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微小和 Nanoelectromechanical 系統: 低成本 6D 慣性傳感器的一個新的途徑

由菲利普角羅伯特博士

菲利普角羅伯特,帕特里斯 Rey,帕特里斯、阿瑙德 Walther,威廉 Jourdan 和 Mylène Savoye, CEA-LETI
對應的作者: philippe.robert@cea.fr

摘要

我們存在非常低成本 6D 慣性傳感器的一種新方法。 此概念在這個想法在同樣設備 MEMS 和 NEMS 技術混合基礎上。 MEMS 零件用於為了這個質量能保留滿足的慣性力,并且 NEMS 使用作為一個非常敏感子µm 被暫停的應力計。 此概念允許飛機和外飛機在同樣設備的加速度或者地轉偏向力檢測。 它也是與有差別的檢測兼容減少熱量偏差。

技術認識和 3 軸過載信號器和 3 軸 gyrometer 的第一個描述特性在這個介紹達到和詳述。 根據這些結果,一个為 3 個軸過載信號器和 3 個軸2 gyrometer 的綜合化提供一個腳印小於 3.5 mm 在同一個籌碼。 據我們所知,和小型化從未存在綜合化的此級別。

刺激

MEMS 市場增長來自主要消費者市場 (移動電話,比賽,…)。 對於此市場,非常強大的壓在 MEMS 製造商被施加。 典型地 5 到 15% 成本降低為這些要素每年預計。 在這個末端,設計的簡單的優化和進程將是不足的技術突破明顯地然後預計激烈地小型化 MEMS 傳感器。

然而,此尺寸減小有對慣性傳感器的主要影響,特別是關於性能: 減少這個地震質量有對區分的直接影響,并且降低名義上的電容,與在針對噪音的信號比例的結果。 要解決這些限制,建議混合微小和 nanoscale 結構的一個新概念,因而被命名 M&NEMS。 基本想法是結合在同樣設備每這個慣性質量的厚實的 MEMS 層,以一個稀薄和縮小的 NEMS 零件認識到一臺被暫停的應變儀。 高區分可以獲得的歸結於硅 nanowire 測量儀的非常小的橫斷面導致的非常高應力集中並且由杆臂過載信號器和 gyrometers 的作用設計 (參見圖 1)。 M&NEMS 途徑的二個厚度在同樣籌碼也提供這個能力有慣性質量移動的飛機和外飛機檢測 (參見圖 2)。 意味著與此概念和技術,慣性傳感器可以在少於 3D 過載信號器的 12 mm 和少於這个 3D-gyrometer 的2 2.5 mm 集成。

圖 1 : M&NEMS 過載信號器的概念: 飛機加速度造成這個質量在適用在 NEMS 被暫停的測量儀的軸向應力的轉軸附近轉動。 此重點由變薄的被暫停的測量儀增加的測量儀的非常小的部分導致的被這個設計 (放大作用 x30),並且杆臂作用放大 (放大 x5)
圖 2 : M&NEMS 外飛機過載信號器的概念。 在該配置,垂直的加速度造成這個質量在鉸鏈附近轉動。 (因為測量儀比這個質量稀薄),此循環適用在 NEMS 被暫停的測量儀的軸向應力。 關於飛機事例,此重點由杆臂作用放大。

結果

飛機過載信號器的示例和 X軸 gyrometer 在圖 3 和圖 5. 顯示。

圖 3 : 飛機過載信號器的 SEM 視圖
圖 4 : 50g 過載信號器 (測量儀阻力的相對差異的電子描述特性與加速度)
圖 5 : Z軸 gyrometer 的 SEM 視圖

在測量儀的一個重點明顯地讓出現 MEMS 慣性質量 15µm 厚實和有部分 0.25x0.25µm 的子µm 測量儀2。 M&NEMS accelero 和電羅經技術的 6 個屏蔽級別在這個介紹 (圖 7) 將詳述。 此進程在 NEMS 零件在稀薄的硅激活層被製造的 SOI 技術基礎上。 MEMS 零件在 15µm 硅外延層內被定義。 這兩种的電子描述特性傳感器進展中,但是到目前為止,所有被評定的參數在與模擬的理想的協議。

圖 6 : 在 Z 電羅經的 Q 系數評定
圖 7 : M&NEMS 過載信號器流程

它有關:

  • 區分 (圖 4),線性和熱量偏差過載信號器的;
  • 推進和意義諧振頻率, Q 系數 (gyrometer 的圖 6),上升暖流和壓工作情況。

關於 gyrometer,納諾測量儀的區分是這樣它在一個開放環路的模式下可能運作。 在概略真空包裝的運算 (沒有吸瓦斯劑) 也似乎很可能。

外型

新的設計和技術運行是進展中進來進一步在此概念的發展,特別是集成在同樣流 3D 磁力儀和壓傳感器。 這個目標是達到在這個末端一個 IMU 傳感器模塊的演示有九程度自由的 (3 軸過載信號器 + 3 軸 gyrometer + 3 軸磁力儀),并且壓傳感器在同樣籌碼集成。

版權 AZoNano.com, MANCEF.org

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

Last Update: 14. June 2013 03:58

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