ODTÜ MEMS Merkezinde ürettirilen MEMS teknolojisi tabanlı kapasitif rezonatörün test işlemleri Pamukkale Üniversitesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü MEMS laboratuvarında gerçekleştirilmiştir. Test kapsamında rezonatör yapısı için durağan kapasitans ölçümleri ve rezonans frekans ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Durağan kapasitans ölçümleri için GWInstek 8110 G LCR metre ve Everbeing CG196’dan oluşan test düzeneği kullanılmıştır.
MEMS teknolojisi tabanlı kapasitif rezonatörün empedansı, yapının mevcut potansiyeli ile üzerinden geçen akımın oranlaması ile ölçülmüştür. Ölçülen değer faz ve genlik olarak ifade edilebilmektedir. Test için LCR metrenin yüksek portu, yapının elektrotlarından birisine bağlanmıştır. Buradaki bağlantı için algılayıcı veya sürücü elektrottan birisi seçilir. LCR metrenin düşük portu için ataletsel kütlenin bağlı olduğu çapa bölgesi kullanılmıştır. Yapıya diğer elektrotun bağlantısı toprak ile yapılmıştır. Rezonans test ölçümleri sırasında LCR metrenin yüksek portundan, yapının elektrotuna AC+DC gerilim uygulanmıştır. Bu sayede yapı harekete geçirilmiştir. (Yamane ve diğ. (2016), Naik ve Hikihara (2011)).
Yapının durağan kapasitansının rezonans frekansına yaklaşırken artması, rezonans frekansında ise durağan kapasitans değerinde ani bir değişim beklenmektedir. Sonuç olarak kapasitans grafiğindeki ani değişimi gösteren nokta rezonans frekansını ifade etmektedir. Şekil 5.1’de literatürde daha öncenden yayınlanmış olan bir makalede bu yöntem ile elde edilen bir test sonucuna yer verilmiştir.
72
(a) (b)
Şekil 5.1: Yamane ve diğ. (2016) referansında, verilen duyarga için uygulanan rezonans testi: (a) Test
işlemi yapılan duyarga için LCR metrenin kontak noktalarının gösterimi, (b) Referansta yer alan duyarga için rezonans frekansı ölçüm sonucu 1369 Hz olarak verilmiştir.
Bu tez kapsamında Pamukkale Üniversitesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Bölümü MEMS Laboratuvarı tarafından sağlanan GW-Instek 8110 G LCR metre ve TÜBİTAK projesi kapsamında temin edilen Everbeing CG196 prob istasyonu ve DC besleme kutusu aracılığı ile test ölçüm işlemleri gerçekleştirilmiştir. Burada DC besleme kutusu, GW-Instek 8110 G LCR metre ile AC+DC gerilim uygulayabilmek için kullanılmıştır. Şekil 5.2’de ise bu tez için kullanılan test düzeneğine yer verilmiştir.
73
Şekil 5.2: MEMS teknolojisi tabanlı kapasitif rezonatörün rezonans testi için oluşturulan test düzeneği
(Pamukkale Üniversitesi Elektrik Elektronik Mühendisliği- MEMS Laboratuvarı).
Şekil 5.3 (a)’da gösterildiği gibi modifiye edilmiş cam üzerine Si yöntemi ile ürettirilen yapının pul seviyesinde rezonans test işlemleri yapılmıştır. Bu adımda prob istasyonunun manipülatörleri ile rezonatörün elektrot ve ataletsel kütlelerine kontak alınmıştır. Burada rezonatörün durağan kapasitansı ölçülmüştür. Ardından hem vakum ortamında hem de atmosfer ortamında bahsedilen yöntem ile rezonatörün rezonans testleri yapılmıştır. Şekil 5.3 (b)’de gösterilen işlemde ise vakum ortamında yapılan rezonans test işlemleri gösterilmiştir. Vakum ortamında yapılan testler 10 mTorr basınç ortamında yapılmıştır. Şekil 5.3 (c)’de ise duyarga seviyesinde gerçekleştirilen durağan kapasitans ve rezonans test ölçüm işlemlerine yer verilmiştir.
74
(a) (b)
(c)
Şekil 5.3: (a) Pul seviyesinde durağan kapasitans ve rezonans ölçüm işlemi yapılmıştır. (b) Vakum
ortamında yapılan testler 10 mTorr basınç ortamında gerçekleştirilmiştir. (c) Duyarga seviyesinde yapılan durağan kapasitans ve rezonans ölçüm işlemi yapılmıştır.
Şekil 5.4’de ise tasarımı ve üretimi tamamlanan yapının test işlemleri sonucu ölçülen durağan kapasitans değeri gösterilmiştir.
75
Durağan kapasitans değerinin ölçülmesinden sonra ise rezonans test işlemleri yapılmıştır. Rezonans test işlemleri vakumlu ve atmosferik ortam olmak üzere iki farklı ortamda gerçekleştirilmiştir. Şekil 5.5 ve 5.6’da vakumlu ve atmosferik ortamda test işlemleri sonucu elde edilen sonuçlar ve rezonans frekansları gösterilmiştir.
Şekil 5.5: Vakumlu ortamda (10mTorr) elde edilen rezonans ölçüm sonuçları.
Şekil 5.5’de yer alan test işlemleri vakumlu ortam VDC=1 V ve VAC=2 V koşulları altında gerçekleştirilmiştir. Sonucunda ise rezonans frekansı yaklaşık olarak 36.3 kHz elde edilmiştir.
Şekil 5.6’da test işlemleri atmosferik ortamda, VDC=30 V ve VAC=2 V koşulları altında gerçekleştirilmiştir. Atmosferik ortamda rezonans değeri 36.3 kHz olarak ölçülmüştür.
76
Şekil 5.6: Atmosferik ortamda elde edilen rezonans ölçüm sonuçları.
LCR metre ile yapılan testler sırasında kullanılan harici DC besleme kutusunun, frekansa bağlı olarak değişen bir parazitik kapasitansa neden olduğu gözlemlenmiştir. Bu durum ise kapasitans değerleri arasında farklılığa yol açmıştır. Şekil 5.7’de DC besleme kutusundan kaynaklı parazitik kapasitansın, frekansa bağlı değişimi gösterilmiştir. GW-Instek 8110 G LCR Metre cihazı açık ve kısa devre ile alakalı test yeteneklerine sahiptir. Ancak bu testleri DC besleme kutusunun kullanıldığı durumda gerçekleştirememektedir. Bu nedenle kalibrasyon seçenekleri yetersizdir. Bu yüzden rezonans frekans ölçümlerinde yaklaşık olarak 250fF’lık bir parazitik kapasitans gözlemlenmiştir. Bu yüzden Şekil 5.5 ve 5.6‘da 1.2 pF civarında bir kapasitans değeri gözlemlenmiştir.
77
Şekil 5.7: LCR metre ile belirlenen, DC besleme kutusunun neden olduğu parazitik kapasitans değerinin
frekansa bağlı değişimi.
Atmosfer ortamında yapılan testler sırasında, MEMS rezonatör yapısına VAC=2 V koşulları altında harici bir DC kaynağı ile farklı gerilimler uygulanmıştır. Bu kapsamda farklı gerilimlerden elde edilen veriler ile kapasitansın frekansa bağlı değişim grafiği elde edilmiştir. Şekil 5.8’de farklı gerilimler için elde edilen kapasitansın frekansa göre değişimini gösteren grafik yer almaktadır. Bu grafiği elde etmek için LCR metrede okunan parazitik kapasitans belirlenmiştir. Daha sonra yapılan rezonans frekansı ölçüm sonuçlarından elde edilen veriler bilgisayar ortamına aktarılmıştır. Böylece DC besleme kutusu kaynaklı parazitik kapasitans etkisi manuel olarak ölçüm değerinden çıkarılmıştır. Ayrıca Şekil 5.8’den MEMS rezonatör yapısının rezonans frekansını belirlemek için minimum 5 V’luk bir DC gerilime ihtiyaç duyduğu görülmüştür.
78
Şekil 5.8: İşlevsellik testleri esnasında farklı gerilimler uygulanarak elde edilen durağan kapasitans
değerleri.
Ek olarak MEMS yapıları için kalite faktörü önemli bir parametredir. Kalite faktörünün tahmin ile alakalı literatürde daha önceden yapılan çalışmalar mevcuttur (Chen ve diğ. (2018), Yoon ve diğ. (2009), Li ve diğ. (2013)). Belirtilen referanslarda yer alan yöntemde admitans denkleminden elde edilen kondüktans ve süseptans grafiklerinden faydalanılmıştır.
Denklem (5.1)’de admitans denklem verilmiştir. Burada G kondüktansı, B ise süseptansı ifade etmektedir (Li ve diğ. 2013).
Y G jB (5.1)
Rezonans davranışı elektriksel olarak Butterworth Van-Dyke (BVD) devre modeli ile incelenmektedir (Yoon ve diğ. 2009). Yoon ve diğ. (2009) referansında ifade edilen BVD devre modeli ise Şekil 5.9’da gösterilmektedir. Burada Şekil 5.9’da ifade edilen eşdeğer devre modelinden admitans denklemi elde edilebilmektedir.
79
Şekil 5.9’da Cp paralel kapasitansı ifade etmektedir. MEMS sistemlerinde Cp
durağan kapasitansa karşılık gelmekte olup parazitik etkilerin toplamı ile beraber devrede gösterilebilir (Sabry ve diğ 2012).
Şekil 5.9: Butterworth Van-Dyke eşdeğer devre modeli (Yoon ve diğ. 2009).
Karmaşık düzlemde ifade edilen admitans denkleminin süseptans ve kondüktans grafikleri, rezonans frekansının merkezine yakın bir grafik izlemektedir (Chen ve diğ. (2018), Yoon ve diğ. (2009), Li ve diğ. (2013)). Bu grafiklerin eksenlerindeki kayma band genişliğini ifade etmektedir. Şekil 5.10’da bu durum aktarılmıştır. Ayrıca Gmax ‘ın olduğu nokta rezonans frekansını ifade etmektedir (Yoon ve diğ. 2009).
Şekil 5.10: Referans gösterilen makalede tasarımı gerçekleştirilen QCM duyarganın kondüktans ve
80
Chen ve diğ. (2018) tarafından tasarlanan duyarganın kondüktans ve süseptans grafikleri elde edilmiş olup, bu grafiklerde reel ve sanal eksendeki kaymanın bant genişliğini ifade ettiği gösterilmiştir. Burada Г bant genişliğini, fo ise rezonans
frekansını göstermektedir. Bu şekilde Q tahmini gerçekleştirilmiştir.
Şekil 5.11: Test işlemleri sonucu LCR metre ile elde edilen kondüktans ve süseptans grafikleri.
Şekil 5.11’de görüldüğü üzere, tasarlanan MEMS rezonatör yapısının aynı zamanda kondüktans ve süseptans grafikleri LCR metre aracılığı ile belirlenmiştir. Burada elde edilen veriler ile Gmax ve Gmax’ın yarısına karşılık gelen frekans değerleri Şekil 5.11’de gösterilmiştir. Buradan Chen ve diğ. (2018) tarafından da ifade edildiği gibi kalite faktörü elde edilmiştir. Bu durum ise aşağıdaki işlem adımları ile gösterilmiştir.
81
Burada Г, Gmax ve Gmax’ın yarısına karşılık gelen frekans değerleri arsındaki farktan elde edilmektedir. Г bant genişliği 212 Hz şeklinde elde edilmiştir. Sonrasında ise Denklem (5.2) yardımı ile Q test sonuçlarından alınan değere göre 101 olarak belirlenmiştir. 2 o f Q Г (5.2)
Test sonuçları neticesinde durağan kapasitans değerinin hemen hemen ölçülen değer ile yakın olduğu görülmektedir. FEM analizleri ile durağan kapasitans 1.08 pF elde edilmiştir. Test ölçümleri sonucunda ise yapının durağan kapasitansı 1.091 pF ölçülmüştür. Aradaki küçük değer farkının ise test düzeneği ve parazitik kapasitanslardan dolayı meydana geldiği değerlendirmektedir.
Rezonans ölçümlerinde ise FEM analizi sonucu elde edilen değer ile test işlemlerinde elde edilen ölçüm sonuçlarının farklı olduğu görülmüştür. Üretim aşamasında yay yapıları ve kapasitif parmakların arasındaki açıklıkların farklı değerlere sahip olmasından kaynaklı olduğu ve DRIE aşındırılması sırasında gerçekleştiği tahmin edilmektedir. Üretim aşamasında, aşındırma adımından kaynaklı olarak yapının yay yapılarının inceldiği düşünülmektedir. Bu duruma benzer bir gözlem literatürde (Tez ve diğ. 2015) tarafından da yapılmıştır. Üretimden kaynaklı olarak, teorik ve deneysel rezonans frekansı sonuçlarında farklılıklar görülmektedir.
82