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Micro e Sistemas de Nanoelectromechanical: Uma Aproximação Nova para o Baixo Sensor Com Inércia de Custo 6D

pelo Dr. Philippe Robert

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

Sumário

Nós estamos apresentando uma aproximação nova para o sensor com inércia muito baixo de custo 6D. Este conceito é baseado na ideia misturar no mesmo dispositivo MEMS e nas tecnologias de NEMS. A peça de MEMS é usada para que a massa mantenha a suficiente força com inércia, e o NEMS é usado enquanto um calibre de esforço suspendido secundário-µm muito sensível. Este conceito permite o em-plano e a aceleração do para fora--plano ou da força de Coriolis detecção em um mesmo dispositivo. É igualmente compatível com detecção diferencial reduzir tracções térmicas.

A realização Tecnologico e as primeiras caracterizações do acelerómetro de 3 linhas centrais e do gyrometer de 3 linhas centrais foram conseguidas e serão detalhadas na apresentação. Com base nestes resultados, um fornece uma pegada de 3,5 milímetros menores2 para a integração do acelerómetro de 3 linhas centrais e do gyrometer de 3 linhas centrais na mesma microplaqueta. Ao nosso conhecimento, este nível de integração e a miniaturização foram apresentados nunca.

Motivação

O crescimento do mercado de MEMS vem principalmente do mercado de consumidores (telemóvel, jogo,…). Para este mercado, uma pressão muito forte é exercida em fabricantes de MEMS. Tipicamente 5 a 15% da redução de custo são esperados todos os anos para estes componentes. Na extremidade, uma optimização simples do projecto e o processo serão insuficientes e uma descoberta tecnologico é esperada então claramente miniaturizar dràstica os sensores de MEMS.

Não Obstante, esta redução de tamanho tem impactos principais no sensor com inércia, em particular no que diz respeito ao desempenho: Reduzir a massa sísmica tem um impacto directo na sensibilidade, e abaixa a capacidade nominal, com conseqüências no sinal à relação de ruído. Para superar estas limitações, um novo conceito é propor que mistura estruturas do micro e do nanoscale, nomeado assim M&NEMS. A ideia básica é combinar em um mesmo dispositivo um a camada grossa de MEMS para a massa com inércia, com uma peça fina e estreita de NEMS realizar um calibre de tensão suspendido. Uma sensibilidade alta pode ser obtido devido à concentração de esforço muito alta induzida pelo secção transversal muito pequeno do calibre do nanowire do silicone e igualmente pelo efeito do braço de alavanca dos acelerómetros e dos projectos dos gyrometers (veja Fig. 1). As duas espessuras da aproximação de M&NEMS oferecem igualmente a capacidade para ter em uma mesma microplaqueta um em-plano e uma detecção do para fora--plano do movimento em massa com inércia (veja Fig. 2). Significa que com estes conceito e tecnologia, os sensores com inércia podem ser integrados em menos de 1 milímetro2 para 3D-accelerometer e em menos de 2,5 milímetros2 para o 3D-gyrometer.

Figura 1: Conceito do acelerómetro de M&NEMS: a aceleração do Em-Plano faz com que a massa gire em torno do eixo de giro que aplica um esforço axial no calibre suspendido NEMS. Este esforço é amplificado por um efeito do braço de alavanca induzido pelo projecto (amplificação x30), e igualmente pela secção muito pequena do calibre aumentado pelo calibre suspendido diluído (ampliação x5)
Figura 2: Conceito do acelerómetro do para fora-plano de M&NEMS. Nessa configuração, uma aceleração vertical faz com que a massa gire em torno das dobradiças. Esta rotação aplica um esforço axial no calibre suspendido NEMS (porque o calibre é mais fino do que a massa). Quanto para ao exemplo do em-plano, este esforço é amplificado por um efeito do braço de alavanca.

Resultados

Um exemplo do acelerómetro do em-plano e o gyrometer da X-Linha Central são mostrados em Fig. 3 e em Figo. 5.

Figura 3: Opinião de SEM de um acelerómetro do em-plano
Figura 4: Caracterização Elétrica de um acelerómetro 50g (variação relativa da resistência do calibre contra a aceleração)
Figura 5: Opinião de SEM de um gyrometer da Z-Linha Central

Um foco no calibre deixa claramente para aparecer a massa com inércia de MEMS de 15µm grosso, e o calibre secundário-µm que tem uma secção de 0.25x0.25µm2. Os 6 níveis da máscara da tecnologia do accelero e do giroscópio de M&NEMS serão detalhados na apresentação (Fig. 7). Este processo é baseado em uma tecnologia de SOI onde a peça de NEMS seja manufacturado na camada fina do active do silicone. A peça de MEMS é definida dentro de uma camada epitaxial do silicone de 15µm. As caracterizações elétricas destes dois tipos dos sensores são ainda em andamento, mas até agora, todos os parâmetros medidos estão no acordo perfeito com as simulações.

Figura 6: medida do Q-Factor no Z-Giroscópio
Figura 7: Fluxo de processo do acelerómetro de M&NEMS

Refere-se:

  • A sensibilidade (Fig. 4), linearidades e tracção térmica para o acelerómetro;
  • O comportamento das freqüências ressonantes da movimentação e do sentido, dos Q-Factores (Fig. 6), do thermal e da pressão para o gyrometer.

A Respeito do gyrometer, a sensibilidade dos nano-calibres é tal que pode trabalhar em um modo do aberto-laço. Uma operação no empacotamento de vácuo áspero (sem getter) parece igualmente muito provável.

Probabilidade

Os projectos Novos e as corridas tecnologicos são em andamento ir mais na revelação deste conceito, em particular para integrar no mesmos o fluxo um magnetômetro 3D e um sensor da pressão. O objetivo é conseguir na extremidade a demonstração de um módulo do sensor de IMU com nove-grau--liberdade (acelerómetro da 3-linha central + um gyrometer de 3 linhas centrais + magnetômetro de 3 linhas centrais) e um sensor da pressão integrou em uma mesma microplaqueta.

Copyright AZoNano.com, MANCEF.org

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

Last Update: 14. June 2013 04:37

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