Voltage programmable dual-band bandpass/bandstop filter response in a single micro-electro-mechanical device

This paper reports on a switchable multi-band filter response achieved within a single micro-electro-mechanical device. A prototype device fabricated in a SOI process demonstrates a voltage programmable and tunable, dual-band, band-pass/band-stop response. Both analytical and finite element models are introduced in this paper to elucidate the operating principle of the filter and to guide filter design. Voltage programmability of the filter characteristic is demonstrated with the ability to independently tune the centre frequency and bandwidth for each band. A representative measurement shows that the minimum 3 dB-bandwidth (BW) is 155 Hz, 140Hz, and 20 dB-BW is 216 Hz, 203Hz for the upper-band and lower-band center frequencies located at 131.5 kHz and 130.7 kHz, respectively. © 2011 IEEE.

Micro-electro-mechanical resonant tilt sensor

This paper reports a micro-electro-mechanical tilt sensor based on resonant sensing principles. The tilt sensor measures orientation by sensing the component of gravitational acceleration along a specified input axis. Design aspects of the tilt sensor are first introduced and a design trade-off between sensitivity, resolution and robustness is addressed. A prototype sensor is microfabricated in a foundry process. The sensor is characterized to validate predictive analytical and FEA models of performance. The prototype is tested over tilt angles ranging over ±90 degrees and the linearity of the sensor is found to be better than 1.4% over the tilt angle range of ±20°. The noise-limited resolution of the sensor is found to be approximately 0.00026 degrees for an integration time of 0.6 seconds. © 2012 IEEE.

Micro-electro-mechanical resonant tilt sensor with 250 nano-radian resolution

This paper reports a high-resolution frequency-output MEMS tilt sensor based on resonant sensing principles. The tilt sensor measures orientation by sensing the component of gravitational acceleration along a specified input axis. A combination of design enhancements enables significantly higher sensitivity for this device as compared to previously reported prototype sensors. The MEMS tilt sensor is calibrated on a manual tilt table over tilt angles ranging over 0-90 degrees with a relatively linear response measured in the range of ±20°(linearity error <2.3%) with a scale factor of approximately 50.06 Hz/degree. The noise-limited resolution of the sensor is found to be approximately 250 nano-radians for an integration time of 0.8 s, which is over an order of magnitude better than previously reported results [1]. © 2013 IEEE.

Air-gap based vertical cavity micro-opto-electro-mechanical Fabry-Perot filters

Mikrooptische Filter sind heutzutage in vielen Bereichen in der Telekommunikation unersetzlich. Wichtige Einsatzgebiete sind aber auch spektroskopische Systeme in der Medizin-, Prozess- und Umwelttechnik. Diese Arbeit befasst sich mit der Technologieentwicklung und Herstellung von luftspaltbasierenden, vertikal auf einem Substrat angeordneten, oberflächenmikromechanisch hergestellten Fabry-Perot-Filtern. Es werden zwei verschiedene Filtervarianten, basierend auf zwei verschiedenen Materialsystemen, ausführlich untersucht. Zum einen handelt es sich dabei um die Weiterentwicklung von kontinuierlich mikromechanisch durchstimmbaren InP / Luftspaltfiltern; zum anderen werden neuartige, kostengünstige Siliziumnitrid / Luftspaltfilter wissenschaftlich behandelt. Der Inhalt der Arbeit ist so gegliedert, dass nach einer Einleitung mit Vergleichen zu Arbeiten und Ergebnissen anderer Forschergruppen weltweit, zunächst einige theoretische Grundlagen zur Berechnung der spektralen Reflektivität und Transmission von beliebigen optischen Schichtanordnungen aufgezeigt werden. Auß erdem wird ein kurzer theoretischer Ü berblick zu wichtigen Eigenschaften von Fabry-Perot-Filtern sowie der Möglichkeit einer mikromechanischen Durchstimmbarkeit gegeben. Daran anschließ end folgt ein Kapitel, welches sich den grundlegenden technologischen Aspekten der Herstellung von luftspaltbasierenden Filtern widmet. Es wird ein Zusammenhang zu wichtigen Referenzarbeiten hergestellt, auf denen diverse Weiterentwicklungen dieser Arbeit basieren. Die beiden folgenden Kapitel erläutern dann ausführlich das Design, die Herstellung und die Charakterisierung der beiden oben erwähnten Filtervarianten. Abgesehen von der vorangehenden Epitaxie von InP / GaInAs Schichten, ist die Herstellung der InP / Luftspaltfilter komplett im Institut durchgeführt worden. Die Herstellungsschritte sind ausführlich in der Arbeit erläutert, wobei ein Schwerpunktthema das trockenchemische Ä tzen von InP sowie GaInAs, welches als Opferschichtmaterial für die Herstellung der Luftspalte genutzt wurde, behandelt. Im Verlauf der wissenschaftlichen Arbeit konnten sehr wichtige technische Verbesserungen entwickelt und eingesetzt werden, welche zu einer effizienteren technologischen Herstellung der Filter führten und in der vorliegenden Niederschrift ausführlich dokumentiert sind. Die hergestellten, für einen Einsatz in der optischen Telekommunikation entworfenen, elektrostatisch aktuierbaren Filter sind aus zwei luftspaltbasierenden Braggspiegeln aufgebaut, welche wiederum jeweils 3 InP-Schichten von (je nach Design) 357nm bzw. 367nm Dicke aufweisen. Die Filter bestehen aus im definierten Abstand parallel übereinander angeordneten Membranen, die über Verbindungsbrücken unterschiedlicher Anzahl und Länge an Haltepfosten befestigt sind. Da die mit 357nm bzw. 367nm vergleichsweise sehr dünnen Schichten freitragende Konstrukte mit bis zu 140 nm Länge bilden, aber trotzdem Positionsgenauigkeiten im nm-Bereich einhalten müssen, handelt es sich hierbei um sehr anspruchsvolle mikromechanische Bauelemente. Um den Einfluss der zahlreichen geometrischen Strukturparameter studieren zu können, wurden verschiedene laterale Filterdesigns implementiert. Mit den realisierten Filter konnte ein enorm weiter spektraler Abstimmbereich erzielt werden. Je nach lateralem Design wurden internationale Bestwerte für durchstimmbare Fabry-Perot-Filter von mehr als 140nm erreicht. Die Abstimmung konnte dabei kontinuierlich mit einer angelegten Spannung von nur wenigen Volt durchgeführt werden. Im Vergleich zu früher berichteten Ergebnissen konnten damit sowohl die Wellenlängenabstimmung als auch die dafür benötigte Abstimmungsspannung signifikant verbessert werden. Durch den hohen Brechungsindexkontrast und die geringe Schichtdicke zeigen die Filter ein vorteilhaftes, extrem weites Stopband in der Größ enordnung um 550nm. Die gewählten, sehr kurzen Kavitätslängen ermöglichen einen freien Spektralbereich des Filters welcher ebenfalls in diesen Größ enordnungen liegt, so dass ein weiter spektraler Einsatzbereich ermöglicht wird. Während der Arbeit zeigte sich, dass Verspannungen in den freitragenden InPSchichten die Funktionsweise der mikrooptischen Filter stark beeinflussen bzw. behindern. Insbesondere eine Unterätzung der Haltepfosten und die daraus resultierende Verbiegung der Ecken an denen sich die Verbindungsbrücken befinden, führte zu enormen vertikalen Membranverschiebungen, welche die Filtereigenschaften verändern. Um optimale Ergebnisse zu erreichen, muss eine weitere Verbesserung der Epitaxie erfolgen. Jedoch konnten durch den zusätzlichen Einsatz einer speziellen Schutzmaske die Unterätzung der Haltepfosten und damit starke vertikale Verformungen reduziert werden. Die aus der Verspannung resultierenden Verformungen und die Reaktion einzelner freistehender InP Schichten auf eine angelegte Gleich- oder Wechselspannung wurde detailliert untersucht. Mittels Weisslichtinterferometrie wurden lateral identische Strukturen verglichen, die aus unterschiedlich dicken InP-Schichten (357nm bzw. 1065nm) bestehen. Einen weiteren Hauptteil der Arbeit stellen Siliziumnitrid / Luftspaltfilter dar, welche auf einem neuen, im Rahmen dieser Dissertation entwickelten, technologischen Ansatz basieren. Die Filter bestehen aus zwei Braggspiegeln, die jeweils aus fünf 590nm dicken, freistehenden Siliziumnitridschichten aufgebaut sind und einem Abstand von 390nm untereinander aufweisen. Die Filter wurden auf Glassubstraten hergestellt. Der Herstellungsprozess ist jedoch auch mit vielen anderen Materialien oder Prozessen kompatibel, so dass z.B. eine Integration mit anderen Bauelemente relativ leicht möglich ist. Die Prozesse dieser ebenfalls oberflächenmikromechanisch hergestellten Filter wurden konsequent auf niedrige Herstellungskosten optimiert. Als Opferschichtmaterial wurde hier amorph abgeschiedenes Silizium verwendet. Der Herstellungsprozess beinhaltet die Abscheidung verspannungsoptimierter Schichten (Silizium und Siliziumnitrid) mittels PECVD, die laterale Strukturierung per reaktiven Ionenätzen mit den Gasen SF6 / CHF3 / Ar sowie Fotolack als Maske, die nasschemische Unterätzung der Opferschichten mittels KOH und das Kritisch-Punkt-Trocken der Proben. Die Ergebnisse der optischen Charakterisierung der Filter zeigen eine hohe Ü bereinstimmung zwischen den experimentell ermittelten Daten und den korrespondierenden theoretischen Modellrechnungen. Weisslichtinterferometermessungen der freigeätzten Strukturen zeigen ebene Filterschichten und bestätigen die hohe vertikale Positioniergenauigkeit, die mit diesem technologischen Ansatz erreicht werden kann.

Control Design Applied to a Micro Electro Mechanical System: MEMS Comb drive

This paper presents the linear optimal control technique for reducing the chaotic movement of the micro-electro-mechanical Comb Drive system to a small periodic orbit. We analyze the non-linear dynamics in a micro-electro-mechanical Comb Drive and demonstrated that this model has a chaotic behavior. Chaos control problems consist of attempts to stabilize a chaotic system to an equilibrium point, a periodic orbit, or more general, about a given reference trajectory. This technique is applied in analyzes the nonlinear dynamics in an MEMS Comb drive. The simulation results show the identification by linear optimal control is very effective.

A reducing of a chaotic movement to a periodic orbit, of a micro-electro-mechanical system, by using an optimal linear control design

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

On a Nonideal (MRD) Damper-Electro-mechanical Absorber Dynamics

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Harmonical oscillator and electro-mechanical analogy: an interdiscinary experiment to high precision mass variation measurements

De forma geral, os cursos de física clássica oferecidos nas universidades carecem de exemplos de aplicações nas áreas de química e biologia, o que por vezes desmotivam os alunos de graduação destas áreas a estudarem os conceitos físicos desenvolvidos em sala de aula. Neste texto, a analogia entre os osciladores elétrico e mecânico é explorada visando possívies aplicações em química e biologia, mostrando-se de grande valia devido ao seu uso em técnicas de medição de variação de massa com alta precisão, tanto de forma direta como indireta. Estas técnicas são conhecidas como técnicas eletrogravimétricas e são de especial importância em aplicações que envolvem biossensores. Desta forma, o texto explora o estudo da analogia eletromecânica de forma interdisciplinar envolvendo as áreas de física, química e biologia. Baseado nessa analogia é proposto um experimento que permite a sua aplicação em diferentes níveis conceituais dessas disciplinas, tanto em abordagem básica como mais profunda.

Chaotic vibrations of a nonideal electro-mechanical system

Nonideal systems are those in which one takes account of the influence of the oscillatory system on the energy supply with a limited power (Kononenko, 1969). In this paper, a particular nonideal system is investigated, consisting of a pendulum whose support point is vibrated along a horizontal guide by a two bar linkage driven by a DC motor, considered to be a limited power supply. Under these conditions, the oscillations of the pendulum are analyzed through the variation of a control parameter. The voltage supply of the motor is considered to be a reliable control parameter. Each simulation starts from zero speed and reaches a steady-state condition when the motor oscillates around a medium speed. Near the fundamental resonance region, the system presents some interesting nonlinear phenomena, including multi-periodic, quasiperiodic, and chaotic motion. The loss of stability of the system occurs through a saddle-node bifurcation, where there is a collision of a stable orbit with an unstable one, which is approximately located close to the value of the pendulum's angular displacement given by alpha (C)= pi /2. The aims of this study are to better understand nonideal systems using numerical simulation, to identify the bifurcations that occur in the system, and to report the existence of a chaotic attractor near the fundamental resonance. (C) 2001 Elsevier B.V. Ltd. All rights reserved.

Escape in a nonideal electro-mechanical system

In this work a particular system is investigated consisting of a pendalum whose point of support is vibrated along a horizontal guide by a two bar linkage driven from a DC motor, considered as a limited power source. This system is nonideal since the oscillatory motion of the pendulum influences the speed of the motor and vice-versa, reflecting in a more complicated dynamical process. This work comprises the investigation of the phenomena that appear when the frequency of the pendulum draws near a secondary resonance region, due to the existing nonlinear interactions in the system. Also in this domain due to the power limitation of the motor, the frequency of the pendulum can be captured at resonance modifying completely the final response of the system. This behavior is known as Sommerfield effect and it will be studied here for a nonlinear system.

Swarm control designs applied to a micro-electro-mechanical gyroscope system (MEMS)

This paper analyzes the non-linear dynamics of a MEMS Gyroscope system, modeled with a proof mass constrained to move in a plane with two resonant modes, which are nominally orthogonal. The two modes are ideally coupled only by the rotation of the gyro about the plane's normal vector. We demonstrated that this model has an unstable behavior. Control problems consist of attempts to stabilize a system to an equilibrium point, a periodic orbit, or more general, about a given reference trajectory. We also developed a particle swarm optimization technique for reducing the oscillatory movement of the nonlinear system to a periodic orbit. © 2010 Springer-Verlag.

Optimal linear control to parametric uncertainties in a micro electro mechanical system

This paper, a micro-electro-mechanical systems (MEMS) with parametric uncertainties is considered. The non-linear dynamics in MEMS system is demonstrated with a chaotic behavior. We present the linear optimal control technique for reducing the chaotic movement of the micro-electromechanical system with parametric uncertainties to a small periodic orbit. The simulation results show the identification by linear optimal control is very effective. © 2013 Academic Publications, Ltd.