accomplished in this dissertation it has been used a different kind of structure, where its actuation voltage, whilst on, is made by using voltage steps until the pull-in voltage is reached, in opposition to the modeling presented by [4], where the actuations are made with a single voltage step. It is also made a study in order to observe the role of different actuation times on the dielectric charging process. For the actuators of parallel plates it has been noticed a linear relationship between the injected charge into the dielectric and the actuation voltage. It has also been observed that the charge density injected in the dielectric is directly given by the dielectric area. About the actuation times, it has been observed that with the increase of the off time, the dielectric will take more time to be fully charged, and it may even never charge entirely, depending on its off time.