Diseño acelerometro

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  • Publicado : 14 de diciembre de 2010
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Introducción
Un acelerómetro es un dispositivo para la medida de la aceleración y la gravedad inducido por la reacción a las fuerzas que experimenta.
Los acelerómetros modernos son quizás unos de los dispositivos MEMS más simples, típicamente consisten en una micro-viga voladiza o masa de prueba (también conocida como masa sísmica) acompañada de algún detector de deflexión y la circuiteríanecesaria. Una aceleración provoca que la viga o la masa se desvíen de su posición de reposo, en algunos sistemas la desviación se mide de manera analógica mientras otros sistemas proporcionan una salida digital
Requisitos
El sensor tendrá una estructura en peine de electrodos, cuyos requisitos son:
El sensor no podrá ocupar un área mayor de 500x500 µm x µm.
La tensión de alimentación será ±20V.
Se necesita un área de 600x400 µm x µm para la circuitería y un borde en el dado de 1mm de anchura para la situación de los pads.
Sensibilidad:
s=Vo/a=2.5 mV/(m⁄s^2 )
Ancho de banda:
f_max=200 Hz
Aceleración mínima a medir de 250 mV/(m⁄s^2 )

Diseño del sensor
Para el diseño de la estructura partimos de un proceso iterativo con el fin de satisfacer las especificacionesdeseadas.
Una vez alcanzada una primera solución admisible acorde con las especificaciones iniciales, se pasó a una segunda fase consistente en una nueva iteración para optimizar el diseño en pos de conseguir maximizar la sensibilidad del acelerómetro, buscando una solución de compromiso de modo que se obtuviera la máxima sensibilidad a la vez que los demás requisitos iniciales.
En la etapa dediseño del acelerómetro se deben tener en cuenta factores tanto estructurales del sensor (como la tensión máxima soportada por las vigas o la frecuencia de resonancia), así como factores de tecnología, ya que los procesos de fabricación tienen ciertas limitaciones cuando se trabaja a escalas micrométricas.
En primer lugar se debe cumplir que el ancho de banda en el que trabaje el sensor sea muyinferior a la frecuencia de resonancia del sistema, aproximadamente diez veces, esto es:
10•f_max≤ w_o/2π

Por lo que la frecuencia de resonancia w_o debe de ser superior a 12566 rad⁄s
w_o≥12566 rad⁄s
Tras varias iteraciones, las dimensiones de la estructura se muestran a continuación:
Masa de prueba (mass proof)
Alto 460 µm
Ancho 200 µm
Espesor 1,8 µm

Esta masa de prueba serealizará por deposición LPCVD de Polisilicio. El volumen total de Polisilicio es de 1,65•〖10〗^(-13) m3.
Peines (fingers)
Nº Peines 76
Alto 2 µm
Ancho 125 µm
Espesor 1,8 µm

Los peines también serán realizados de Polisilicio, siendo el volumen total del conjunto de 76 peines, 3,42•〖10〗^(-14) m3.
Vigas (beams)
Nº Vigas 2
Alto 2 µm
Ancho 450 µm
Espesor 2 µm

Las vigas serán dePolisilicio, ya que posee unas propiedades mecánicas acorde con nuestras necesidades. El volumen total de las dos vigas es 3,24•〖10〗^(-15) m3.
La densidad del Polisilicio es 2330 Kg⁄m^3 . Por consiguiente, la masa total del conjunto es:
m=4,7038•〖10〗^(-10) Kg
Los electrodos ± VCC serán de Polisilicio dopado, depositado mediante LPCVD y tendrán un ancho de 125 µm, una altura de 1 µm y un espesorde 2 µm. La masa de prueba (mass proof) y los peines serán también de Polisilicio dopado. Se ha tomado esta decisión analizando sus ventajas e inconvenientes. La desventaja de usar tanto la estructura como los electrodos de Polisilicio dopado es el alto precio por cada hora de deposición que tiene este material. Sin embargo, para depositar 2 µm de Polisilicio necesitaríamos 66,67 minutos, pagando2 horas de utilización de los equipos de deposición, y si depositáramos Polisilicio dopado se necesitarían 142,8 minutos, pagando 3 horas de alquiler de equipos. Analizando estos datos, se observa que si se decidiera realizar la masa de prueba de Polisilicio y los electrodos de Polisilicio dopado, el coste será mayor que utilizar todo de Polisilicio dopado debido a que el proceso se extendería...
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