Dielectric charge control in contactless capacitive MEMS
Authors:   , Gorreta Mariné Sergio 
Published: August 2023

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.