微小和 Nanoelectromechanical 系统: 低成本 6D 惯性传感器的一个新的途径

由菲利普角罗伯特博士

菲利普角罗伯特,帕特里斯 Rey,帕特里斯、阿瑙德 Walther,威廉 Jourdan 和 Mylène Savoye, CEA-LETI
对应的作者: philippe.robert@cea.fr

摘要

我们存在非常低成本 6D 惯性传感器的一种新方法。 此概念在这个想法在同样设备 MEMS 和 NEMS 技术混合基础上。 MEMS 零件用于为了这个质量能保留满足的惯性力,并且 NEMS 使用作为一个非常敏感子µm 被暂停的应力计。 此概念允许飞机和外飞机在同样设备的加速度或者地转偏向力检测。 它也是与有差别的检测兼容减少热量偏差。

技术认识和 3 轴过载信号器和 3 轴 gyrometer 的第一个描述特性在这个介绍达到和详述。 根据这些结果,一个为 3 个轴过载信号器和 3 个轴2 gyrometer 的综合化提供一个脚印小于 3.5 mm 在同一个筹码。 据我们所知,和小型化从未存在综合化的此级别。

刺激

MEMS 市场增长来自主要消费者市场 (移动电话,比赛,…)。 对于此市场,非常强大的压在 MEMS 制造商被施加。 典型地 5 到 15% 成本降低为这些要素每年预计。 在这个末端,设计的简单的优化和进程将是不足的技术突破明显地然后预计激烈地小型化 MEMS 传感器。

然而,此尺寸减小有对惯性传感器的主要影响,特别是关于性能: 减少这个地震质量有对区分的直接影响,并且降低名义上的电容,与在针对噪音的信号比例的结果。 要解决这些限制,建议混合微小和 nanoscale 结构的一个新概念,因而被命名 M&NEMS。 基本想法是结合在同样设备每这个惯性质量的厚实的 MEMS 层,以一个稀薄和缩小的 NEMS 零件认识到一台被暂停的应变仪。 高区分可以获得的归结于硅 nanowire 测量仪的非常小的横断面导致的非常高应力集中并且由杆臂过载信号器和 gyrometers 的作用设计 (参见图 1)。 M&NEMS 途径的二个厚度在同样筹码也提供这个能力有惯性质量移动的飞机和外飞机检测 (参见图 2)。 意味着与此概念和技术,惯性传感器可以在少于 3D 过载信号器的 12 mm 和少于这个 3D-gyrometer 的2 2.5 mm 集成。

图 1 : M&NEMS 过载信号器的概念: 飞机加速度造成这个质量在适用在 NEMS 被暂停的测量仪的轴向应力的转轴附近转动。 此重点由变薄的被暂停的测量仪增加的测量仪的非常小的部分导致的被这个设计 (放大作用 x30),并且杆臂作用放大 (放大 x5)
图 2 : M&NEMS 外飞机过载信号器的概念。 在该配置,垂直的加速度造成这个质量在铰链附近转动。 (因为测量仪比这个质量稀薄),此循环适用在 NEMS 被暂停的测量仪的轴向应力。 关于飞机事例,此重点由杆臂作用放大。

结果

飞机过载信号器的示例和 X轴 gyrometer 在图 3 和图 5. 显示。

图 3 : 飞机过载信号器的 SEM 视图
图 4 : 50g 过载信号器 (测量仪阻力的相对差异的电子描述特性与加速度)
图 5 : Z轴 gyrometer 的 SEM 视图

在测量仪的一个重点明显地让出现 MEMS 惯性质量 15µm 厚实和有部分 0.25x0.25µm 的子µm 测量仪2。 M&NEMS accelero 和电罗经技术的 6 个屏蔽级别在这个介绍 (图 7) 将详述。 此进程在 NEMS 零件在稀薄的硅激活层被制造的 SOI 技术基础上。 MEMS 零件在 15µm 硅外延层内被定义。 这两的电子描述特性传感器进展中,但是到目前为止,所有被评定的参数在与模拟的理想的协议。

图 6 : 在 Z 电罗经的 Q 系数评定
图 7 : M&NEMS 过载信号器流程

它有关:

  • 区分 (图 4),线性和热量偏差过载信号器的;
  • 推进和意义谐振频率, Q 系数 (gyrometer 的图 6),上升暖流和压工作情况。

关于 gyrometer,纳诺测量仪的区分是这样它在一个开放环路的模式下可能运作。 在概略真空包装的运算 (没有吸瓦斯剂) 也似乎很可能。

外型

新的设计和技术运行是进展中进来进一步在此概念的发展,特别是集成在同样流 3D 磁力仪和压传感器。 这个目标是达到在这个末端一个 IMU 传感器模块的演示有九程度自由的 (3 轴过载信号器 + 3 轴 gyrometer + 3 轴磁力仪),并且压传感器在同样筹码集成。

版权 AZoNano.com, MANCEF.org

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

Last Update: 14. June 2013 03:54

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