L'illustrazione mostra un'immagine schematica dell'accelerometro capacitivo MEMS monoasse proposto. L'accelerazione in ingresso può essere rilevata monitorando la variazione di capacità tra la massa di prova e l'elettrodo fisso. Il dispositivo è realizzato dai più strati realizzati in oro elettrolitico. Utilizziamo il terzo (M3) e il quarto (M4) strati per la struttura della molla, e gli strati M4 e quinto (M5) per la struttura di massa di prova. Credito:sensori e materiali, Daisuke Yamane
Si prevede un aumento significativo della domanda di accelerometri poiché il mercato dell'elettronica di consumo, come smartphone, e le applicazioni di monitoraggio dell'infrastruttura sociale si stanno espandendo. Tali accelerometri miniaturizzati e producibili in serie sono comunemente sviluppati dalla tecnologia MEMS al silicio in cui il processo di fabbricazione è ben consolidato.
Nella progettazione di accelerometri, esiste un compromesso tra la riduzione dimensionale e la riduzione del rumore perché il rumore meccanico dominato dal rumore browniano è inversamente proporzionale alla massa dell'elettrodo in movimento detta massa di prova. Inoltre, gli accelerometri capacitivi hanno una sensibilità generalmente proporzionale alla dimensione dell'accelerometro, e quindi c'è anche un trade-off tra la riduzione delle dimensioni e l'aumento della sensibilità. Poiché gli accelerometri ad alta risoluzione richiedono prestazioni a basso rumore e alta sensibilità, è stato difficile per gli accelerometri MEMS convenzionali a base di silicio rilevare un'accelerazione di ingresso di livello 1 μG.
Accelerometro MEMS a basso rumore e alta sensibilità
Il gruppo di ricerca composto da ricercatori di Tokyo Tech e NTT Advanced Technology Corporation ha precedentemente proposto un metodo per ridurre la dimensione della massa di prova degli accelerometri MEMS a meno di un decimo utilizzando materiale d'oro. In questo lavoro, come estensione di questo risultato, hanno impiegato strutture metalliche multistrato per la prova massa e componenti a molla, e sviluppato un basso rumore, accelerometro MEMS ad alta sensibilità.
Sinistra; La foto mostra un accelerometro MEMS ad alta sensibilità sviluppato. La massa a prova di Au è stata fabbricata su un dado di silicio. L'accelerometro è stato implementato in un pacchetto di ceramica e legato a filo. Destra; Le immagini SEM mostrano le viste ravvicinate della massa di prova Au e della struttura della molla. La struttura di massa di Au dello spessore di 22 μm è stata sviluppata con successo utilizzando gli strati M4 e M5. La struttura a molla a serpentina è stata realizzata con gli strati M3 e M4. Le molle a serpentina e i tappi sono stati posti ad ogni angolo della massa di prova. Credito:sensori e materiali, Daisuke Yamane
Come mostrato in Fig. 1, hanno ridotto il rumore browniano, che è inversamente proporzionale alla massa di prova, aumentando la massa per area con l'uso di più strati d'oro per la struttura della massa di prova.
Per di più, hanno utilizzato l'intera area del chip quadrato di 4 mm riducendo la deformazione della massa di prova, che ha permesso loro di aumentare la sensibilità della capacità dell'accelerometro. La Figura 2 mostra una fotografia del chip e immagini al microscopio elettronico a scansione dell'accelerometro MEMS sviluppato.
Il nuovo accelerometro ha sensibilità> 100 volte rispetto alla tecnologia precedente, e un decimo di rumore in meno a parità di dimensioni, come mostrato in Fig. 3. Di conseguenza, i ricercatori hanno confermato che l'accelerometro può rilevare un'accelerazione in ingresso fino a 1 μG. Il processo di fabbricazione ha comportato processi di microfabbricazione di semiconduttori e galvanica, e quindi potrebbe essere possibile implementare le strutture MEMS sviluppate su un chip di circuito integrato. Perciò, la tecnologia proposta sarebbe utile per aumentare la risoluzione di accelerometri miniaturizzati per uso generale.
Il grafico mostra un confronto tra il rumore browniano (BN) e la sensibilità della capacità. Grazie all'elevata densità dell'oro, il BN ottenuto in questo lavoro era più di un ordine di grandezza inferiore a quello dei dispositivi convenzionali se confrontato con la stessa sensibilità. Per di più, il nostro dispositivo è stato fabbricato mediante microlavorazione superficiale che sarebbe utile per la miniaturizzazione. Credito:sensori e materiali
L'accelerometro potrebbe essere applicato alla tecnologia medica e sanitaria, monitoraggio delle infrastrutture, controllo ad alta precisione di robot ultraleggeri, controllo del veicolo mobile, sistemi di navigazione in luoghi in cui il GPS non può essere utilizzato, e la misurazione dell'ambiente spaziale che richiede un rilevamento dell'accelerazione ultra-bassa.
