マイクロおよび Nanoelectromechanical システム: 低価格 6D の慣性センサーのための新しいアプローチ

先生によって Philippe ロバート

Philippe ロバート、パトリス Rey、パトリス、アルノー Walther、ギヨーム Jourdan および Mylène Savoye、 CEA-LETI
対応する著者: philippe.robert@cea.fr

概要

私達は非常に低価格 6D の慣性センサーのための目新しい取り組み方を示しています。 この概念は同じ装置 MEMS および NEMS の技術で混合する考えに基づいています。 MEMS の部品は大容量が十分な慣性力を保つことができる、 NEMS は非常に敏感な副µm 中断された応力ゲージとして使用されますように使用され。 この概念は内部平面およびの平面加速または同じ装置の Coriolis 力の両方検出可能にします。 それは差動検出とまた互換性があります熱ドリフトを減らすために。

3 軸線の加速度計および 3 軸線の gyrometer の科学技術の認識そして最初性格描写は提示で達成され、詳しく述べられます。 これらの結果に基づいて、 1 つは小さいより 3.5 mm 同じチップ2 で 3 つの軸線の加速度計および 3 つの軸線の gyrometer の統合に足跡を提供します。 私たちの知る限りでは、統合のこのレベルおよびずっと小型化は決して示されていません。

刺激

MEMS の市場の成長は消費市場 (携帯電話、ゲーム、…) から主に来ます。 この市場のために、非常に強い圧力は MEMS の製造業者で出ます。 普通 5 つからコスト低減の 15% はこれらのコンポーネントのために毎年期待されます。 端に、デザインの簡単な最適化およびプロセスは不十分であり、それから技術の躍進ははっきり徹底的に MEMS センサーを小型化すると期待されます。

それにもかかわらず、このサイズ減少にパフォーマンスに関して慣性センサーの主な影響が、特にあります: 地震大容量を減らすことに感度の直接影響があり、ノイズ比率へのシグナルの結果のわずかなキャパシタンスを、下げます。 これらの限定を克服するためには、マイクロおよび nanoscale の構造を混合する新しい概念は提案されましたり従って M&NEMS と指名されます。 基本的アイデアは中断されたひずみゲージを実現する薄く、狭い NEMS の部品と慣性大容量のための厚い MEMS の層同じ装置で、結合することです。 高い感度はケイ素の nanowire のゲージの非常に小さい横断面によって誘導される非常に高い応力集中が得られた原因である場合もあり、またレバーアームによって加速度計および gyrometers の効果は設計します (図 1) を見て下さい。 M&NEMS のアプローチの 2 つの厚さは同じチップで慣性の大衆運動の内部平面そしての平面の検出を持つ機能をまた提供します (図 2) を見て下さい。 この概念および技術と、慣性センサーが 3D 加速度計のための 1 つ以下の mm および 3D-gyrometer のためのより少なく2 より 2.5 mm で統合することができる2 ことを意味します。

図 1: M&NEMS の加速度計の概念: 内部平面加速により大容量は NEMS によって中断されるゲージの軸圧力を適用する回転シャフトのまわりで回ります。 この圧力はデザイン (拡大 x30) とまた薄くされた中断されたゲージ (拡大 x5) によって増加するゲージの非常に小さいセクションによって誘導されるレバーアーム効果によって増幅されます
図 2: M&NEMS の平面の加速度計の概念。 その構成では、縦加速により大容量はヒンジのまわりで回ります。 この回転は (ゲージが大容量より薄い) ので NEMS によって中断されるゲージの軸圧力を適用します。 内部平面の例に関しては、この圧力はレバーアーム効果によって増幅されます。

結果

内部平面の加速度計の例および X 軸の gyrometer は図 3 および図 5. で示されています。

図 3: 内部平面の加速度計の SEM の眺め
図 4: 50g 加速度計の電気性格描写 (ゲージの抵抗の相対的な変化対加速)
図 5: Z 軸の gyrometer の SEM の眺め

ゲージの焦点は厚い 15µm の MEMS の慣性大容量および 0.25x0.25µm のセクションを備えている副µm ゲージ現われるためにはっきり割り当てます2。 M&NEMS の accelero および回転羅針儀の技術の 6 つのマスクのレベルは提示 (図 7) で詳しく述べられます。 このプロセスは NEMS の部品が薄いケイ素の能動態の層で製造される SOI の技術に基づいています。 MEMS の部品は 15µm のケイ素のエピタキシアル層の内で定義されます。 これら二つの種類のセンサーの電気性格描写はまだ進行中ですが、今のところ、すべての測定されたパラメータはシミュレーションを用いる完全な一致にあります。

図 6: Z 回転羅針儀の Q 要因測定
図 7: M&NEMS の加速度計のプロセスフロー

それはかかわります:

  • 感度 (図 4)、直線性および加速度計のための熱ドリフト;
  • 駆動機構および感覚の共振周波数、 Q 要因 (gyrometer のための図 6)、上昇温暖気流および圧力動作。

gyrometer に関して、 nano ゲージの感度はオープン・ループモードではたらくことができることそのような物です。 荒い真空パックの操作は (ゲッターなしで) また可能性が高いようです。

展望

新しいデザインおよび科学技術の実行はこの概念の開発で更に入るために進行中特に流れを同じで統合するために 3D 磁気計および圧力センサーです。 目的は端に 9 程度の自由 (3 軸線の加速度計の IMU センサーのモジュールのデモンストレーションを + 3 軸線の gyrometer + 3 軸線磁気計) 達成することであり、圧力センサーは同じチップで統合しました。

版権 AZoNano.com、 MANCEF.org

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

Last Update: 14. June 2013 04:20

Tell Us What You Think

Do you have a review, update or anything you would like to add to this article?

Leave your feedback
Submit