Недавно разработанный акселерометр в 100 раз более чувствителен и в 10 раз менее шумный, чем обычные. Он смог достичь уровня разрешения 1 мкг. Он может использоваться в различных приложениях для определения движения, а также в медицине и здравоохранении.
Ожидается, что мировой рынок потребительской электроники к 2024 году превысит 1,8 триллиона долларов. Таким образом, аналитики ожидают значительного роста спроса на акселерометры, электромеханический инструмент, используемый для измерения сил ускорения.
Эти массово выпускаемые миниатюрные инструменты обычно разрабатываются с помощью технологии микроэлектромеханических систем (MEMS), где метод изготовления хорошо известен.
Теперь исследователи из Токийского технологического института и NTT Advanced Technology Corporation разработали новый метод, позволяющий уменьшить размер акселерометров MEMS до менее чем 1/10 при увеличении его чувствительности в 100 раз по сравнению с обычными акселерометрами.
Чтобы разработать эффективный акселерометр, существует компромисс между уменьшением шума и уменьшением размера. Это происходит потому, что механический шум обратно пропорционален контрольной массе (массе движущегося электрода).
В емкостных акселерометрах чувствительность прямо пропорциональна размеру акселерометра. Следовательно, существует также компромисс между увеличением чувствительности и уменьшением размера.
Существующие МЭМС-акселерометры на основе кремния не могут обнаружить незначительный (в масштабе микрогравитации) уровень ускорения на входе.
Новый дизайн
Для разработки акселерометров высокого разрешения исследователи использовали золотой материал: они добавили многослойные металлические конструкции к контрольным массам и пружинным модулям. Получившийся прибор смог достичь уровня разрешения 1 мкГ.
Исследователи использовали несколько слоев золота для доказательства структуры массы, что помогло им снизить механический шум при увеличении массы на единицу площади. Они также уменьшили коробление пробной массы, чтобы использовать всю площадь 4-миллиметрового квадратного чипа, что сделало емкостный акселерометр более чем в 100 раз более чувствительным.
Измеренные характеристики этого MEMS-акселерометра с золотистой пробной массой соответствовали расчетным значениям, демонстрируя практичность нового подхода.
В частности, было установлено, что механический шум (с преобладанием броуновского шума) нового прибора составляет 22 нГ / √Гц, что более чем на порядок ниже, чем у традиционных акселерометров с той же емкостной чувствительностью.
Поскольку для производства новых акселерометров они использовали процесс микропроизводства полупроводников и гальваники, эти структуры могут быть реализованы на микросхемах интегральных схем, что позволяет производителям улучшить разрешение миниатюрных акселерометров для повседневного использования.
Например, эти акселерометры могут использоваться в различных приложениях для измерения движения, мониторинга инфраструктуры, управления мобильными транспортными средствами, облегченных роботов, а также в медицинской и медицинской технике. Они также могут быть применены к измерениям космической среды, которые требуют измерения чрезвычайно низкого ускорения, и к системам навигации, где GPS не может использоваться.