Onderzoekers van de Binghamton University, Onderzoekers van de State University of New York hebben een manier gevonden om de prestaties van kleine sensoren te verbeteren die verstrekkende gevolgen kunnen hebben voor elektronische apparaten die we elke dag gebruiken.

De studie vindt een betrouwbaardere manier om actuatoren te gebruiken die MEMS (micro-elektromechanische systemen) aansturen, dat zijn microscopisch kleine apparaten met bewegende delen die vaak op dezelfde manier worden geproduceerd als elektronica.

Het Binghamton-team ontdekte dat het combineren van twee methoden voor elektrostatische aandrijving - parallelle plaat- en levitatie-actuators - leidde tot een voorspelbare lineariteit die geen van beide systemen op zichzelf bood.

Dit onderzoek wordt gefinancierd door een subsidie ​​van de National Science Foundation, voornamelijk uitgevoerd door Ph.D. student Mark Pallay onder toezicht van hoofdonderzoeker Shahrzad (Sherry) Towfighian en co-hoofdonderzoeker Ronald N. Miles, universitair hoofddocent en hoogleraar werktuigbouwkunde, respectievelijk.

De bevindingen van het team kunnen revolutionair zijn voor de productie van microfoons, omdat met dit ontwerp het signaal hoog genoeg kan worden versterkt dat de achtergrondruis van de elektronica niet langer een probleem is. Jaarlijks worden er wereldwijd meer dan 2 miljard microfoons gemaakt, en dat aantal groeit naarmate meer apparaten vocale interactie bieden.

"De elektronische ruis is echt moeilijk te verwijderen, ' zei Miles. 'Je hoort dit gesis op de achtergrond. Als je echt kleine microfoons maakt - wat we willen doen - wordt het geluid een steeds groter probleem. Het wordt steeds meer een uitdaging. Dit is een manier om dat te vermijden en het lawaai te verminderen."

sleepboot, die MEMS uitgebreid heeft bestudeerd, legde uit dat actuatoren in de micro-apparaten normaal gesproken slechts twee platen zijn met een opening ertussen. Die platen sluiten en het apparaat wordt geactiveerd wanneer het een bepaalde spanning krijgt.

Het is moeilijk om dat soort actuator te finetunen, maar door twee elektroden aan de zijkanten van de platen toe te voegen, ontstaat een levitatie-effect dat ze tegelijkertijd uit elkaar duwt en een betere controle over het apparaat mogelijk maakt.

"Door de twee systemen te combineren, we kunnen niet-lineariteit wegwerken, "zei ze. "Als je het wat spanning geeft, het staat op enige afstand en handhaaft dat over een groot bewegingsbereik."

Miles zei dat voorspelbaarheid cruciaal is bij het bouwen van actuatoren voor microfoons, die de focus van zijn recente onderzoek zijn geweest.

"In een sensor, het leven is veel gemakkelijker als het één eenheid beweegt en de uitgangsspanning in één eenheid toeneemt, of iets in verhouding als je gaat, " zei hij. "In een actuator, je probeert dingen te pushen, dus als je hem twee keer zoveel spanning geeft, je wilt dat het twee keer zo ver gaat en niet vier keer zo ver.

"Het is alsof je een liniaal hebt waarvan de centimeters in lengte varieerden terwijl je omhoog ging. Met capacitieve sensoren, je hebt deze vreemde variaties met gevoeligheid en output naarmate je hoger op de schaal komt. Dat is een enorme hoofdpijn."

Toen de Binghamton-onderzoekers met hun studie begonnen, ze wisten niet dat het combineren van de twee ideeën net zo'n wenselijk resultaat zou opleveren als het heeft.

"De magie - het domme geluk - is dat de niet-lineariteiten elkaar opheffen, ' zei Miles. 'Ze hebben de neiging om in tegengestelde richtingen te zijn. We kunnen dat over een aanzienlijk bereik laten zien, ze zijn lineair.

"Door beide elektrodeconfiguraties te hebben, het geeft je meer knoppen om aan te draaien en meer aanpassingen die je kunt maken door spanning op verschillende elektroden aan te brengen. Met een eenvoudige parallelle plaat, je hebt er één spanning over en je hebt niet veel ontwerpvrijheid. Hiermee, er zijn meer elektroden en je krijgt veel meer controle over het ontwerp."

Naast de mogelijkheden voor het vervaardigen van microfoons — waardoor ze kleiner, beter en goedkoper - Towfighian ziet hoe het nieuwe actuatorontwerp kan worden gebruikt in haar studierichting, waaronder gyroscopen, versnellingsmeters, druksensoren en andere soorten schakelaars.

"We hebben dit concept op een basisniveau getoond, maar het heeft brede toepassingen, "zei ze. "Het kan de functie van veel apparaten verbeteren, dus de impact kan enorm zijn."

De studie, getiteld "Het samenvoegen van parallelle plaat- en levitatie-actuators om lineariteit en afstembaarheid in elektrostatische MEMS mogelijk te maken, " werd gepubliceerd in The Journal of Applied Physics .