Er wordt een aanzienlijke toename van de vraag naar versnellingsmeters verwacht, aangezien de markt voor consumentenelektronica, zoals smartphones, en toepassingen voor monitoring van sociale infrastructuur breiden zich uit. Dergelijke geminiaturiseerde en in massa produceerbare versnellingsmeters worden gewoonlijk ontwikkeld door silicium MEMS-technologie waar het fabricageproces goed ingeburgerd is.

Bij het ontwerp van versnellingsmeters, er is een wisselwerking tussen de groottevermindering en de ruisvermindering omdat de mechanische ruis die wordt gedomineerd door de Brownse ruis omgekeerd evenredig is met de massa van de bewegende elektrode die als proefmassa wordt genoemd. Bovendien, capacitieve versnellingsmeters hebben een gevoeligheid die over het algemeen evenredig is met de grootte van de versnellingsmeter, en dus is er ook een afweging tussen de groottevermindering en de gevoeligheidsverhoging. Aangezien versnellingsmeters met hoge resolutie lage ruis en hoge gevoeligheid vereisen, het was voor conventionele MEMS-versnellingsmeters op basis van silicium moeilijk om ingangsversnelling van 1 μG-niveau te detecteren.

Lage ruis en hoge gevoeligheid MEMS accelerometer

De onderzoeksgroep bestaande uit onderzoekers van Tokyo Tech en NTT Advanced Technology Corporation heeft eerder een methode voorgesteld om de bewijsmassa van MEMS-versnellingsmeters te verkleinen tot minder dan een tiende door gebruik te maken van goudmateriaal. In dit werk, in het verlengde van deze prestatie, ze hebben meerlagige metalen structuren gebruikt om de massa- en veercomponenten te bewijzen, en ontwikkelde een geluidsarme, hooggevoelige MEMS-versnellingsmeter.

Zoals getoond in Fig. 1, ze verminderden de Brownse ruis, die omgekeerd evenredig is met de bewijsmassa, door de massa per gebied te vergroten met het gebruik van meerdere lagen goud voor de proefmassastructuur.

Verder, ze gebruikten het hele gebied van de 4 mm-vierkante chip door de kromtrekking van de proefmassa te verminderen, waardoor ze de capaciteitsgevoeligheid van de versnellingsmeter konden vergroten. Figuur 2 toont een chipfoto en scanning-elektronenmicroscoopbeelden van de ontwikkelde MEMS-versnellingsmeter.

De nieuwe versnellingsmeter heeft een gevoeligheid> 100 keer meer dan eerdere technologie, en een tiende minder geluid bij dezelfde grootte, zoals getoond in Fig. 3. Dienovereenkomstig, de onderzoekers bevestigden dat de accelerometer inputversnelling kan detecteren zo laag als 1 μG. Het fabricageproces omvatte halfgeleider microfabricageprocessen en galvaniseren, en dus zou het mogelijk kunnen zijn om de ontwikkelde MEMS-structuren op een geïntegreerde schakelingschip te implementeren. Daarom, de voorgestelde technologie zou nuttig zijn om de resolutie van geminiaturiseerde versnellingsmeters voor algemeen gebruik te vergroten.

De versnellingsmeter kan worden toegepast op medische en gezondheidszorgtechnologie, infrastructuurbewaking, zeer nauwkeurige besturing van ultralichte robots, mobiele voertuigcontrole, navigatiesystemen op plaatsen waar GPS niet kan worden gebruikt, en ruimte-omgevingsmetingen die ultralage versnellingsdetectie vereisen.