Højfølsomt MEMS-accelerometer med lav effekt til at detektere ekstremt svagt underlag og bygningsvibrationer

Hitachi Ltd. annoncerede i dag udviklingen af ​​et højfølsomt MEMS-accelerometer med lav effekt, der kan registrere ekstremt svag jord og bygningsvibrationer ved at kombinere sofistikeret MEMS-teknologi med kredsløbsteknologi. Sensoren opnår en sammenlignelig følsomhed som sensorer til olie- og gasefterforskning (støjniveau 30ng/√Hz) med mindre end halvdelen af ​​strømforbruget (20mW). Hitachi har til hensigt at anvende denne sensor til forskellige applikationer, herunder næste generation af olie- og gasefterforskning, og infrastrukturovervågning, at bidrage til realiseringen af ​​en behagelig, trygt og sikkert samfund.

De seneste års fremskridt i fusionen af ​​OT (Operational Technology) og IT (Information Technology) har ført til en stigende forventning om højtydende sensorer, som repræsenterer en nøglekomponent. For eksempel, i olie- og gasefterforskning, Der kræves sensorer med tre størrelsesordener højere følsomhed end bilsensorer, da de skal kunne detektere ekstremt svage underjordiske reflektionsbølger som følge af påførte kunstige jordskælv. Også, strømforbruget for disse enheder skal reduceres drastisk for at forbedre gennemførligheden, da use-cases såsom næste generations ressourceudforskning muligvis skal installere sensorer i størrelsesordenen en million på steder, eller kan kræve en batterilevetid på mange år, som i infrastrukturovervågning for broer og bygninger. I konventionelle MEMS accelerometre, imidlertid, det var vanskeligt at opnå høj følsomhed og lavt strømforbrug på samme tid, da strømforbruget stiger proportionalt med kvadratet af reduktionen af ​​støj.

For at overkomme denne udfordring, Hitachi udviklede et højfølsomt MEMS accelerometer med lav effekt ved at konvergere en sofistikeret kombination af MEMS og kredsløbsteknologier. Funktionerne ved de udviklede teknologier er som følger.

Støjsvag MEMS ved hjælp af en bevægelig masse med unikke perforeringer

MEMS accelerometre består af en bevægelig masse ophængt af svage fjedre og kredsløb for at registrere og kontrollere bevægelse. Kredsløbene registrerer bevægelsen af ​​massen genereret af vibrationen eller accelerationen som elektriske ladningssignaler, og styre massen baseret på signalet for at holde den i en afbalanceret position, imidlertid, støjen forårsaget af luftmolekylerne, der kolliderer med overfladen af ​​den bevægelige masse, resulterer i nedsat følsomhed. I denne udvikling, unikke perforeringer med forskellige ind-/udgangsdiametre baseret på fluiddynamikanalyse blev lavet på den bevægelige masse, bestående af et SOI-substrat, resulterer i en halvering af luftmolekylekollisioner.

Laveffektkredsløb gennem parallel drift af kontrol og detektering

I konventionelle MEMS accelerometre, en fælles elektrode bruges, når der skiftes mellem kontrol- og detekteringsoperationer. Denne metode bruger meget strøm, da der kræves en høj styrespænding for at skifte mellem operationer på grund af den korte varighed af kontrolperioden. I den foreslåede sensor, uafhængige elektroder er tilvejebragt til kontrol og detektion, og derfor kan kontrol- og detekteringsoperationer udføres samtidigt, og den højspænding, der kræves for at forberede styringen, kan elimineres, hvilket resulterer i en reduktion på 40 procent i styrespændingen, der kræves til kontroloperationerne.

Ved evaluering af den udviklede teknologi, det blev fundet, at den følsomhed (støjniveau 30ng/√Hz eller mindre), der kræves for sensorer, der anvendes til olie- og gasefterforskning, kunne realiseres med et strømforbrug på 20mW, hvilket er cirka halvdelen af ​​konventionelle niveauer. Som resultat, det vil være muligt at anvende MEMS accelerometre til situationer, der kræver et stort antal højfølsomme laveffektsensorer, som f.eks. registrering af ekstremt svag jord eller bygningsvibrationer.

Hitachi har til hensigt at anvende denne sensor til forskellige applikationer, herunder næste generation af olie- og gasefterforskning, og infrastrukturovervågning, at bidrage til realiseringen af ​​en behagelig, trygt og sikkert samfund.