Sistemas de Micro y nanoelectromecánicos: un nuevo enfoque de bajo costo 6D sensores inerciales

por el Dr. Philippe Robert

Abstracto

Estamos presentando un nuevo enfoque para un costo muy bajo 6D sensor inercial. Este concepto se basa en la idea de mezclar en el mismo dispositivo MEMS y NEMS tecnologías. La parte MEMS se utiliza para la masa para mantener la fuerza de inercia suficiente, y el NEMS se utiliza como una prueba muy sensible sub-micras medidor de estrés en suspensión. Este concepto permite que tanto en el plano y fuera del plano de la aceleración o la detección de la fuerza de Coriolis en un mismo dispositivo. También es compatible con la detección diferencial para reducir la deriva térmica.

Realización tecnológica y la caracterización de primer acelerómetro de 3 ejes y girómetro de 3 ejes se han logrado y se detallarán en la presentación. Sobre la base de estos resultados, se proporciona una superficie de menos de 3,5 mm ² para la integración de acelerómetro de 3 ejes y 3 girómetro eje en el mismo chip. A nuestro entender, este nivel de integración y miniaturización, nunca se ha presentado.

Motivación

El crecimiento del mercado de MEMS proviene principalmente de los mercados de consumo (teléfonos móviles, juegos, ...). Para este mercado, una presión muy fuerte se ejerce sobre los fabricantes de MEMS. Habitualmente de 5 a 15% de reducción de costos que se espera cada año para estos componentes. Al final, una simple optimización del proceso de diseño y no será suficiente y luego un gran avance tecnológico es claramente espera que miniaturizar radicalmente los sensores MEMS.

Sin embargo, esta reducción de tamaño tiene un gran impacto en sensores inerciales, en particular con respecto a la actuación: La reducción de la masa sísmica tiene un impacto directo sobre la sensibilidad, y disminuye la capacidad nominal, con consecuencias en la relación señal-ruido. Para superar estas limitaciones, un nuevo concepto se propone mezclar las estructuras micro y nanométrica, por lo tanto el nombre de M & NEMS. La idea básica consiste en combinar en un mismo dispositivo una capa gruesa de MEMS de la masa inercial, con una parte NEMS delgado y estrecho a darse cuenta de un medidor de tensión en suspensión. Una alta sensibilidad se puede obtener debido a la concentración de tensión muy alta inducida por la muy pequeña sección transversal de la galga nanocable de silicio y también por el efecto palanca de los acelerómetros y diseños girómetros (ver fig. 1). Los dos espesores de la oferta de enfoque M & NEMS también la posibilidad de tener en un mismo chip, una en el plano y fuera del plano de detección del movimiento de masas inerciales (ver fig. 2). Esto significa que con este concepto y la tecnología, sensores inerciales pueden ser integrados en menos de 1 mm ² para 3D acelerómetro y menos de 2,5 mm ² para el girómetro 3D.

Figura 1: Concepto del acelerómetro M & NEMS: En el plano de aceleración hace que la masa a girar alrededor del eje de rotación que se aplica un esfuerzo axial en el medidor de NEMS suspendido. Esta tensión se amplifica por el efecto de palanca inducida por el diseño (amplificación de x30), y también por la sección muy pequeña de la galga mayor calibre adelgazado por suspensión (ampliación x5)

Figura 2: Concepto de la M & NEMS fuera de plano acelerómetro. En esa configuración, una aceleración vertical hace que la masa para girar alrededor de las bisagras. Esta rotación se aplica un esfuerzo axial en el NEMS suspensión del indicador (como el calibre es más delgada que la masa). En cuanto al caso en el plano, esta tensión se amplifica por el efecto de palanca.

Resultados

Un ejemplo de acelerómetro en el plano y girómetro eje X se muestra en la figura. 3 y la figura. 5.

Figura 3: SEM vista de un acelerómetro en el plano

Figura 4: Caracterización eléctrica de un acelerómetro de 50 g (variación relativa de la aceleración Gage vs resistencia)

Figura 5: Vista de SEM de un girómetro eje Z

Un enfoque en el medidor le aparecen claramente de la masa de MEMS inerciales de 15μm de espesor, y el medidor de sub-micras que tiene una sección de 0.25x0.25μm ^2. Los seis niveles de la máscara de la Accelero M & NEMS y la tecnología de giroscopio se detallarán en la presentación (Fig. 7). Este proceso se basa en una tecnología SOI, donde se fabrica la parte NEMS en la capa de silicio activo delgado. La parte MEMS se define dentro de una capa de silicio epitaxial 15μm. La caracterización eléctrica de estos dos tipos de sensores están todavía en curso, pero hasta ahora, todos los parámetros medidos están en perfecto acuerdo con las simulaciones.

Figura 6: Q-factor de medición en el Z-giro

Figura 7: acelerómetro M & NEMS flujo del proceso

Se trata de:

• La sensibilidad (Fig. 4), la linealidad y la deriva térmica para el acelerómetro;
• Las frecuencias de la unidad y el sentido de resonancia, Q-factores (Fig. 6), el comportamiento térmico y de presión para el girómetro.

En cuanto a la girómetro, la sensibilidad de la nano-medidores es tal que puede funcionar en un modo de lazo abierto. Una operación en el envasado al vacío en bruto (sin getter), parece muy probable.

Punto de vista

Los nuevos diseños tecnológicos y se ejecuta en curso para avanzar en el desarrollo de este concepto, en particular, para integrar en el mismo flujo de un magnetómetro en 3D y un sensor de presión. El objetivo es lograr al final de la manifestación de un módulo de sensor IMU, con nueve grados de libertad (3-ejes del acelerómetro de 3 ejes + + girómetro 3 ejes magnetómetro) y un sensor de presión integrado en un mismo chip.

Derechos de autor AZoNano.com, MANCEF.org