Hitachi Ltd. tillkännagav idag utvecklingen av en högkänslig lågeffekt MEMS accelerometer som kan upptäcka extremt svag mark och byggnadsvibrationer genom att kombinera sofistikerad MEMS-teknik med kretsteknologi. Sensorn uppnår en känslighet som är jämförbar med sensorer för olje- och gasutvinning (ljudnivå 30ng/√Hz) med mindre än hälften av strömförbrukningen (20mW). Hitachi har för avsikt att använda denna sensor för olika applikationer inklusive nästa generations olje- och gasprospektering, och infrastrukturövervakning, att bidra till förverkligandet av en bekväm, tryggt och säkert samhälle.

De senaste årens framsteg i fusionen av OT (Operational Technology) och IT (Information Technology) har lett till ökade förväntningar på högpresterande sensorer, som representerar en nyckelkomponent. Till exempel, inom olje- och gasprospektering, sensorer med tre storleksordningar högre känslighet än fordonssensorer krävs eftersom de behöver kunna detektera extremt svaga underjordiska reflektionsvågor till följd av pålagda konstgjorda jordbävningar. Också, strömförbrukningen för dessa enheter måste minskas drastiskt för att förbättra genomförbarheten, eftersom användningsfall som nästa generations resursutforskning kan behöva distribuera sensorer i storleksordningen en miljon på platser, eller kan kräva en batteritid på många år, som vid infrastrukturövervakning för broar och byggnader. I konventionella MEMS accelerometrar, dock, det var svårt att uppnå hög känslighet och låg strömförbrukning samtidigt eftersom strömförbrukningen ökar proportionellt mot kvadraten på brusreduktionen.

För att övervinna denna utmaning, Hitachi utvecklade en högkänslig MEMS-accelerometer med låg effekt genom att konvergera en sofistikerad kombination av MEMS och kretsteknologier. Funktionerna hos de utvecklade teknikerna är följande.

Lågbrus MEMS med en rörlig massa med unika perforeringar

MEMS accelerometrar består av en rörlig massa upphängd av svaga fjädrar och kretsar för att upptäcka och kontrollera rörelser. Kretsarna detekterar rörelsen av massan som genereras av vibrationen eller accelerationen som elektriska laddningssignaler, och kontrollera massan baserat på signalen för att hålla den i en balanserad position, dock, bullret som orsakas av att luftmolekylerna kolliderar med ytan på den rörliga massan resulterar i minskad känslighet. I denna utveckling, unika perforeringar med olika ingångs-/utgångsdiametrar baserade på vätskedynamikanalys gjordes på den rörliga massan, bestående av ett SOI-substrat, vilket resulterar i en halvering av luftmolekylkollisioner.

Lågeffektkrets genom parallell drift av styrning och detektering

I konventionella MEMS accelerometrar, en gemensam elektrod används vid växling mellan kontroll- och detekteringsoperationer. Denna metod förbrukar mycket ström eftersom en hög styrspänning krävs för att växla mellan operationer på grund av den korta varaktigheten av styrperioden. I den föreslagna sensorn, oberoende elektroder tillhandahålls för kontroll och detektering, och därför kan kontroll- och detekteringsoperationer utföras samtidigt, och den höga spänningen som krävs för att förbereda för kontroll kan elimineras, vilket resulterar i en 40-procentig minskning av styrspänningen som krävs för styroperationerna.

Vid utvärdering av den utvecklade tekniken, det visade sig att känsligheten (brusnivå 30ng/√Hz eller mindre) som krävs för sensorer som används vid olje- och gasutvinning, kan realiseras med en strömförbrukning på 20mW, vilket är ungefär hälften av konventionella nivåer. Som ett resultat, det kommer att vara möjligt att använda MEMS accelerometrar i situationer som kräver ett stort antal högkänsliga lågeffektsensorer, som detektering av extremt svag mark eller byggnadsvibrationer.

Hitachi har för avsikt att använda denna sensor för olika applikationer inklusive nästa generations olje- och gasprospektering, och infrastrukturövervakning, att bidra till förverkligandet av en bekväm, tryggt och säkert samhälle.