MEMS inertial sensors design and fabrication based on an innovative process
Conception et réalisation de capteurs inertiels basés sur un procédé innovant
Résumé
In the vast majority of commercial MEMS inertial sensors, both seismic mass and sensing elements are patterned in the same silicon layer. This sets stringent design trade-offs, in particular for a capacitive sensor: a large silicon thickness increases seismic mass and decreases the Brownian noise floor. A low silicon thickness on the other hand, allows smaller gaps between electrodes, higher capacitance variation and lower electrical noise floor. For this reason, several examples of multi-layer MEMS devices were presented in the past. Yet, increasing capacitance density while reducing mechanical noise floor has not been achieved so far. Breaking the single-layer trade-off could enable new emerging applications that require high-performance sensors within a consumer size.In this work, multi-layer, in-plane and out-of-plane accelerometer are presented. Thanks to the multi-layer process the devices can feature a thick layer for large inertial mass, as well as a thin layer for high capacitive density. These aspects, together with surface-variation detection, allow to obtain µg/√Hz resolution and large full-scale while keeping compact size.The sensors are designed through analytical modeling and finite elements method simulations in order to reach the highest dynamic range with the lowest noise at given footprint.Few critical aspects were encountered during the fabrication of the sensors, especially for out-of-plane accelerometers. The notching of the thick-layer etching coupled to the strong lag effect caused most of the z-axis sensors to fail. This forced a reduction of the process thickness and relative loss of performance for this type of sensors.The characterization of the sensors is performed both at wafer-level (static capacitance, resonance frequency) and at die level (scale factor, noise-floor, full-scale). The die-level measurements are carried out with a dedicated electronic circuit implemented with discrete components, developed during this work.In-plane accelerometers showed static capacitance and resonance frequency in line with theory. They achieved resolution smaller than 8 µg/rtHz and full scale in the order of 160g. These aspects together lead to a dynamic range of more than 145dB (BW=1Hz) for a device with a footprint of only 0.24 mm². This it more than 100 times larger than the DR of consumer device of similar size. These results are achieved while keeping a large bandwidth and working with an open-loop readout.Out-of-plane sensors showed resonance frequency higher than expected due to fabrication tolerances. The devices had both smaller mass and thicker springs explaining the observed mechanical behavior. Despite the loss of scale factor due to the larger resonance frequency, these sensors achieved resolution ranging from 50-80 µg/rtHz. Again, such performance was obtained while keeping large resonance frequency (>8 kHz), small footprint (down to 0.22 mm²) and a potential full-scale of more than 200g. In the future, design corrections and process improvement could lead to device with thicker inertial layer, aligning the performance of out-of-plane sensors to those of in-plane ones and leading to a high-performance 3-axis accelerometer.This type of sensor could address the demand of emerging applications for high-stability, low-noise and large DR accelerometers within consumer footprint.Finally, the proposed technology offers a fabrication platform for inertial MEMS sensors and actuators. New design possibilities and great potentialities have been demonstrated with the first fabricated accelerometers. In the future this new concept could be applied to several other types of MEMS, like gyroscope or micro-mirrors.
La plupart des capteurs inertiels MEMS commerciaux comportent une masse d’épreuve et des moyens de transductions issus d’une même couche de silicium. Il en découle des compromis forts, notamment pour la détection capacitive : une couche épaisse permet d’augmenter la masse et donc de réduire le bruit brownien; inversement, une couche fine permet de réduire la taille des entrefers entre les électrodes, d’obtenir une variation de capacité plus importante, et donc de réduire la contribution du bruit électronique. Plusieurs composants MEMS multicouches ont déjà été réalisés et rapportés dans la littérature, mais aucun n’a cherché à augmenter la densité capacitive tout en réduisant le bruit thermomécanique. Pourtant, la disparition du compromis lié au procédé monocouche permet d’atteindre les hautes performances nécessaires aux applications émergeantes, en conservant la surface d’un capteur grand public.Cette thèse présente des accéléromètres multicouches à détection dans le plan et hors plan. Le procédé de fabrication combine une couche épaisse, dédiée à la réalisation de grandes masses d’épreuve, et une couche fine, permettant d’obtenir de fortes densités capacitives. Ces deux avantages, combinés à une détection par variation de surface, permettent d’obtenir une résolution de l’ordre du µg/rtHz, une grande gamme dynamique, tout en conservant une taille réduite. Le dimensionnement des capteurs a cherché à maximiser la gamme dynamique et minimiser le bruit en partant d’une taille fixée. D’abord analytique, il a été validé par des simulations par éléments finis.Le procédé de fabrication VLSI a été appliqué à des plaques 200mm. Plusieurs points critiques ont été rencontrés, notamment la surgravure des fonds de tranchée (notching). Combinée à la disparité de vitesse de gravure, elle a entrainé la destruction de beaucoup de capteurs hors plan. Ce problème a été résolu en amincissant la couche épaisse, entrainant une légère perte de performances.Les capteurs ont été caractérisés sur plaque (capacité statique, fréquence de résonance), puis au niveau puce (sensibilité, niveau de bruit, gamme dynamique). Ces dernières mesures ont nécessité le développement d’une électronique dédiée, à partir de composants discrets.Les accéléromètres dans le plan présentent une capacité statique et une fréquence de résonance très proches de la théorie. Ils atteignent une résolution de 8µg/rtHz pour une gamme dynamique de l’ordre de 160g. Cette dynamique de 145dB est fournie par un composant de seulement 0.24mm² ; elle est 100 fois plus élevée que la dynamique d’un composant grand public de même taille. De plus, la bande passante est importante et le capteur est lu en boucle ouverte.Les accéléromètres hors-plan présentent une forte fréquence de résonance, au-delà de 8kHz. La masse sismique plus fine, combinée à des ressorts plus larges, explique ce décalage par rapport au dimensionnement initial. Malgré la réduction de sensibilité induite, les capteurs présentent une résolution de 50 à 80µg/rtHz. L’encombrement est faible (jusqu’à 0.22mm²) et la gamme dynamique a été évaluée à plus de 200g. Dans le futur, des corrections de design et des améliorations dans le procédé de fabrication permettront d’utiliser l’épaisseur initialement prévue, afin d’harmoniser les performances avec celles de l’accéléromètre dans le plan et d’obtenir un accéléromètre 3-axes hautes performances.Ce type de capteurs pourrait jouer un grand rôle dans les applications émergentes en fournissant une bonne stabilité, un faible bruit et une grande gamme dynamique, tout en conservant l’empreinte d’un capteur grand-public.Ce nouveau procédé de fabrication montre donc déjà un gros potentiel à travers les premiers composants réalisés, mais ouvre également de nouvelles possibilités en termes de design. Dans le futur, il pourrait servir de plateforme technologique pour les capteurs inertiels, notamment les gyromètres, mais aussi pour les actionneurs, comme les micro-miroirs.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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