多层镀金质量块实现高分辨率MEMS加速度计
2019-07-26 09:04:34   来源:麦姆斯咨询   评论:0   点击:

据麦姆斯咨询报道,由日本东京工业大学和恩梯梯尖端技术株式会社组建的研究小组提出了一种方案,通过使用金(Au)材料将MEMS加速度计的检测质量块尺寸缩小到原来的十分之一。

随着智能手机、平板电脑等消费电子产品和基础设施监控应用市场的扩大,预计MEMS加速度计的市场需求将持续增长。这种微型化、可批量生产的加速度计通常由硅基MEMS技术开发而成,其制造工艺已经成熟。

在MEMS加速度计的设计中,由布朗噪声(Brownian noise)主导的机械噪声,与被称为检测质量块的运动电极质量成反比,因而在缩小器件尺寸和降低噪声之间存在着一种权衡。此外,电容式MEMS加速度计的灵敏度通常与加速度计的尺寸成正比,因此在缩小尺寸和提高灵敏度之间也存在权衡。由于高分辨率MEMS加速度计需要低噪声和高灵敏度性能,因此传统的基于硅的MEMS加速度计难以检测1μG级的加速度输入。

低噪声、高灵敏度MEMS加速度计

据麦姆斯咨询报道,由日本东京工业大学(Tokyo Institute of Technology)和恩梯梯尖端技术株式会社(NTT Advanced Technology Corporation)组建的研究小组提出了一种方案,通过使用金(Au)材料将MEMS加速度计的检测质量块尺寸缩小到原来的十分之一。在这项研究中,研究人员在检测质量块和弹性元件上采用了多层金属结构,开发出了一种低噪声、高灵敏度的MEMS加速度计。

基于多层镀金质量块的单轴MEMS电容式加速度计示意图

上图展示了本研究所提出的单轴MEMS电容式加速度计示意图。可以通过监测检测质量块和固定电极之间的电容变化来检测输入的加速度。该器件由多层电镀金制成。该器件将M3层和M4层用于弹性结构,将M4和M5层用于检测质量块结构。

灵敏度MEMS加速度计芯片

左图为这款高灵敏度MEMS加速度计芯片。该加速度计采用陶瓷封装并采用引线键合。右侧扫描电子显微镜(SEM)图像展示了基于金的检测质量块和弹性结构的特写。

研究人员利用多层金材料作为检测质量块结构,通过增加单位面积的质量,降低了与检测质量块成反比的布朗噪声。此外,他们通过降低检测质量块的翘曲,充分利用整个4mm x 4mm芯片,这使它们能够提高加速度计的电容灵敏度。

这款新型MEMS加速度计的灵敏度相比以前的技术提高了100倍,相同尺寸下的噪音则降至1/10(如下图所示)。据此,研究人员证实,这款加速度计可以检测低至1μG的输入加速度。其制造过程采用半导体微制造和电镀工艺,因而可以在集成电路芯片上实现所开发的MEMS结构。因此,该研究所提出的技术可用于提高通用微型加速度计的分辨率。

布朗噪声与电容灵敏度的对比

上图展示了布朗噪声与电容灵敏度的对比。得益于金材料的高密度,相同灵敏度的情况下,这项研究实现的器件布朗噪声比传统器件低了一个数量级。此外,这款器件采用表面微机械加工利于微型化。

这款MEMS加速度计可应用于医疗保健技术、基础设施监控、超轻机器人的高精度控制、移动车辆控制、无法使用GPS时的导航系统,以及需要超低加速度传感的空间环境测量。

延伸阅读:

《MEMS产业现状-2019版》

《霍尼韦尔9轴MEMS惯性传感器:HG1120CA50》

《霍尼韦尔6轴MEMS惯性传感器:HG4930CA51》

《ADI精密6轴MEMS惯性传感器:ADIS16460》

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