Hitachi Ltd. ha annunciato oggi lo sviluppo di un accelerometro MEMS ad alta sensibilità e bassa potenza in grado di rilevare vibrazioni estremamente deboli del terreno e degli edifici combinando la sofisticata tecnologia MEMS con la tecnologia dei circuiti. Il sensore raggiunge una sensibilità paragonabile a quella dei sensori per l'esplorazione di petrolio e gas (livello di rumore 30 ng/√Hz) con meno della metà del consumo energetico (20 mW). Hitachi intende applicare questo sensore a varie applicazioni, tra cui l'esplorazione di petrolio e gas di prossima generazione, e monitoraggio delle infrastrutture, contribuire alla realizzazione di un confortevole, società sicura e protetta.

I progressi degli ultimi anni nella fusione di OT (Operational Technology) e IT (Information Technology) hanno portato a una crescente aspettativa su sensori ad alte prestazioni, che rappresentano una componente fondamentale. Per esempio, nell'esplorazione di petrolio e gas, sono necessari sensori con una sensibilità di tre ordini di grandezza superiore rispetto ai sensori automobilistici poiché devono essere in grado di rilevare onde di riflessione sotterranee estremamente deboli derivanti da terremoti artificiali applicati. Anche, il consumo energetico di questi dispositivi deve essere drasticamente ridotto per migliorare la fattibilità, poiché casi d'uso come l'esplorazione delle risorse di nuova generazione potrebbero dover distribuire sensori nell'ordine di un milione nei siti, o potrebbe richiedere una durata della batteria di molti anni, come nel monitoraggio delle infrastrutture per ponti ed edifici. Negli accelerometri MEMS convenzionali, però, era difficile ottenere contemporaneamente un'elevata sensibilità e un basso consumo energetico poiché il consumo energetico aumenta proporzionalmente al quadrato della riduzione del rumore.

Per vincere questa sfida, Hitachi ha sviluppato un accelerometro MEMS a bassa potenza ad alta sensibilità combinando sofisticate combinazioni di MEMS e tecnologie di circuito. Le caratteristiche delle tecnologie sviluppate sono le seguenti.

MEMS a basso rumore che utilizzano una massa in movimento con perforazioni uniche

Gli accelerometri MEMS sono costituiti da una massa in movimento sospesa da deboli molle e circuiti per rilevare e controllare il movimento. I circuiti rilevano il movimento della massa generata dalla vibrazione o dall'accelerazione come segnali di carica elettrica, e controllare la massa in base al segnale per mantenerla in una posizione equilibrata, però, il rumore causato dalle molecole d'aria che entrano in collisione con la superficie della massa in movimento determina una ridotta sensibilità. In questo sviluppo, sono state eseguite perforazioni uniche con diversi diametri di entrata/uscita sulla base dell'analisi fluidodinamica sulla massa in movimento, costituito da un substrato SOI, con conseguente dimezzamento delle collisioni di molecole d'aria.

Circuito a bassa potenza tramite funzionamento parallelo di controllo e rilevamento

Negli accelerometri MEMS convenzionali, un elettrodo comune viene utilizzato quando si alternano le operazioni di controllo e rilevamento. Questo metodo consuma molta energia poiché è necessaria un'elevata tensione di controllo per passare da un'operazione all'altra a causa della breve durata del periodo di controllo. Nel sensore proposto, sono forniti elettrodi indipendenti per il controllo e la rilevazione, e quindi le operazioni di controllo e rilevamento possono essere eseguite contemporaneamente, e l'alta tensione necessaria per preparare il controllo può essere eliminata, con conseguente riduzione del 40% della tensione di controllo richiesta per le operazioni di controllo.

Nel valutare la tecnologia sviluppata, è stato riscontrato che la sensibilità (livello di rumore 30 ng/√Hz o meno) richiesta per i sensori utilizzati nell'esplorazione di petrolio e gas, potrebbe essere realizzato con un consumo di 20mW, che è circa la metà di quella dei livelli convenzionali. Di conseguenza, sarà possibile applicare accelerometri MEMS a situazioni che richiedono un gran numero di sensori a bassa potenza ad alta sensibilità, come il rilevamento di terreni estremamente deboli o vibrazioni dell'edificio.

Hitachi intende applicare questo sensore a varie applicazioni, tra cui l'esplorazione di petrolio e gas di prossima generazione, e monitoraggio delle infrastrutture, contribuire alla realizzazione di un confortevole, società sicura e protetta.