Simultaneous Control of Dielectric Charge and Device Capacitance in Electrostatic MEMS
Abstract: Abstract-This work presents a double closed-loop for controlling simultaneously the net dielectric charge and the device capacitance in contactless electrostatic MEMS devices. The first loop controls the net charge trapped in the dielectric layer by continuously monitoring the horizontal displacement of the C-V characteristic and applying bipolar actuation voltages to keep such net charge at the target value. The second loop adapts the actuation voltages so that the measured capacitance matches a desired value… Show more
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Dielectric charge control in contactless capacitive MEMS
Micro-Electro-Mechanical Systems, or MEMS, has been a continuously growing technology during the last decades. Since 1959, when the theoretical physicist Richard Feynman introduced the concept of nanotechnology in his famous talk "There is plenty of room at the bottom", several companies and researchers have been involved in the permanent improving of these devices. MEMS is the technology of microscopic devices, particularly those with moving parts and it is widely used in both sensing and actuating applications. In this regard, a large number of microsensors for almost every possible sensing modality have been de- veloped, including pressure, inertial forces, chemical species, magnetic fields, etc. Accordingly to this, MEMS can be found today in many real applications across multiple markets, such as automotive, consumer, defense, industrial, medical, telecommunications, etc. The main advantages for the use of MEMS in front of other classical technologies are small size, low cost, high isolation and low power consumption. However, there are still some reliability issues hindering the use of MEMS devices in some applications. Mechanical and electrical phenomena involving such micro-scale structures have been matter of study during the last years, being dielectric charging the most important in the case of electrostatically actuated MEMS. The charge accumulated in dielectric layers has a significant impact on the behavior of such devices by altering the electric field distribution in the structure and causing some undesirable effects such as shifts of the Capacitance-Voltage (C-V) characteristic and even permanent stiction of movable mechanical parts, so that the device becomes permanently damaged. Thus, detection and control of dielectric charge are of capital importance due to their strong influence on device performance and reliability. In order to face this challenge, in this Thesis dielectric charge phenomena have been studied under bipolar voltage actuation and several different control strategies have been proposed. These control schemes have demonstrated to be useful to set the dielectric charge to a desired level for contactless MEMS such as varactors, electrostatic positioners or microphone MEMS. Furthermore, these methods have provided the first active compensation of charge trapping generated by ionizing radiation in any device. The first approach to control trapped charge proposed consisted in alternating voltage polarity, depending on the sampled value of the device capacitance. This method demonstrated the feasibility of compensating horizontal shifts of the C-V by charge injection while paving the way for the second control proposed. For the implementation of this second method, which was later patented worldwide, two voltage waveforms were introduced for both monitoring and controlling the net trapping charge. This method resulted in a true sigma-delta modulator capable of providing control for both signs of net trapped charge. Finally, two further methods were proposed which improved the performance of the second control. The first one implemented a second-order sigma-delta control and the last one introduced some modifications in the feedback loop to allow continuous capacitance control while dielectric charge is being also controlled. Los sistemas micro-electromecánicos, conocidos como MEMS, constituyen una alternativa tecnologíca que ha experimentado un gran crecimiento en las últimas décadas. Desde que en 1959, cuando el físico teórico Richard Feynman introdujo el concepto de nanotecnología en su famosa conferencia "There is plenty of room at the bottom", multitud de investigadores y empresas se han dedicado al desarrollo y la mejora permanente de este tipo de dispositivos. Las principales ventajas del uso de MEMS frente otras tecnologías más clásicas radican en su menor tamaño, su reducido coste y su bajo consumo. En tanto MEMS se refiere habitualmente a tecnologías micrométricaa de dispositivos que presentan partes móbiles, éstos son extensamente utilizados en aplicaciones tanto de detección como de actuación. Así, se ha desarrollado un gran número de microsensores MEMS, cubriendo prácticamente todas las modalidades de detección, incluyendo presión, fuerzas inerciales, sustancias químicas, campos magnéticos, etc. Hoy en día, se utilizan dispositivos MEMS en aplicaciones de mercados como automoción, industria, medicina, telecomunicaciones, defensa, etc. Sin embargo, existen aún problemas de fiabilidad que limitan el uso de los MEMS en determinadas aplicaciones. Los fenómenos mecánicos y eléctricos que se producen en estas estructuras micrométricas han sido objeto de estudio durante los últimos años, siendo el más destacado el producido por la carga eléctrica acumulada en las capas dieléctricas que forman parte de los MEMS actuados electrostáticamente. Esta acumulación de carga altera la distribución de campo eléctrico en el dispositivo, afectando el comportamiento y las prestaciones de éste y causando efectos no deseados, como desplazamientos de la característica Capacidad-Tensión (C-V) e incluso colapsos indeseados de las partes móviles, que pueden conllevar daños permanentes. En consecuencia, la detección y el control de la carga acumulada en dieléctricos de MEMS son temas de vital importancia, debido a su enorme impacto en el rendimiento y la fiabilidad de los dispositivos. Esta Tesis aborda este desafío, primero estudiando y modelizando la dinámica de la acumulación de carga dieléctrica cuando el dispositivo se actúa con tensiones bipolares, y, a continuación, proponiendo y evaluando estrategias de control de dicha carga. Se han demostrado estrategias que, por primera vez, permiten mantener un nivel de carga prefijado en dispositivos MEMS que operan en estado abierto, como varactores, posicionadores electrostáticos o micrófonos MEMS. Además, estos controles han permitido realizar la primera demostración de compensación activa de carga generada por radiaciones ionizantes en dispositivos MEMS. El primer control propuesto consistía en alternar la polaridad de la tensión de actuación, dependiendo del valor de capacidad del dispositivo medido periódicamente. Con el uso de este método se demostró la factibilidad de compensar desplazamientos horizontales de la C-V mediante la inyección de carga debida a la actuación y se abrió el camino para la concepción de un segundo método mejorado. Para la implementación de este segundo método, que fue patentado más tarde, se propusieron dos formas de onda para actuar el dispositivo, que permiten tanto la monitorización como el control de la carga atrapada. Este método se basa en la modulación sigma-delta de primer orden y permite, por primera vez, controlar la carga neta atrapada en el dieléctrico. Finalmente, se han propuesto dos métodos de control más, con el objetivo de introducir mejoras sobre los ya comentados. El primero de ellos implementa una modulación sigma-delta de segundo orden, mientras que en el segundo se introducen algunas modificaciones en el lazo de ralimentación que permiten el control de la capacidad del dispositivo al mismo tiempo que el control de la carga neta atrapada.
Dielectric charge control in contactless capacitive MEMS
Micro-Electro-Mechanical Systems, or MEMS, has been a continuously growing technology during the last decades. Since 1959, when the theoretical physicist Richard Feynman introduced the concept of nanotechnology in his famous talk "There is plenty of room at the bottom", several companies and researchers have been involved in the permanent improving of these devices. MEMS is the technology of microscopic devices, particularly those with moving parts and it is widely used in both sensing and actuating applications. In this regard, a large number of microsensors for almost every possible sensing modality have been de- veloped, including pressure, inertial forces, chemical species, magnetic fields, etc. Accordingly to this, MEMS can be found today in many real applications across multiple markets, such as automotive, consumer, defense, industrial, medical, telecommunications, etc. The main advantages for the use of MEMS in front of other classical technologies are small size, low cost, high isolation and low power consumption. However, there are still some reliability issues hindering the use of MEMS devices in some applications. Mechanical and electrical phenomena involving such micro-scale structures have been matter of study during the last years, being dielectric charging the most important in the case of electrostatically actuated MEMS. The charge accumulated in dielectric layers has a significant impact on the behavior of such devices by altering the electric field distribution in the structure and causing some undesirable effects such as shifts of the Capacitance-Voltage (C-V) characteristic and even permanent stiction of movable mechanical parts, so that the device becomes permanently damaged. Thus, detection and control of dielectric charge are of capital importance due to their strong influence on device performance and reliability. In order to face this challenge, in this Thesis dielectric charge phenomena have been studied under bipolar voltage actuation and several different control strategies have been proposed. These control schemes have demonstrated to be useful to set the dielectric charge to a desired level for contactless MEMS such as varactors, electrostatic positioners or microphone MEMS. Furthermore, these methods have provided the first active compensation of charge trapping generated by ionizing radiation in any device. The first approach to control trapped charge proposed consisted in alternating voltage polarity, depending on the sampled value of the device capacitance. This method demonstrated the feasibility of compensating horizontal shifts of the C-V by charge injection while paving the way for the second control proposed. For the implementation of this second method, which was later patented worldwide, two voltage waveforms were introduced for both monitoring and controlling the net trapping charge. This method resulted in a true sigma-delta modulator capable of providing control for both signs of net trapped charge. Finally, two further methods were proposed which improved the performance of the second control. The first one implemented a second-order sigma-delta control and the last one introduced some modifications in the feedback loop to allow continuous capacitance control while dielectric charge is being also controlled. Los sistemas micro-electromecánicos, conocidos como MEMS, constituyen una alternativa tecnologíca que ha experimentado un gran crecimiento en las últimas décadas. Desde que en 1959, cuando el físico teórico Richard Feynman introdujo el concepto de nanotecnología en su famosa conferencia "There is plenty of room at the bottom", multitud de investigadores y empresas se han dedicado al desarrollo y la mejora permanente de este tipo de dispositivos. Las principales ventajas del uso de MEMS frente otras tecnologías más clásicas radican en su menor tamaño, su reducido coste y su bajo consumo. En tanto MEMS se refiere habitualmente a tecnologías micrométricaa de dispositivos que presentan partes móbiles, éstos son extensamente utilizados en aplicaciones tanto de detección como de actuación. Así, se ha desarrollado un gran número de microsensores MEMS, cubriendo prácticamente todas las modalidades de detección, incluyendo presión, fuerzas inerciales, sustancias químicas, campos magnéticos, etc. Hoy en día, se utilizan dispositivos MEMS en aplicaciones de mercados como automoción, industria, medicina, telecomunicaciones, defensa, etc. Sin embargo, existen aún problemas de fiabilidad que limitan el uso de los MEMS en determinadas aplicaciones. Los fenómenos mecánicos y eléctricos que se producen en estas estructuras micrométricas han sido objeto de estudio durante los últimos años, siendo el más destacado el producido por la carga eléctrica acumulada en las capas dieléctricas que forman parte de los MEMS actuados electrostáticamente. Esta acumulación de carga altera la distribución de campo eléctrico en el dispositivo, afectando el comportamiento y las prestaciones de éste y causando efectos no deseados, como desplazamientos de la característica Capacidad-Tensión (C-V) e incluso colapsos indeseados de las partes móviles, que pueden conllevar daños permanentes. En consecuencia, la detección y el control de la carga acumulada en dieléctricos de MEMS son temas de vital importancia, debido a su enorme impacto en el rendimiento y la fiabilidad de los dispositivos. Esta Tesis aborda este desafío, primero estudiando y modelizando la dinámica de la acumulación de carga dieléctrica cuando el dispositivo se actúa con tensiones bipolares, y, a continuación, proponiendo y evaluando estrategias de control de dicha carga. Se han demostrado estrategias que, por primera vez, permiten mantener un nivel de carga prefijado en dispositivos MEMS que operan en estado abierto, como varactores, posicionadores electrostáticos o micrófonos MEMS. Además, estos controles han permitido realizar la primera demostración de compensación activa de carga generada por radiaciones ionizantes en dispositivos MEMS. El primer control propuesto consistía en alternar la polaridad de la tensión de actuación, dependiendo del valor de capacidad del dispositivo medido periódicamente. Con el uso de este método se demostró la factibilidad de compensar desplazamientos horizontales de la C-V mediante la inyección de carga debida a la actuación y se abrió el camino para la concepción de un segundo método mejorado. Para la implementación de este segundo método, que fue patentado más tarde, se propusieron dos formas de onda para actuar el dispositivo, que permiten tanto la monitorización como el control de la carga atrapada. Este método se basa en la modulación sigma-delta de primer orden y permite, por primera vez, controlar la carga neta atrapada en el dieléctrico. Finalmente, se han propuesto dos métodos de control más, con el objetivo de introducir mejoras sobre los ya comentados. El primero de ellos implementa una modulación sigma-delta de segundo orden, mientras que en el segundo se introducen algunas modificaciones en el lazo de ralimentación que permiten el control de la capacidad del dispositivo al mismo tiempo que el control de la carga neta atrapada.
Identification and control of diffusive systems applied to charge trapping and thermal space sensors
The work underlying this Thesis, has contributed to the main study and characterization of diffusive systems. The research work has been focused on the analysis of two kind of systems. On the one hand, the dynamics of thermal anemometers has been deeply studied. These sensors detect the wind velocity by measuring the power dissipated of a heated element due to forced convection. The thermal dynamics of different sensor structures have been analyzed and modeled during the Thesis work. On the other hand, we have dealed with microelectromechanical systems (MEMS). The dynamics of charge trapped in the dielectric layer of these systems has also been studied. It is know, that this undesired effect has been associated to diffusion phenomena. In this Thesis a characterization method based on the technique of Diffusive Representation (DR), for linear and nonlinear time-varying diffusive systems, is presented. This technique allows to describe a system with an arbitrary order state-space model in the frequency domain. The changes in the dynamics of a system over time may come as a result of the own actuation over the device or as a result of an external disturbance. In the wind sensor case, the time variation of the model comes from the wind, which is an external disturbance, whereas in the MEMS case, changes in the actuation voltage generate time-variation in the model. The state-space models obtained from DR characterization have proven to be able to reproduce and predict the behaviour of the devices under arbitrary excitations. Specifically, in the case of wind sensors, the thermal dynamics of these sensors, under constant temperature operation, has been predicted for different wind velocities using Sliding Mode Controllers. As it has been observed, these controllers also help to understand how the time response of a system, under closed loop, can be accelerated beyond the natural limit imposed by its own thermal circuit if the thermal filter associated to the sensor structure has only one significative time constant. The experimental corroboration of the thermal analysis is presented with various prototypes of wind sensors for Mars atmosphere. On one side, the time-varying thermal dynamics models of two different prototypes of a spherical 3-dimensional wind sensor, developed by the Micro and Nano Technologies group of the UPC, have been obtained. On the other side, the engineering model prototype of the wind sensor of the REMS (Rover Environmental Monitoring Station) instrument that it is currently on board the Curiosity rover in Mars has been characterized. For the characterization of the dynamics of the parasitic charge trapped in the dielectric layer of a MEMS device, the experimental validation is obtained through quasi-differential capacitance measurements of a two-parallel plate structure contactless capacitive MEMS. El trabajo que subyace a esta Tesis, ha contribuido principalmente al estudio y la caracterización de los sistemas difusivos. El trabajo de investigación se ha centrado en el análisis de dos tipos de sistemas. Por un lado, la dinámica de los anemómetros térmicos ha sido estudiada en profundidad. Estos sensores detectan la velocidad del viento a través de la medida de la potencia disipada en un elemento caliente debido a la convección forzada. Durante el trabajo de esta Tesis, se ha analizado y modelado la dinámica térmica de diferentes sensores . Por otro lado, se han tratado también los sistemas microelectromecánicos (MEMS). Se ha estudiado la dinámica de la carga atrapada en la capa dieléctrica de estos sistemas. Este fenómeno lento e indeseado está asociado a fenómenos de difusión. En esta Tesis se presenta un método de caracterización basado en la técnica de Representación Difusa (DR), para sistemas difusivos lineales y no lineales que varían en el tiempo. Esta técnica permite describir un sistema con un modelo de variables de estado de orden arbitrario en el dominio frecuencial. Los cambios en la dinámica de un sistema a lo largo del tiempo pueden ser debidos a la propia actuación sobre el dispositivo o como resultado de una perturbación externa. En el caso del sensor de viento, la variación de tiempo del modelo proviene de la propia variación del viento, la cual es una perturbación externa, mientras que en el caso de los dispositivos MEMS, los cambios en la tensión de actuación generan variaciones en el tiempo en el modelo. Los modelos de variables de estado obtenidos a partir de la caracterización con Representación Difusiva tienen la capacidad de reproducir y predecir el comportamiento de dichos dispositivos ante excitaciones arbitrarias. En concreto, en el caso de los sensores de viento, la dinámica térmica de estos sensores, operando a temperatura constante, se ha predicho para diferentes velocidades de viento, usando la teoría de los Sliding Mode Controllers (Controladores de Modo Deslizante). Tal y como se ha observado, estos controladores ayudan también a comprender cómo la respuesta temporal de un sistema, en lazo cerrado, puede acelerarse más allá del límite natural impuesto por su propio circuito térmico si el filtro térmico asociado a la estructura del sensor tiene solo una constante de tiempo significativa. La corroboración experimental del análisis térmico se presenta con varios prototipos de sensores de viento para la atmósfera de Marte. Por un lado, se han obtenido los modelos de la dinámica térmica variable en el tiempo de dos prototipos diferentes de un sensor de viento 3D esférico, desarrollado por el grupo de Micro y Nano Tecnologías de la UPC. Por otro lado, se ha caracterizado el prototipo de modelo de ingeniería del sensor de viento del instrumento REMS (Rover Environmental Monitoring Station) que está actualmente abordo del rover Curiosity en Marte. Para la caracterización de la dinámica de la carga atrapada en la capa dieléctrica de un dispositivo MEMS, la validación experimental se ha obtenido a través de medidas cuasi-diferenciales de la capacidad de un dispositivo MEMS con estructura de dos placas paralelas.
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