Mikro und Nanoelectromechanical-Anlagen: Ein Neues Konzept für Niedrigen TrägheitsFühler der Kosten-6D

durch Dr. Philippe Robert

Philippe Robert, Patrice Rey, Patrice, Arnaud Walther, Guillaume Jourdan und Mylène Savoye, CEA-LETI
Entsprechender Autor: philippe.robert@cea.fr

Zusammenfassung

Wir stellen einen neuen Anflug für sehr niedrigen Trägheitsfühler der Kosten 6D dar. Dieses Konzept basiert auf der Idee, auf der gleichen Einheit MEMS und NEMS-Technologien zu mischen. Das MEMS-Teil wird verwendet, damit die Masse genügende Trägheitskraft hält, und das NEMS wird als sehr empfindliches unter--µm verschobenes Druckanzeigeinstrument verwendet. Dieses Konzept gewährt beide auf gleicher Ebene und Aus-vonflugzeug Beschleunigung oder Coriolis-Kraftbefund auf einer gleichen Einheit. Es ist auch mit differenzialem Befund kompatibel, thermische Antriebe zu verringern.

Technologische Realisierung und erste Kennzeichnungen des Beschleunigungsmessers mit 3 Schwerpunkten und des 3 Schwerpunkt gyrometer sind erzielt worden und werden in der Darstellung einzeln aufgeführt werden. Aufgrund von diesen Ergebnissen stellt man einen Abdruck kleinere als 3,5 mm2 für die Integration des Beschleunigungsmessers mit 3 Schwerpunkten und des 3 Schwerpunkt gyrometer auf dem gleichen Chip zur Verfügung. Unseres Wissens ist dieses Niveau der Integration und Miniaturisierung nie dargestellt worden.

Motivation

Das MEMS-Marktwachstum kommt hauptsächlich vom Absatzmarkt für Konsumgüter (Handy, Spiel,…). Für diesen Markt wird ein sehr starker Druck auf MEMS-Herstellern ausgeübt. Gewöhnlich 5 bis 15% von Kostenaufstellung wird jedes Jahr für diese Bauteile erwartet. Am Ende sind eine einfache Optimierung der Auslegung und Prozess unzureichend und dann wird ein technologischer Durchbruch offenbar erwartet, die MEMS-Fühler drastisch zu miniaturisieren.

Dennoch hat dieses Zerkleinern spürbare Auswirkungen auf Trägheitsfühler, insbesondere hinsichtlich der Leistung: Die Verringerung der seismischen Masse hat eine direkte Auswirkung auf die Empfindlichkeit und senkt die nominale Kapazitanz, mit Konsequenzen auf Signal zur Rauschzahl. Um diese Beschränkungen auszugleichen, wird ein neues Konzept Mikro- und nanoscalezellen mischend vorgeschlagen, benannt so M&NEMS. Die Grundidee ist, auf einer gleichen Einheit ein starke MEMS-Schicht für die Trägheitsmasse zu kombinieren, mit einem dünnen und schmalen NEMS-Teil, ein verschobenes Dehnungsmessgerät zu verwirklichen. Eine hohe Empfindlichkeit kann an der sehr hohen Kerbwirkung erreichtes liegen, die durch den sehr kleinen Querschnitt des Silikon nanowire Anzeigeinstruments verursacht wird und auch durch Hebelarm konstruiert der Effekt der Beschleunigungsmesser und der gyrometers (sehen Sie Feige. 1). Die zwei Stärken des M&NEMS-Anfluges bieten auch die Fähigkeit an, um auf einem gleichen Chip, das auf gleicher Ebene sind und Aus-vonflugzeug Befund der Trägheitsmassenbewegung zu haben (sehen Sie Feige. 2). Es bedeutet, dass mit diesem Konzept und Technologie, Trägheitsfühler in weniger als 1 mm für 3D-accelerometer2 und in weniger als 2,5 mm für das2 3D-gyrometer integriert werden können.

Abbildung 1: Konzept des M&NEMS-Beschleunigungsmessers: Auf gleicher Ebene veranlaßt Beschleunigung die Masse, um die rotierende Antriebswelle zu rotieren, die einen axialen Druck im NEMS verschobenen Anzeigeinstrument anwendet. Dieser Druck wird durch einen Hebelarmeffekt verstärkt, der durch die Auslegung (Verstärkung x30) verursacht wird und auch durch das sehr kleine Kapitel des Anzeigeinstruments, das erhöht wird durch verdünntes verschobenes Anzeigeinstrument (Vergrößerung x5)
Abbildung 2: Konzept des M&NEMS-ausflugzeug Beschleunigungsmessers. In dieser Konfiguration veranlaßt eine vertikale Beschleunigung die Masse, um die Scharniere zu rotieren. Diese Rotation wendet einen axialen Druck im NEMS verschobenen Anzeigeinstrument an (da das Anzeigeinstrument dünner als die Masse ist). Als für den auf gleicher Ebene Fall, wird dieser Druck durch einen Hebelarmeffekt verstärkt.

Ergebnisse

Ein Beispiel auf gleicher Ebene des Beschleunigungsmessers und X-Schwerpunkt gyrometer werden in Fig. 3 und in der Feige gezeigt. 5.

Abbildung 3: SEM-Ansicht eines auf gleicher Ebene Beschleunigungsmessers
Abbildung 4: Elektrische Kennzeichnung eines Beschleunigungsmessers 50g (relative Variante des Anzeigeinstrumentwiderstands gegen Beschleunigung)
Abbildung 5: SEM-Ansicht eines Z-Schwerpunkt gyrometer

Ein Fokus auf dem Anzeigeinstrument lässt offenbar erscheinen die MEMS-Trägheitsmasse von starkem 15µm und das unter--µm Anzeigeinstrument, das ein Kapitel von 0.25x0.25µm hat2. Die 6 Maskenniveaus der M&NEMS-accelero und -kreiselkompasstechnologie werden in der Darstellung einzeln aufgeführt (Feige. 7). Dieser Prozess basiert auf einer SOI-Technologie, in der das NEMS-Teil in der dünnen Silikon Activeschicht hergestellt wird. Das MEMS-Teil wird innerhalb einer Epitaxial- Schicht 15µm Silikons definiert. Die elektrischen Kennzeichnungen dieser zwei Arten der Fühler sind noch im Gang, aber bis jetzt, stimmen alle gemessenen Parameter perfektes mit den Simulationen überein.

Abbildung 6: Q-Faktor Maß auf dem Z-Kreiselkompaß
Abbildung 7: M&NEMS-Beschleunigungsmesser-Prozessfluß

Er betrifft:

  • Die Empfindlichkeit (Feige. 4), Linearitäten und thermischer Antrieb für den Beschleunigungsmesser;
  • Die Antriebs- und Richtungseigenfrequenzen, Q-Faktoren (Feige. 6), Thermal- und Druckverhalten für das gyrometer.

Hinsichtlich des gyrometer ist die Empfindlichkeit der Nano-anzeigeinstrumente so, dass sie in einem offenen Regelkreis- Modus arbeiten kann. Eine Operation im rauen Vakuumverpacken (ohne Empfänger) scheint auch sehr wahrscheinlich.

Aussicht

Neue Auslegungen und technologische Bodenläufe sind im Gang, weiter in die Entwicklung dieses Konzeptes zu gehen, insbesondere, in den selben Fluss zu integrieren ein Magnetometer 3D und ein Druckfühler. Das Ziel ist, am Ende die Vorführung eines IMU-Fühlerblocks mit Neun-Grad-vonfreiheit (3-Schwerpunkt Beschleunigungsmesser + 3 Schwerpunkt gyrometer + das Magnetometer mit 3 Schwerpunkten) zu erzielen und ein Druckfühler integrierte auf einem gleichen Chip.

Copyright AZoNano.com, MANCEF.org

Date Added: Nov 30, 2010 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 04:12

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