Ultra-clean wafer-level vacuum encapsulated inertial sensors using a commercial process

Inertial sensors, such as accelerometers and gyroscopes, have become ubiquitous in our daily lives and are found in a variety of devices and applications that require measurement of motion, direction, vibration and orientation. These integrated sensors benefiting from the tremendous advancements in microfabrication technology continue to grow rapidly providing efficient control and continuous monitoring in a variety of applications including smartdevices, automotive, aerospace, and industrial robotics. Here, both the choice of the fabrication technology and the design of the sensor devices play an important role to develop high performance MicroElectroMechanical Systems (MEMS) inertial sensors to insure stability, repeatability and accuracy of the measurements during operation. Literature review of MEMS inertial sensors reveals that many of these sensors are developed using full custom or proprietary micromachining processes. Till recently, standard pure-play MEMS processes had several limitations including choice of materials and lack of wafer-level vacuum packaging that made them incapable to support development of integrated inertial sensors with high performance specifications. Recently, the availability of standard pure-play MEMS processes that offer excellent advantages in high quality materials and advanced packaging could lead to development of new inertial sensors that can be readily mass-produced. These devices could help towards lowering the cost of devices with increased competition to existing players in the market and pursuing niche application areas that cannot be satisfied by available devices in the market. The present research aims to design, fabricate and characterize high performance novel integrated capacitive inertial sensors including both single axial and multi-axis accelerometer and a multi-axis gyroscope for angular rate measurement. The developed devices are based on two standard pure-play processes offered by Teledyne DALSA Semiconductor Inc. (TDSI). In 2013, TDSI introduced MEMS Integrated Design for Inertial Sensors (MIDIS) process, which is currently the only commercial MEMS process that includes ultra-clean wafer-level vacuum encapsulation of the MEMS devices at 10 mTorr. MIDIS process helps towards achieving a high Quality factor and reducing noise interference on the MEMS sensor devices. The developed inertial sensors in MIDIS process include a uniaxial accelerometer with ultra-low noise performance enabling resolution of 33mg over a high-g range of ±100g, tri-axial accelerometer with very low cross-axis sensitivity of 0.8%, and rate grade gyroscope with high Quality factor (> 50,000). This research is the first demonstration of wafer-level vacuum packaging of MEMS inertial sensors in a high volume pure-play MEMS process.Les capteurs inertiels, tels que les accéléromètres et les capteurs gyroscopiques, sont devenus omniprésents dans notre vie quotidienne et par conséquent ils sont employés dans divers dispositifs et applications nécessitant la mesure du mouvement, la direction, les vibrations et l'orientation. Ces capteurs intégrés ont bénéficié de l'énorme progrès perçu dans la technologie de micro-fabrication qui est en train de croître rapidement, fournissant ainsi un contrôle efficace et une surveillance continue dans les applications concernées tel que les composants intelligents (SmartDevices), l'automobile, l'aérospatiale et la robotique industrielle. Dans ce propos, le choix de la technologie de fabrication et de la conception des dispositifs de détection jouent un rôle très important pour le développement d'un tel capteur inertiel de type systèmes micro-électromécaniques (MEMS) ayant les performances désirées ce qui permet d'assurer la stabilité, la répétabilité et la précision dans les mesures durant le fonctionnement.Dans ce contexte, la revue de littérature sur les capteurs inertiels nous révèle que plusieurs types de ces capteurs MEMS ont été fabriqués en utilisant des procédés standards de micro fabrication ou bien à l'aide d'un micro-usinage spécifique propre au développeur lui-même. Durant les dernières années, les procédés de micro fabrication standard pour les composants MEMS ont montré plusieurs limitations remarquables pour fabriquer les capteurs inertiels. Ces limitations comprennent principalement le choix du type des matériaux et l'indisponibilité accrue de l'emballage sous vide au niveau du gaufre ce qui rend les performances des capteurs inertiels médiocres. Cependant, la disponibilité récente d'un procédé de fabrication standard pour MEMS (Pure-Play) offrant des avantages efficaces en termes de matériaux de haute qualité ainsi qu'en termes d'encapsulation performante a conduit au développement des capteurs inertiels de nouvelle génération susceptibles d'être facilement produits en masse. Ces équipements permettent d'abaisser énormément le coût global des dispositifs tout en ayant un avantage concurrentiel par rapport aux autres compétiteurs existants sur le marché. De plus, ces dispositifs permettent de répondre à plusieurs problèmes qui ne peuvent pas être résolus par les procédés de fabrication actuels. Les activités de recherche actuelles visent à concevoir, fabriquer et caractériser les nouveaux capteurs inertiels intégrés de haute performance. Ces capteurs comprennent principalement des accéléromètres uni axial ainsi que multiaxial et un capteur gyroscopique pour la mesure de la vitesse angulaire.Ainsi, les dispositifs développés ont été fabriqués en se basant sur le procédé standard MIDIS (Pure-Play) offert par Teledyne DALSA Semiconductor Inc. (TDSI). Effectivement, en 2013, TDSI introduit un nouveau procédé de fabrication (MIDIS) conçu spécifiquement pour le développement des capteurs inertiels intégrés. MIDIS est actuellement le seul procédé commercial de fabrication MEMS qui se distingue par une encapsulation à ultra faible pression au niveau du gaufre atteignant typiquement une valeur de pression de 10 mTorr. Également, le procédé de fabrication MIDIS permet d'atteindre un grand facteur de qualité et de réduire les interférences de bruit influençant le fonctionnement nominal des capteurs inertiels. Les capteurs inertiels actuels développés par le procédé MIDIS comprennent respectivement, un accéléromètre uni-axial montrant des performances d'ultra-faible bruit ce qui permet d'atteindre une résolution de 33 mg sur une large plage de mesure de ± 100g, un accéléromètre triaxial avec une très faible sensibilité transversale de 0,8%, et un capteur gyroscopique uni-axial avec un facteur de qualité très élevé (>50000). Cette recherche est la première démonstration d'une encapsulation au niveau gaufre sous vide des capteurs inertiels de type MEMS dans un procédé Pure-Play MEMS à volume très élevé