微納機電系統：一個低成本6D慣性傳感器的新方法

菲利普羅伯特博士

菲利普羅伯特，帕特里斯雷伊，帕特里斯，阿爾諾瓦爾特，紀堯姆喬丹和Mylène Savoye， CEA - LETI
通訊作者：philippe.robert @ cea.fr

摘要

我們提出一個非常低的成本6D慣性傳感器的新方法。這個概念是根據在同一設備的MEMS和NEMS的技術組合的想法。 MEMS部分是面向大眾，以保持足夠的慣性力，納機電系統是一個非常敏感的亞微米的懸浮應力應變片。這個概念允許，無論是在平面和平面的加速度同一個設備或科里奧利力檢測。它也兼容差分檢測，以減少熱漂移。

技術實現和3軸加速度傳感器和3軸 gyrometer刻畫已經實現，將演示文稿中詳細說明。在這些成果的基礎上，提供了一個體積小於3.5毫米的3軸加速度傳感器和3軸gyrometer在同一芯片^上集成2。據我們所知，從來沒有提出這一級別的集成和小型化。

動機

MEMS市場的增長主要來自於消費市場（手機，遊戲 ... ...）。對於這個市場，一個很強烈的MEMS製造商施加壓力。降低成本一般為 5至15％，預計每年為這些組件。最後，一個簡單的優化設計和工藝將不足，一項技術突破顯然是預計將大幅小型化MEMS傳感器。

然而，這種規模的減少已對慣性傳感器的主要影響，特別是在性能方面：減少地震的質量有直接影響的敏感性，降低標稱電容對信號信噪比的後果。為了克服這些限制，一個新的概念提出的混合微型和納米結構，因而命名為併購 NEMS的。其基本思路是，結合在同一個設備的厚厚的MEMS一層為慣性質量與一個薄且窄的納機電系統的一部分，實現暫停的應變。靈敏度高，可由於非常非常小的矽納米線量具的截面和力臂的加速度計和gyrometers設計效果（見圖 1）。引起的高應力集中。兩個厚度併購 NEMS的方法提供的同一個芯片上有一個平面和平面運動（見圖 2）慣性質量檢測能力。這意味著，這個概念和技術，慣性傳感器可以集成在不到1毫米的三維加速度計和3D - gyrometer小於2.5 ^毫米2 2 。

圖1：併購NEMS的加速度概念：在飛機加速導致群眾繞著旋轉軸，適用於軸向應力在NEMS的暫停量具。這種壓力被放大的槓桿臂設計（放大X30）誘導效應，也增加量具非常小的部分，由薄暫停量具（放大倍率X5 ）

圖2：併購NEMS的出平面加速度概念。在該配置中，一個垂直加速度的原因繞鉸鏈的質量。這種旋轉適用於在NEMS的軸向應力暫停量具（Gage是比大眾薄）。至於平面的情況下，這種壓力是由力臂效應放大。

結果

平面和X軸的加速度gyrometer的一個例子，如圖所示。圖 3和圖。 5。

圖3：在平面加速度SEM視圖

圖4：一個50克加速度計（應變片電阻與加速的相對變化）的電氣特性

圖5：掃描電鏡一個Z軸gyrometer

量具的一個重點，讓這顯然為15μm厚的MEMS慣性質量，和亞微米的量具^，有一段0.25x0.25μm2。併購 NEMS的accelero和陀螺儀技術的6個面具水平將詳細介紹（圖 7）。這個過程是基於一個 NEMS的一部分是在薄的矽活性層製造的SOI技術。 MEMS部分是定義在15μm的矽外延層。這兩種傳感器的電氣表徵工作仍在進行中，但到目前為止，所有的測量參數與完美的模擬協議。