Out-of-plane excitation of MEMS resonators in the MHz range with a planar electrostatic transducer arrangement

Abstract

MEMS (micro electro-mechanical systems) resonators can be excited into a defined mechanical oscillation state in different ways. In this work, a concept for the electrostatic actuation of out-of-plane modes is presented, where both electrodes of the transducer element are located in one plane. The fabrication steps for this transducer are reduced to a minimum in order to enable a simplified production. The material used for the resonators are thin layers of polycrystalline silicon and polycrystalline diamond just a few micrometers thin. The excitation possibilities of different modes are tested and compared with different electrode configurations. Both long, narrow bars and wide plate resonators are used as the resonator geometry. Furthermore, this excitation method is compared with thermo-mechanical actuation, which is carried out contactlessly with alaser. In addition to the characterization of material-specific properties of MEMS resonators, the potential application of this transducer in process monitoring at wafer level during the manufacture of MEMS is also discussed.

MEMS (micro electro-mechanical systems) Resonatoren in einen definierten, mechanischen Schwingungszustand anzuregen kann auf unterschiedliche Arten erfolgen. In dieser Arbeit wird ein Konzept für die elektrostatische Anregung von out-of plane Moden präsentiert, wobei sich beide Elektroden des Transducerelementes in einer Ebene befinden. Die Fabrikationsschritte für diesen Transducer sind auf ein Minimum reduziert, um eine einfache Herstellung zu ermöglichen. Als Material für die Resonantoren kommen wenige Mikrometer dünne Schichten aus polykristallinem Silizium und polykristallinem Diamant zum Einsatz. Die Anregemöglichkeit von unterschiedlichen Moden wird mit verschiedenen Elektrodenkonfigurationen getestet und verglichen. Als Resonatorgeometrie kommen sowohl lange, schmale Balken als auch breiten Plattenresonatoren zum Einsatz. Des Weiteren erfolgt ein Vergleich dieser Anregungsmethode mit einer thermo-mechanischen Anregung, die kontaktlos mit einem Laser erfolgt. Neben der Charakterisierung von materialspezifischen Eigenschaften von MEMS Resonatoren wird darüber hinaus die potentielle Anwendung dieses Transducers im Prozessmonitoring auf Waferebene während der Herstellung von MEMS diskutiert.