Micro Systems et nanoélectromécaniques: Une nouvelle approche pour les coûts 6D capteur basse inertie

par le Dr Philippe Robert

Résumé

Nous présentons une nouvelle approche pour un coût très faible 6D capteur inertiel. Ce concept est basé sur l'idée de mélanger le même appareil MEMS et de technologies NEMS. La partie MEMS est utilisé pour la masse de garder suffisamment de force d'inertie, et le NEMS est utilisé comme un très sensibles sous-um Gage de stress suspendu. Ce concept permet à la fois dans le plan et hors du plan d'accélération ou de détection de la force de Coriolis sur un même appareil. Il est également compatible avec la détection différentielle de réduire les dérives thermiques.

Réalisation technologique et caractérisation d'abord accéléromètre 3 axes et 3 axes gyromètre ont été atteints et seront détaillées dans la présentation. Sur la base de ces résultats, on donne une empreinte plus petite que 3,5 mm ² pour l'intégration des accéléromètre 3 axes et 3 axes gyromètre sur la même puce. À notre connaissance, ce niveau d'intégration et de miniaturisation n'a jamais été présenté.

Motivation

La croissance du marché des MEMS provient principalement de marché de la consommation (téléphone portable, jeux, ...). Pour ce marché, une très forte pression est exercée sur les fabricants de MEMS. Généralement 5 à 15% de réduction des coûts est prévu chaque année pour ces composants. A la fin, une simple optimisation du processus de conception et sera insuffisante et ensuite une percée technologique est clairement prévu de façon drastique miniaturiser les capteurs MEMS.

Néanmoins, cette réduction de taille a des impacts majeurs sur le capteur inertiel, en particulier à l'égard de la performance: Réduire la masse sismique a une incidence directe sur la sensibilité, et diminue la capacité nominale, avec des conséquences sur le rapport signal-bruit. Pour surmonter ces limitations, un nouveau concept est proposé un mélange de structures micro et nanométriques, ainsi nommée M & NEMS. L'idée de base est de combiner sur un même appareil une couche épaisse de MEMS la masse inertielle, avec une partie mince et étroit NEMS pour réaliser une jauge de contrainte en suspension. Une sensibilité élevée peut être obtenue en raison de la concentration de contraintes très élevées induites par la section transversale très petite de la jauge de nanofil de silicium et aussi par l'effet de levier des accéléromètres et des gyromètres conceptions (voir fig. 1). Les deux épaisseurs de l'offre de l'approche M & NEMS également la possibilité d'avoir sur une même puce une dans le plan et hors plan de détection du mouvement de masse inertielle (voir Fig. 2). Cela signifie que, avec ce concept et la technologie, les capteurs inertiels peuvent être intégrés dans moins de 1 mm ² pour le 3D-accéléromètre et moins de 2,5 mm ² pour le gyromètre 3D.

Figure 1: Concept de l'accéléromètre M & NEMS: Dans le plan d'accélération des causes de la masse de tourner autour de l'axe de rotation qui applique une contrainte axiale dans la jauge de NEMS suspendu. Ce stress est amplifié par un effet de levier induit par la conception (amplification x30), et aussi par la très petite section de la jauge a augmenté de Gage en suspension diluée (grossissement x5)

Figure 2: Concept de la M & NEMS sur le plan de l'accéléromètre. Dans cette configuration, une accélération verticale de la masse des causes de tourner autour de la charnière. Cette rotation applique une contrainte axiale dans le NEMS suspendus Gage (comme la jauge est plus mince que la masse). Comme pour le cas dans le plan, ce stress est amplifié par un effet de levier.

Résultats

Un exemple de plan de l'accéléromètre et l'axe X gyromètre sont présentés sur la Fig. 3 et Fig. 5.

Figure 3: Vue MEB d'un accéléromètre dans le plan

Figure 4: Caractérisation électrique d'un accéléromètre 50g (variation relative de l'accélération vs Gage de résistance)

Figure 5: Vue au MEB d'un gyromètre axe Z

Un accent sur ​​la jauge permet apparaître clairement la masse inertielle de MEMS épaisseur 15μm, et la jauge sous-um qui a une section de 0.25x0.25μm ^2. Les 6 niveaux masque de l'Accelero M & NEMS et la technologie gyroscopique seront détaillées dans la présentation (fig. 7). Ce processus est basé sur une technologie SOI où la partie NEMS est fabriqué dans la couche mince de silicium active. La partie MEMS est défini dans une couche de silicium épitaxié 15μm. Les caractérisations électriques de ces deux types de capteurs sont toujours en cours, mais jusqu'à présent, tous les paramètres mesurés sont en parfait accord avec les simulations.

Figure 6: le facteur Q de mesure sur le Z-gyro

Figure 7: Flux de M & NEMS processus d'accéléromètre

Il s'agit de:

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

Concernant le gyromètre, la sensibilité de la nano-jauges est telle qu'il peut fonctionner dans un mode en boucle ouverte. Une opération dans un emballage sous vide primaire (sans getter) semble aussi très probable.

Perspectives

Les nouvelles conceptions et fonctionne technologiques sont en cours pour aller plus loin dans le développement de ce concept, en particulier à intégrer dans le même flux d'un magnétomètre 3D et un capteur de pression. L'objectif est d'atteindre à la fin de la démonstration d'un module de capteur IMU avec neuf degrés de liberté (accéléromètre 3 axes + 3 axes + gyromètre 3 axes magnétomètre) et un capteur de pression intégré sur une même puce.

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