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Micro e Sistemi di Nanoelectromechanical: Un Nuovo Approccio per il Sensore Inerziale Di Basso Costo 6D

da Dott. Philippe Robert

Philippe Robert, Patrice Rey, Patrice, Arnaud Walther, Guillaume Jourdan e Mylène Savoye, CEA-LETI
Autore Corrispondente: philippe.robert@cea.fr

Estratto

Stiamo presentando un approccio novello per il sensore inerziale molto di basso costo 6D. Questo concetto è basato sull'idea mescolarsi sulla stessa unità MEMS e sulle tecnologie di NEMS. La parte di MEMS è usata affinchè la massa tenga la forza inerziale sufficiente e il NEMS è usato come calibro di sforzo sospeso sotto--µm molto sensibile. Questo concetto permette sia l'in-aereo che l'accelerazione dell'fuori de aereo o la rilevazione della Forza di Coriolis su una stessa unità. È egualmente compatibile con rilevazione differenziale diminuire le derive termiche.

La realizzazione Tecnologica e le prime caratterizzazioni di un accelerometro di 3 assi e di un gyrometer di 3 assi sono state raggiunte e saranno dettagliate nella presentazione. In base a questi risultati, uno fornisce un'orma più piccoli di 3,5 millimetri2 per l'integrazione di un accelerometro di 3 assi e di un gyrometer di 3 assi sullo stesso chip. A nostra conoscenza, questo livello di integrazione e la miniaturizzazione non è stato presentato mai.

Motivazione

La crescita del mercato di MEMS viene pricipalmente dal mercato dei consumatori (telefono cellulare, cacciagione,…). Per questo servizio, una pressione molto forte è esercitata sui produttori di MEMS. In Genere 5 - 15% di riduzione di costo sono preveduti ogni anno per queste componenti. All'estremità, un'ottimizzazione semplice di progettazione ed il trattamento saranno insufficienti e poi una realizzazione tecnica si pensa che chiaramente drasticamente miniaturizzi i sensori di MEMS.

Tuttavia, questa riduzione di misura ha effetti principali sul sensore inerziale, in particolare riguardo alla prestazione: La Diminuzione della massa sismica ha un impatto diretto sulla sensibilità ed abbassa la capacità nominale, con le conseguenze sul rapporto di segnale/disturbo. Per sormontare queste limitazioni, un nuovo concetto è proposto che mescola le strutture del nanoscale e del micro, così è nominato M&NEMS. L'idea di base è di combinare su una stessa unità un il livello spesso di MEMS per la massa inerziale, con una parte sottile e stretta di NEMS realizzare un estensimetro sospeso. Un'alta sensibilità può essere ottenuto dovuto la concentrazione di sforzo molto alta indotta dalla sezione trasversale molto piccola del calibro del nanowire del silicio ed anche dal braccio di leva l'effetto degli accelerometri e dei gyrometers progetta (vedi la Fig. 1). I due spessori dell'approccio di M&NEMS offrono egualmente la capacità di avere su uno stesso chip un in-aereo e una rilevazione dell'fuori de aereo del movimento di massa inerziale (vedi la Fig. 2). Significa che con questi concetto e tecnologia, i sensori inerziali possono essere integrati in meno di 1 millimetro2 per 3D-accelerometer e meno di 2,5 millimetri2 per il 3D-gyrometer.

Figura 1: Concetto dell'accelerometro di M&NEMS: l'accelerazione dell'In-Aereo induce la massa a girare intorno all'albero rotante che applica uno sforzo assiale nel calibro sospeso NEMS. Questo sforzo è ampliato da un effetto del braccio di leva indotto dalla progettazione (amplificazione x30) ed anche dalla sezione molto piccola del calibro aumentato dal calibro sospeso assottigliato (ingrandimento x5)
Figura 2: Concetto dell'accelerometro dell'fuori aereo di M&NEMS. In quella configurazione, un'accelerazione verticale induce la massa a girare intorno alle cerniere. Questa rotazione applica uno sforzo assiale nel calibro sospeso NEMS (poichè il calibro è più sottile della massa). Per Quanto Riguarda il caso dell'in-aereo, questo sforzo è ampliato da un effetto del braccio di leva.

Risultati

Un esempio dell'accelerometro dell'in-aereo e il gyrometer dell'Ascissa sono indicati nella Fig. 3 e nella Fig. 5.

Figura 3: Visualizzazione di SEM di un accelerometro dell'in-aereo
Figura 4: Caratterizzazione Elettrica 50g di un accelerometro (variazione relativa della resistenza del calibro contro accelerazione)
Figura 5: Visualizzazione di SEM di un gyrometer di Z-Asse

Un fuoco sul calibro lascia chiaramente per comparire la massa inerziale di MEMS di 15µm spesso ed il calibro sotto--µm che ha una sezione di 0.25x0.25µm2. I 6 livelli della maschera della tecnologia di accelero e della girobussola di M&NEMS saranno dettagliati nella presentazione (Fig. 7). Questo trattamento è basato su una tecnologia di SOI dove la parte di NEMS è fabbricata nel livello attivo del silicio sottile. La parte di MEMS è definita all'interno di un livello epitassiale del silicio di 15µm. Le caratterizzazioni elettriche di questi due generi di sensori sono ancora in corso, ma finora, tutti i parametri misurati sono nell'accordo perfetto con le simulazioni.

Figura 6: misura di Q-Fattore sulla Z-Girobussola
Figura 7: Flusso trattato dell'accelerometro di M&NEMS

Interessa:

  • La sensibilità (Fig. 4), le linearità ed il termale vanno alla deriva per l'accelerometro;
  • Le frequenza di risonanza di senso e dell'unità, Q-Fattori (comportamento della Fig. 6), del termale e di pressione per il gyrometer.

Per Quanto Riguarda il gyrometer, la sensibilità dei nano-calibri è tale che può lavorare in un modo ad anello aperto. Un'operazione nell'imballaggio sotto vuoto approssimativo (senza degasatore) sembra egualmente molto probabile.

Outlook

Le Nuove progettazioni e le esecuzioni tecnologiche sono in corso andare più ulteriormente nello sviluppo di questo concetto, in particolare integrare negli stessi il flusso un magnetometro 3D e un sensore di pressione. Lo scopo è di raggiungere all'estremità la dimostrazione di un modulo del sensore di IMU con nove-grado-de-libertà (accelerometro di 3-asse + un gyrometer di 3 assi + un magnetometro di 3 assi) e un sensore di pressione ha integrato su uno stesso chip.

Copyright AZoNano.com, MANCEF.org

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

Last Update: 14. June 2013 04:16

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