Micro et Systèmes de Nanoelectromechanical : Un Élan Neuf pour le Senseur À Inertie du Coût Bas 6D

par M. Philippe Robert

Philippe Robert , Patrice Rey , Patrice , Arnaud Walther , Guillaume Jourdan et Mylène Savoye , CEA-LETI
Auteur Correspondant : philippe.robert@cea.fr

Résumé

Nous présentons un élan nouvel pour très le senseur à inertie du coût bas 6D. Ce concept est basé sur l'idée de se mélanger sur le même dispositif MEMS et les technologies de NEMS. La pièce de MEMS employée pour que la masse maintienne la suffisamment de force à inertie, et le NEMS est est utilisé pendant qu'une sous-µm jauge de stress suspendue très sensible. Ce concept dépistage permet le dans-plan et l'accélération d'à l'extérieur-de-plan ou de Coriolis force sur un même dispositif. Il est également compatible avec le dépistage différentiel pour réduire les chassoirs thermiques.

La réalisation Technologique et les premières caractérisations de l'accéléromètre triaxial et du gyrometer triaxial ont été réalisées et seront détaillées dans l'exposé. Sur la base de ces résultats, on fournit une empreinte de pas de plus petits que 3,5 millimètres2 pour l'intégration de l'accéléromètre de 3 axes et du gyrometer de 3 axes sur la même puce. À notre connaissance, ce niveau de l'intégration et miniaturisation n'a été jamais présenté.

Motivation

L'accroissement du marché de MEMS vient principalement du marché de consommateurs (téléphone portable, jeu,…). Pour ce marché, une pression très intense est exercée sur des constructeurs de MEMS. En Général 5 à 15% de réduction des coûts est prévus tous les ans pour ces composants. À l'extrémité, une optimisation simple de design et le procédé seront insuffisants et alors on s'attend à ce que de manière dégagée une percée technologique miniaturise rigoureusement les senseurs de MEMS.

Cependant, cette réduction de la taille a des impacts majeurs sur le senseur à inertie, en particulier en ce qui concerne la performance : La Réduction de la masse sismique a une incidence directe sur la sensibilité, et abaisse la capacité nominale, avec des conséquences sur le taux de signal-bruit. Pour surmonter ces limitations, un concept neuf est les structures de mélange proposées de micro et de nanoscale, ainsi nommé M&NEMS. L'idée de base est de combiner sur un même dispositif par couche épaisse de MEMS pour la masse à inertie, avec une pièce mince et étroite de NEMS de réaliser une jauge de contrainte suspendue. Une sensibilité élevée peut être due obtenu à la concentration de contrainte élevée même induite par la petite coupe transversale même de la jauge de nanowire de silicium et également par le bras de levier l'effet des accéléromètres et des gyrometers conçoit (voir la Fig. 1). Les deux épaisseurs de l'élan de M&NEMS offrent également la capacité d'avoir sur une même puce un dans-plan et un dépistage d'à l'extérieur-de-plan du mouvement de masse à inertie (voir la Fig. 2). Il signifie qu'avec ces concept et technologie, des senseurs à inertie peuvent être intégrés dans moins de 1 millimètre2 pour 3D-accelerometer et moins de 2,5 millimètres2 pour le 3D-gyrometer.

Le Schéma 1 : Concept de l'accéléromètre de M&NEMS : l'accélération de Dans-Plan fait tourner la masse autour de la tige de rotation qui applique un stress axial dans la jauge suspendue par NEMS. Ce stress est amplifié par un effet de bras de levier induit par le design (amplification x30), et également par la petite partie même de la jauge accrue par la jauge suspendue amincie (agrandissement x5)
Le Schéma 2 : Concept de l'accéléromètre d'à l'extérieur-plan de M&NEMS. Dans cette configuration, une accélération verticale fait tourner la masse autour des charnières. Cette rotation applique un stress axial dans la jauge suspendue par NEMS (car la jauge est plus mince que la masse). Quant au cas de dans-plan, ce stress est amplifié par un effet de bras de levier.

Résultats

Un exemple d'accéléromètre de dans-plan et le gyrometer d'Axe Des Abscisses sont affichés dans Fig. 3 et Fig. 5.

Le Schéma 3 : Vue de SEM d'un accéléromètre de dans-plan
Le Schéma 4 : Caractérisation Électrique d'un accéléromètre 50g (variation relative de la résistance de jauge contre l'accélération)
Le Schéma 5 : Vue de SEM d'un gyrometer d'Axe des z

Un foyer sur la jauge laisse de manière dégagée apparaître la masse à inertie de MEMS de 15µm épais, et la sous-µm jauge qui a une partie de 0.25x0.25µm2. Les 6 niveaux de masque de la technologie d'accelero et de compas gyroscopique de M&NEMS seront détaillés dans l'exposé (Fig. 7). Ce procédé est basé sur une technologie de SOI où la pièce de NEMS est fabriquée en couche mince d'active de silicium. La pièce de MEMS est définie dans une couche épitaxiale de silicium de 15µm. Les caractérisations électriques de ces deux genres de senseurs sont encore en cours, mais jusqu'ici, tous les paramètres mesurés sont dans la convention parfaite avec les simulations.

Le Schéma 6 : mesure de Q-Facteur sur le Z-Compas Gyroscopique
Le Schéma 7 : Flux de processus d'accéléromètre de M&NEMS

Il concerne :

  • La sensibilité (Fig. 4), la linéarité et la thermique dérivent pour l'accéléromètre ;
  • Les fréquences de résonance d'entraînement et de sens, Q-Facteurs (comportement de Fig. 6), de thermique et de pression pour le gyrometer.

Pour Ce Qui Concerne le gyrometer, la sensibilité des nano-jauges est telle qu'elle peut fonctionner en mode de boucle ouverte. Un fonctionnement dans l'emballage sous vide approximatif (sans acquéreur) semble également très susceptible.

Outlook

Les designs Neufs et les passages technologiques sont en cours pour entrer davantage dans le développement de ce concept, en particulier pour intégrer dans la même chose le flux un magnétomètre 3D et un senseur de pression. L'objectif est de réaliser à l'extrémité la démonstration d'un module de senseur d'IMU avec la neuf-degré-de-liberté (accéléromètre triaxial + gyrometer triaxial + magnétomètre triaxial) et un senseur de pression a intégré sur une même puce.

Droit d'auteur AZoNano.com, MANCEF.org

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

Last Update: 14. June 2013 04:06

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