Micrófono y Sistemas de Nanoelectromechanical: Una Nueva Aproximación para el Bajo Sensor De Inercia del Costo 6D

por el Dr. Felipe Roberto

Felipe Roberto, Patrice Rey, Patrice, Arnaldo Walther, Guillaume Jourdan y Mylène Savoye, CEA-LETI
Autor Correspondiente: philippe.robert@cea.fr

Extracto

Estamos presentando un nuevo enfoque para el sensor de inercia muy bajo del costo 6D. Este concepto se basa en la idea de mezclarse en el mismo dispositivo MEMS y tecnologías de NEMS. La pieza de MEMS se utiliza para que la masa guarde la suficiente fuerza de inercia, y se utiliza el NEMS mientras que un indicador de tensión suspendido sub-µm muy sensible. Este concepto permite el en-avión y la aceleración del fuera-de-avión o detección de la fuerza de Coriolis en un mismo dispositivo. Es también compatible con la detección diferenciada reducir desviaciones térmicas.

La realización Tecnológica y las primeras caracterizaciones del acelerómetro triaxial y del gyrometer triaxial se han logrado y serán detalladas en la presentación. En base de estos resultados, uno proporciona a una huella de 3,5 milímetros más pequeños2 para la integración del acelerómetro de 3 ejes y del gyrometer de 3 ejes en la misma viruta. A nuestro conocimiento, este nivel de integración y la miniaturización nunca se ha presentado.

Estímulo

El incremento del mercado de MEMS viene principal del mercado de consumidores (teléfono celular, juego,…). Para este mercado, una presión muy fuerte se ejerce en fabricantes de MEMS. Típicamente 5 al 15% de reducción de costes se prevee cada año para estos componentes. En el extremo, una optimización simple del diseño y el proceso serán escasos y entonces se prevee que un descubrimiento tecnológico sin obstrucción miniaturice drástico los sensores de MEMS.

Sin Embargo, esta reducción de talla tiene impactos importantes en el sensor de inercia, particularmente con respecto al funcionamiento: Reducir la masa sísmica tiene un impacto directo en la sensibilidad, y baja la capacitancia nominal, con consecuencias en relación señal-ruido. Para vencer estas limitaciones, un nuevo concepto se propone que mezcla las estructuras del micrófono y del nanoscale, así se nombra M&NEMS. La idea básica es combinar en un mismo dispositivo a la capa gruesa de MEMS para la masa de inercia, con una pieza fina y estrecha de NEMS de realizar un indicador de deformación suspendido. Una alta sensibilidad puede ser obtenido debido a la concentración de tensión muy alta inducida por el corte transversal muy pequeño del indicador del nanowire del silicio y también por la arma de palanca el efecto de los acelerómetros y de los gyrometers diseña (véase Fig. 1). Los dos espesores de la aproximación de M&NEMS ofrecen también la capacidad de tener en una misma viruta un en-avión y una detección del fuera-de-avión del movimiento en masa de inercia (véase Fig. 2). Significa que con este concepto y tecnología, los sensores de inercia se pueden integrar en menos de 1 milímetro2 para 3D-accelerometer y menos de 2,5 milímetros2 para el 3D-gyrometer.

Cuadro 1: Concepto del acelerómetro de M&NEMS: la aceleración del En-Avión hace la masa girar alrededor del árbol de rotación que aplica una tensión axil en el indicador suspendido NEMS. Esta tensión es amplificada por un efecto de la arma de palanca inducido por el diseño (amplificación x30), y también por la sección muy pequeña del indicador creciente en el indicador suspendido enrarecido (magnificación x5)
Cuadro 2: Concepto del acelerómetro del fuera-avión de M&NEMS. En esa configuración, una aceleración vertical hace la masa girar alrededor de las charnelas. Esta rotación aplica una tensión axil en el indicador suspendido NEMS (pues el indicador es más fino que la masa). En Cuanto al caso del en-avión, esta tensión es amplificada por un efecto de la arma de palanca.

Resultados

Un ejemplo del acelerómetro del en-avión y el gyrometer de X-AXIS se muestran en Fig. 3 y Fig. 5.

Cuadro 3: Opinión de SEM de un acelerómetro del en-avión
Cuadro 4: Caracterización Eléctrica de un acelerómetro 50g (variación relativa de la resistencia del indicador comparado con la aceleración)
Cuadro 5: Opinión de SEM de un gyrometer de Z-AXIS

Un enfoque en el indicador permite sin obstrucción para aparecer la masa de inercia de MEMS del 15µm grueso, y el indicador sub-µm que tiene una sección de los 0.25x0.25µm2. Los 6 niveles de la máscara de la tecnología del accelero y de la brújula giroscópica de M&NEMS serán detallados en la presentación (Fig. 7). Este proceso se basa en una tecnología de SOI donde la pieza de NEMS se fabrica en la capa fina del active del silicio. La pieza de MEMS se define dentro de una capa epitaxial del silicio del 15µm. Las caracterizaciones eléctricas de estas dos clases de sensores están todavía en curso, pero hasta ahora, todos los parámetros medidos están en el acuerdo perfecto con las simulaciones.

Cuadro 6: medición del Q-Factor en la Z-Brújula Giroscópica
Cuadro 7: Flujo de proceso del acelerómetro de M&NEMS

Trata:

  • La sensibilidad (Fig. 4), linearidad y desviación térmica para el acelerómetro;
  • Las frecuencias resonantes del mecanismo impulsor y del sentido, Q-Factores (comportamiento de la Fig. 6), la termal y de la presión para el gyrometer.

Respecto al gyrometer, la sensibilidad de los nano-indicadores es tal que puede trabajar en un modo de anillo abierto. Una operación en el empaquetamiento al vacío áspero (sin el absorbedor o colector) parece también muy probable.

Perspectiva

Los Nuevos diseños y las corridas tecnológicas están en curso entrar más lejos en el revelado de este concepto, particularmente integrar en lo mismo flujo un magnetómetro 3D y un sensor de la presión. La meta es lograr en el extremo la demostración de un módulo del sensor de IMU con la nueve-grado-de-libertad (acelerómetro triaxial + gyrometer triaxial + magnetómetro triaxial) y un sensor de la presión integró en una misma viruta.

Derechos De Autor AZoNano.com, MANCEF.org

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

Last Update: 14. June 2013 04:44

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