Characterisation and integration of materials and processes for planar spiral microinductors with permalloy cores

The increasing density of electronics within portable electronic devices provides the motivation to develop more compact power electronics, such as DC-DC converters. Typically, integrated circuits and each passive component, such as inductors, are discreetly packaged and mounted on printed circuit board (PCB), to implement the converter. Hence for further size reduction there has been growing interest for integration schemes such as Power supply in package (PwrSiP). However, the ultimate goal is the monolithic integration of the power supply solution, in an integration scheme known as Power Supply on Chip (PwrSoC). The economic effectiveness of the converter will be determined by the device footprint and number of processing steps required to fabricate the inductor. Hence, the motivation behind this thesis is the need for microinductors with large inductance density (inductance per device footprint) while maintaining low losses, which can be integrated with silicon IC. Furthermore, the need for thick layers will result in issues with yield and reliability of the fabricated device. Hence there is a need to identify, characterise and integrate materials with low residual stress into the microinductor fabrication process. A typical choice of inter-coil dielectric is the photo-definable epoxy SU-8. However, SU-8 suffers from intrinsic issues with high residual stress and adhesion. One possible replacement for SU-8 as a structural and dielectric layer is Parylene-C. The first objective of this thesis proposes a test-bed inductor process, which incorporates Parylene as a structural and dielectric layer and has a short turnaround time of one week. This fabrication process involves the filling of high aspect ratio gaps between copper structures with Parylene and subsequent chemical mechanical planarisation, and a test chip has been designed to characterise these processes. Additionally, Scotch-tape testing has been used to confirm suitable Parylene adhesion to patterned and unpatterned films used in this process. Subsequently, complete microinductors, with magnetic cores, have been fabricated, characterised and benchmarked against other inductor technologies and architectures reported in the literature. Parylene is expected to produce films with low residual stress due to its room temperature deposition process. However, the test-bed inductor process requires thermal treatments up to 140°C. Hence it was necessary to characterise the stress in Parylene films as a result of processing temperature and compare this to stress levels in SU-8 5 and 3005 films. This study has determined the spatial variation of residual stress in Parylene-C and SU-8 films, by combining automated measurements of strain indicator test structures and local nanoindentation measurements of Young’s modulus. These measurements have been used to wafer map strain, Young’s modulus, and subsequently residual stress in these films, as a result of processing parameter variation. It is well known that placing ferromagnetic material in close proximity to current carrying coils can further enhance the measured inductance value. However, the conductive magnetic core is also a source of loss for the microinductor. Hence, magnetic permeability, electrical resistivity and mechanical stress in the magnetic core influence the inductance value, eddy current losses and reliability of the fabricated microinductor, respectively. The ability to characterise these properties on wafer is essential for process control and verification measurements. This thesis details a test chip capable of routine measurements on NiFe films to characterise the spatial variation of these properties. Furthermore, wafer mapping measurements are reported to identify the correlation between high frequency permeability, electrical resistivity, mechanical strain and the chemical composition of two-component Permalloy film (NixFe(100-x)) electroplated on the surface of 100mm silicon wafers. Finally, MEMS-based inductor fabrication processes typically require a number of electrodeposition steps, which require conductive seed layers for the deposition of the coils and magnetic core material. A typical choice of seed layer is copper. However, due to copper’s paramagnetic behaviour (μ = 1) and low electrical resistivity (ρ=6.69μΩ.cm) this layer contributes to eddy current losses, while acting as a thin ‘screening layer’. It is very likely that using a magnetic seed layer, within the magnetic core, will noticeably reduce eddy current related losses. However, detailed systematic experimental studies on any such improvement have not been documented in the literature. This study involves compositional, structural, electrical and magnetic characterisation of Ni80Fe20 films electro-deposited on non-magnetic and magnetic seed layers (i.e. copper and nickel respectively). Mechanical strain test structures and X-ray analysis have been used to characterise the stress levels and structural properties of Ni80Fe20 films electro-deposited on both copper and nickel seed layers. In addition, planar spiral micro-inductors, both with and without patterned magnetic cores, have been fabricated to determine the effect of patterning on their performance. This is in addition to quantifying the improvement in the electrical performance resulting from the enhanced magnetic and resistive contribution provided by magnetic seed layers

Integrated Magnetic MEMS Relays:Status of the Technology

The development and application of magnetic technologies employing microfabricated magnetic structures for the production of switching components has generated enormous interest in the scientific and industrial communities over the last decade. Magnetic actuation offers many benefits when compared to other schemes for microelectromechanical systems (MEMS), including the generation of forces that have higher magnitude and longer range. Magnetic actuation can be achieved using different excitation sources, which create challenges related to the integration with other technologies, such as CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor), and the requirement to reduce power consumption. Novel designs and technologies are therefore sought to enable the use of magnetic switching architectures in integrated MEMS devices, without incurring excessive energy consumption. This article reviews the status of magnetic MEMS technology and presents devices recently developed by various research groups, with key focuses on integrability and effective power management, in addition to the ability to integrate the technology with other microelectronic fabrication processes

Wideband vibration energy harvesting using electromagnetic transduction for powering internet of things

The ‘Internet of Things-(IoT)’ envisions a world scattered with physical sensors that collect and transmit data about almost anything and thereby enabling intelligent decision-making for a smart environment. While technological advancements have reduced the power consumption of such devices significantly, the problem of perpetual energy supply beyond the limited capability of batteries is a bottleneck to this vision which is yet to be resolved. This issue has surged the research to investigate the prospect of harvesting the energy out of ambient mechanical vibrations. However, limited applications of conventional resonant devices under most practical environments involving frequency varying inputs, has gushed the research on wideband transducers recently. To facilitate multi-frequency operation at low-frequency regime, design innovations of the Silicon-onInsulator based MEMS suspension systems are performed through multi-modal activation. For continuous bandwidth widening, the benefits of using nonlinear stiffness in the system dynamics are investigated. By topologically varying the spring architectures, dramatically improved operational bandwidth with large power-density is obtained, which is benchmarked using a novel figure-of-merit. However, the fundamental phenomenon of multi-stability limits many nonlinear oscillator based applications including energy harvesting. To address this, an electrical control mechanism is introduced which dramatically improves the energy conversion efficiency over a wide bandwidth in a frequencyamplitude varying environment using only a small energy budget. The underlying effects are independent of the device-scale and the transduction methods, and are explained using a modified Duffing oscillator model. One of the key requirements for fully integrated electromagnetic transducers is the CMOS compatible batch-fabrication of permanent magnets with large energy-product. In the final module of the works, nano-structured CoPtP hard-magnetic material with large coercivity is developed at room-temperature using a current modulated electro-deposition technique. The demagnetization fields of the magnetic structures are minimized through optimized micro-patterns which enable the full integration of high performance electromagnetic energy harvesters

Mikro-Nano-Integration für metallische Mikrosysteme mit vertikal integrierten Federelementen

Mikro-Nano-Integration (MNI) ist ein skalenübergreifender Ansatz, um Nanomaterialien in Mikrosystemen zur Anwendung zu bringen. Die Nanotechnologie bietet vielfältige, vollständig neuartige Effekte sowie wesentlich verstärkt auftretende Effekte und stellt so eine Bereicherung für die Funktionalität von Mikrosystemen dar. Gleichzeitig liefert die Mikrotechnik eine sehr gezielte Anbindung der Nanomaterialien an die Systemtechnik, sodass sich aus geringen Mengen Nanomaterial große Effekte im MNI-System erzielen lassen. Daher ist zu erwarten, dass der Einsatz von Nanomaterialien in Mikrosystemen zukünftig stark anwachsen wird. Das Anwendungsspektrum der MNI-Systeme erstreckt sich bereits heute von einem sehr starken Sektor der Mikrosensorik, über Mikroaktorik, Mikroelektronik und Optik bis hin zu Chemie, Energie und biotechnischen Systemen. Eine umfangreiche Analyse zum Stand der Technik und zum Stand der Standardisierung verdeutlicht die Relevanz des Themenfelds. Die Technologie zur Integration von Nanomaterialien weist eine Reihe an Herausforderungen auf, da die Integrationsschritte erheblichen Einfluss auf die Nanomaterialeigenschaften haben. In dieser Arbeit werden Verfahren zur Vor-Ort-Synthese hochgeordneter 1-D Nanomaterialien betrachtet, insbesondere galvanisch abgeschiedener metallischer Nanodrähte. Sind diese Nanodrähte senkrecht stehend auf einem Trägersubstrat verankert, können sie als einseitig eingespannte Biegestäbe betrachtet und in alle lateralen Richtungen flexibel federnd gebogen werden. Diese Eigenschaft macht sich der hier untersuchte Ansatz zum Aufbau eines Inertialsensors zunutze. Fixiert man eine Inertialmasse am freien Ende des Biegestabs, ist diese in erster Näherung mit zwei lateralen translatorischen und zwei lateralen rotatorischen Freiheitsgraden aufgehängt. Somit lässt sich mit einer einzigen Inertialmasse die Beschleunigung in zwei lateralen Raumrichtungen bzw. die Drehrate aus der Ebene hinaus in Richtung der Biegestab-Hauptachse messen. Die Besonderheit dieses Ansatzes liegt in den geringen Abmessungen sowie der Skalierbarkeit des Konzepts. Im Gegensatz zum Stand der Technik bei Silizium-Inertialsensoren wird für Federelement und Masseelement deutlich weniger Chipfläche benötigt. Die Arbeit beschreibt die statische und dynamische Auslegung des Beschleunigungs- und des Drehratensensors einschließlich Stabilitätsbetrachtung des Biegestabs, der Übertragungsfunktionen und der Dimensionierung von der Mikroaktorik. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der Fertigung des Technologie-Demonstrators basierend auf den Verfahren UV-Lithographie mit anschließender Galvanoformung (UV LIGA) und Röntgen-Synchrotron-Lithographie mit anschließender Galvanoformung (Röntgen LIGA). Diese ermöglichen die Fertigung senkrecht stehender dünner Stäbe aus Metall, die als Federelemente dienen, in direkter Umgebung von Metallquadern, die als Inertialmassen fungieren. Mit Hilfe tiefenlithographischer Verfahren auf Basis von UV-Strahlung bzw. von Röntgen-Synchrotron-Strahlung lassen sich Photoresiste so mikrostrukturieren, dass Öffnungen mit Länge-zu-Durchmesser-Verhältnissen (Aspektverhältnissen) von bis zu 14,5 für UV-Strahlung und von bis zu 70 für Röntgen-Synchrotron-Strahlung entstehen. Die Kombination von Lithographieschritten in mehreren aufeinander folgenden Ebenen mit Metallabscheideschritten erlaubt die Vor-Ort-Synthese der Inertialsensor-Funktionselemente. Im Rahmen dieser Arbeit entstehen so Technologie-Demonstatoren für einachsige, differentiell kapazitiv auswertbaren Beschleunigungssensoren mit Federelementen und Inertialmassen aus galvanisch abgeschiedenem Kupfer. Ihr Aufbau zu Sensor-Demonstratoren mündet in der Charakterisierung des statischen und dynamischen Übertragungsverhaltens. Der Übertragungsfaktor eines Sensor-Demonstrators beträgt 26,46 fF/g. Die Durchmesser der als Federelemente eingesetzten Stäbe lassen sich entsprechend der Auslegung gezielt zwischen 1,5 µm und 75 µm bei Längen zwischen 94 µm und 409 µm einstellen. Die Skalierbarkeit des Konzepts stellt jedoch in Aussicht, auch Submikro- und Nanodrähte mit Durchmessern kleiner als 1 µm einzusetzen. Diese Arbeit stellt den internationalen Stand der Technik zur Mikro-Nano-Integration in einem neuen Umfang dar. Beispielhaft geht sie intensiv auf die Auslegung eines Multi-Inertialsensor-Technologie-Demonstrators mit nur einer Probemasse und nur einem Federelement ein und stellt so einen wegweisenden Ansatz für neuartige hochminiaturisierte Inertialsensoren vor. Auf technologischer Ebene geht die Arbeit auf neuartige Ansätze zur Optimierung der galvanischen Multiskalenfertigung ein und gibt detaillierte Parameter zur Reproduktion der gesamten Prozesskette an. Erstmals wird die Funktion eines Inertialsensors mit nur einem vor Ort synthetisierten Biegestab aus Metall als Federelement experimentell nachgewiesen