Micro en Systemen Nanoelectromechanical: Een Nieuwe Benadering voor de Lage TraagheidsSensor van Kosten 6D

door Dr. Philippe Robert

Philippe Robert, Patrice Rey, Patrice, Arnaud Walther, Guillaume Jourdan en Mylène Savoye, cea-LETI
Overeenkomstige auteur: philippe.robert@cea.fr

Samenvatting

Wij stellen een nieuwe benadering voor zeer lage kosten6D traagheidssensor voor. Dit concept is gebaseerd op het idee om zich op zelfde apparatentechnologieën te mengen MEMS en NEMS. Deel MEMS wordt gebruikt voor de massa om voldoende traagheidskracht te houden, en NEMS wordt gebruikt als zeer gevoelig sub-µm opgeschort spanningspand. Dit concept staat zowel in-vliegtuig als uit-van-vliegtuigversnelling of Coriolis krachtopsporing op een zelfde apparaat toe. Het is ook compatibel met differentiële opsporing om thermische afwijkingen te verminderen.

De Technologische totstandbrenging en de eerste karakteriseringen van versnellingsmeter met 3 assen en gyrometer met 3 assen bereikt=zijn= en zullen gedetailleerd in de presentatie. Op basis van deze resultaten, verstrekt één een voetafdruk kleiner dan 3.5 mm2 voor de integratie van 3 asversnellingsmeter en 3 asgyrometer op de zelfde spaander. Aan onze kennis, is dit niveau van integratie en miniaturisatie nooit voorgesteld.

Motivatie

De MEMS marktgroei komt hoofdzakelijk uit de markt van de consument (celtelefoon, spel,…). Voor deze markt, wordt een zeer sterke druk uitgeoefend op fabrikanten MEMS. Typisch worden 5 tot 15% van kostenvermindering verwacht elk jaar voor deze componenten. Aan het eind, zullen een eenvoudige optimalisering van ontwerp en het proces ontoereikend zijn en dan zou een technologische doorbraak duidelijk moeten de sensoren drastisch verkleinen MEMS.

Niettemin, heeft deze groottevermindering belangrijke invloeden op traagheidssensor, in het bijzonder met betrekking tot de prestaties: Het Verminderen van de seismische massa heeft een directe invloed op de gevoeligheid, en vermindert de nominale capacitieve weerstand, met gevolgen op signaal aan lawaaiverhouding. Om deze beperkingen te overwinnen, wordt een nieuw concept voorgesteld mengt micro en nanoscale structuren, dus M&NEMS genoemd. Het basisidee is op een zelfde apparaat een dikke laag MEMS voor de traagheidsmassa te combineren, met dun en smal deel NEMS om een opgeschort spanningspand te realiseren. Een hoge gevoeligheid kan wegens de zeer hoge die spanningsconcentratie worden verkregen door de zeer kleine dwarsdoorsnede van het silicium nanowire pand en ook door het effect van het hefboomwapen van de versnellingsmeters en gyrometersontwerpen (zie Fig. 1) wordt veroorzaakt. De twee dikten van de benadering M&NEMS bieden ook de capaciteit aan om op een zelfde spaander een in-vliegtuig en uit-van-vliegtuigopsporing van de traagheidsmassabeweging (zie Fig. 2) te hebben. Het betekent dat met deze concept en technologie, de traagheidssensoren in minder dan 1 mm voor 3D-versnellingsmeter2 en minder dan 2.5 mm voor2 3D-gyrometer kunnen worden geïntegreerd.

Figuur 1: Concept de versnellingsmeter M&NEMS: De in-Vlakke versnelling veroorzaakt de massa om rond de roterende schacht te roteren die een asspanning in het NEMS opgeschorte pand toepast. Deze die spanning wordt door een effect van het hefboomwapen door het ontwerp (versterking x30) wordt veroorzaakt vergroot, en ook door de zeer kleine die sectie van het pand met verdund opgeschort pand (vergroting x5) wordt verhoogd
Figuur 2: Concept de M&NEMS uit-vliegtuigversnellingsmeter. In die configuratie, veroorzaakt een verticale versnelling de massa om rond de scharnieren te roteren. Deze omwenteling past een asspanning in het NEMS opgeschorte pand (aangezien het pand dunner is dan de massa) toe. Zoals voor het in-vlakke geval, wordt deze spanning vergroot door een effect van het hefboomwapen.

Resultaten

Een voorbeeld van in-vlakke versnellingsmeter en x-As gyrometer worden getoond in Fig. 3 en Fig. 5.

Figuur 3: De mening van SEM van een in-vlakke versnellingsmeter
Figuur 4: Elektro karakterisering van een 50g versnellingsmeter (relatieve variatie van de pandweerstand versus versnelling)
Figuur 5: De mening van SEM van een z-As gyrometer

Een nadruk op het pand laat duidelijk de traagheidsmassa MEMS van dikke 15µm, en het pand sub-µm lijken dat een sectie van 0.25x0.25µm heeft2. De 6 maskerniveaus van de accelero M&NEMS en gyroscooptechnologie zullen in de presentatie (Fig. 7) worden gedetailleerd. Dit proces is gebaseerd op een technologie SOI waar deel NEMS in de dunne silicium actieve laag wordt vervaardigd. Deel MEMS wordt bepaald binnen een 15µm silicium epitaxial laag. De elektrokarakteriseringen van deze twee soorten sensoren zijn nog lopend, maar tot dusver, zijn alle gemeten parameters in perfecte overeenkomst met de simulaties.

Figuur 6: Q-Factor meting op de z-Gyroscoop
Figuur 7: M&NEMS de stroom van het versnellingsmeterproces

Het betreft:

  • De gevoeligheid (Fig. 4), lineariteit en thermische afwijking voor de versnellingsmeter;
  • De aandrijving en betekenis resonerende frequenties, q-Factoren (Fig. 6), thermisch en drukgedrag voor gyrometer.

Betreffende gyrometer, is de gevoeligheid van de nano-panden dusdanig dat het op een open-loop wijze kan werken. Een verrichting in ruwe vacuüm verpakking (zonder vangstof) schijnt ook zeer waarschijnlijk.

Vooruitzichten

De Nieuwe ontwerpen en de technologische looppas zijn lopend in de ontwikkeling van dit concept verder gaan, in het bijzonder in de zelfde stroom een 3D magnetometer en een druksensor integreren. Het doel is de demonstratie van een IMU sensormodule met negen-graad-van-vrijheid (versnellingsmeter met 3 assen + gyrometer met 3 assen + magnetometer met 3 assen die) en een druksensor aan het eind te bereiken op een zelfde spaander wordt geïntegreerd.

Copyright AZoNano.com, MANCEF.org

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

Last Update: 14. June 2013 04:02

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