Mikro-og Nanoelectromechanical Systems: En ny metode til lavpris 6D Inertial Sensor

af Dr. Philippe Robert

Abstrakt

Vi præsenterer en ny tilgang til meget lav pris 6D inerti-sensor. Dette koncept er baseret på ideen om at blande den samme enhed MEMS og NEMS teknologier. Den MEMS del anvendes til massen at holde tilstrækkelig inerti kraft, og den NEMS bruges som en meget følsom sub-μm suspenderet stress Gage. Dette koncept gør det muligt for både i-plane og out-of-plane acceleration eller corioliskraften opdagelse på en samme enhed. Det er også kompatibel med forskellen detektion til at reducere termiske driver.

Teknologisk realisering og første beskrivelser af 3-akse accelerometer og 3-aksen GyroMeter er nået, og vil blive nærmere beskrevet i præsentationen. På grundlag af disse resultater, giver en et fodspor mindre end 3,5 mm ² for integration af 3 akse accelerometer og 3 akse GyroMeter på samme chip. Til vores viden, har denne grad af integration og miniaturisering aldrig blevet præsenteret.

Motivation

MEMS markedsvækst kommer hovedsageligt fra forbrugermarkedet (mobiltelefon, spil, ...). For dette marked er et meget stærkt pres på MEMS producenter. Typisk 5 til 15% af omkostningsreduktion forventes hvert år for disse komponenter. Ved afslutningen, vil en simpel optimering af design og proces være utilstrækkelig, og derefter et teknologisk gennembrud er klart forventes at drastisk miniature-udgave af MEMS sensorer.

Ikke desto mindre er denne størrelse reduktion har store konsekvenser for inerti-sensor, navnlig med hensyn til ydeevne: Reduktion af seismiske masse har en direkte indvirkning på følsomhed, og sænker den nominelle kapacitet, med konsekvenser for signal-støj-forhold. For at overvinde disse begrænsninger, er et nyt koncept foreslået blande mikro-og nanoskala strukturer og dermed opkaldt M & NEMS. Den grundlæggende idé er at kombinere på en samme enhed en tyk MEMS lag for inertielle masse, med en tynd og smal NEMS del at realisere en suspenderet stamme Gage. En høj følsomhed kan opnås på grund af den meget høje stress koncentration som følge af den meget lille udsnit af silicium nanotrådene Gage og også af vippearmen effekten af ​​accelerometre og gyrometers design (se Fig. 1). De to tykkelser af M & NEMS tilgang giver også evnen til at have på en samme chip en in-plane og out-of-plane påvisning af inertien massebevægelse (se Fig. 2). Det betyder, at med dette koncept og teknologi, kan inerti sensorer kan integreres i mindre end 1 mm ² for 3D-accelerometer og mindre end 2,5 mm ² for 3D-GyroMeter.

Figur 1: Koncept for M & NEMS accelerometer: In-plane acceleration får massen til at rotere omkring den roterende aksel, der gælder en aksial stress i NEMS suspenderet Gage. Denne stress forstærkes af en momentarm effekt induceret af design (forstærkning x30), og også af den meget lille del af Gage steget med tyndet suspenderet Gage (forstørrelse x5)

Figur 2: Koncept for M & NEMS out-fly accelerometer. I denne konfiguration, forårsager en lodret acceleration massen til at rotere rundt på hængslerne. Denne rotation anvender en aksial stress i NEMS suspenderet gage (som Gage er tyndere end massen). Som for in-plane tilfælde er denne stress forstærkes af en vægtstang effekt.

Resultater

Et eksempel på in-plane accelerometer og X-aksen GyroMeter er vist i Fig. 3 og Fig. 5.

Figur 3: SEM baggrund af en in-plane accelerometer

Figur 4: Elektrisk karakterisering af en 50 g accelerometer (relativ variation af den Gage modstand mod acceleration)

Figur 5: SEM billede af en Z-akse GyroMeter

Et fokus på de Gage lader tydeligt fremgå MEMS inertielle masse af 15μm tyk, og den sub-μm Gage, der har en del af 0.25x0.25μm ^2. De 6 maske niveauer af M & NEMS Accelero og gyro teknologi vil blive nærmere beskrevet i præsentationen (fig. 7). Denne proces er baseret på en SOI teknologi, hvor NEMS del er fremstillet i tynde silicium aktive lag. Den MEMS del defineres inden for en 15μm silicium epitaksiale lag. Den elektriske beskrivelser af disse to typer af sensorer er stadig i gang, men indtil videre, alle de målte parametre er i perfekt aftale med simuleringer.

Figur 6: Q-faktor måling på Z-gyro

Figur 7: M & NEMS accelerometer procesflow

Det drejer sig om:

• Følsomheden (fig. 4), linearitet og termisk drift for accelerometer;
• Drevet og følelse resonansfrekvenser, Q-faktorer (Fig. 6), termisk og tryk adfærd for GyroMeter.

Med hensyn til GyroMeter, er følsomheden af ​​nano-GAGES sådan, at det kan fungere i en åben-loop-tilstand. En operation i groft vakuum emballage (uden getter) synes også meget sandsynlig.

Outlook

Nyt design og teknologiske kører er i gang med at gå videre i udviklingen af ​​dette koncept, især for at integrere sig i samme flow en 3D magnetometer og en tryksensor. Målet er at opnå ved slutningen af ​​demonstration af en IMU sensor-modul med ni-grader-of-frihed (3-akse accelerometer + 3-akse GyroMeter + 3-akse magnetometer) og en tryksensor integreret på samme chip.

Copyright AZoNano.com, MANCEF.org