Новый акселерометр в сто раз чувствительнее и в десять раз тише стандартных. Его разрешение составляет 1 мг. Его можно применять в разных областях для измерения движения, а также в медицине и здравоохранении.
К 2024 году мировой рынок потребительской электроники может достигнуть свыше 1,8 триллиона долларов, что прогнозирует заметный рост спроса на акселерометры — электромеханические приборы для измерения сил ускорения.
Массовое производство этих маленьких инструментов часто основано на технологии микроэлектромеханических систем, изготовление которой широко известно.
Учёные из Токийского технологического института и NTT Advanced Technology Corporation создали новый способ, уменьшающий размер микромеханических акселерометров (MEMS) более чем в 10 раз при одновременном повышении чувствительности на 100 раз по сравнению с обычными акселерометрами.
Для создания действенного акселерометра приходится искать баланс: снижать шум и размер устройства. Такая необходимость связана с тем, что механический шум обратную зависимость имеет от массы контролируемого электродного элемента.
Чувствительность емкостных акселерометров возрастает с ростом их размеров.
Кремниевые акселерометры нового поколения не способны регистрировать малые колебания притяжения.
Новый дизайн
Для создания акселерометров высокой точности исследователи применили золотой материал, интегрировав многослойные металлические структуры в контрольные массы и пружинные модули. Такой прибор показал уровень разрешения в 1 мкГ.
Для доказательства структуры массы исследователи применили несколько слоев золота, что позволило снизить механический шум при увеличении массы на единицу площади. Кроме того, уменьшили коробление пробной массы для использования всей площади 4-миллиметрового квадратного чипа, что сделало емкостный акселерометр более чем в 100 раз более чувствительным.
Измерения характеристик данного MEMS-акселерометра с золотой пробной массой совпали с рассчитанными, подтвердив эффективность нового метода.
Механический шум нового устройства, в котором преобладает броуновский шум, равен 22 нГ/√Гц и значительно ниже, чем у обычных акселерометров с такой же емкостной чувствительностью.
Использование процесса микропроизводства полупроводников и гальваники при производстве новых акселерометров позволяет реализовать эти структуры на микросхемах интегральных схем, повышая разрешение миниатюрных акселерометров для ежедневного применения.
Эти акселерометры применяются в разнообразных областях: измерении движения, мониторинге инфраструктуры, управлении мобильными транспортными средствами, роботизированной технике, а также в медицине. Их можно использовать для измерений в космической среде с чрезвычайно низким ускорением и в системах навигации без возможности использования GPS.