En betydande ökning av efterfrågan på accelerometrar förväntas eftersom marknaden för hemelektronik, som smartphones, och tillämpningar för övervakning av social infrastruktur expanderar. Sådana miniatyriserade och massproducerbara accelerometrar är vanligtvis utvecklade av kisel MEMS-teknik där tillverkningsprocessen är väl etablerad.

Vid design av accelerometrar, det finns en avvägning mellan storleksreduktionen och brusreduktionen eftersom det mekaniska bruset som domineras av det brownska bruset är omvänt proportionell mot massan av den rörliga elektroden som kallas provmassa. Dessutom, kapacitiva accelerometrar har känslighet i allmänhet proportionell mot accelerometerns storlek, och därmed finns det också en avvägning mellan storleksminskningen och känslighetsökningen. Eftersom högupplösta accelerometrar kräver lågt brus och hög känslighet, det har varit svårt för konventionella kiselbaserade MEMS-accelerometrar att upptäcka 1 μG-nivåacceleration.

Lågt brus och högkänslig MEMS accelerometer

Forskargruppen som består av forskare från Tokyo Tech och NTT Advanced Technology Corporation har tidigare föreslagit en metod för att minska bevismassans storlek på MEMS accelerometrar till mindre än en tiondel genom att använda guldmaterial. I det här arbetet, som en förlängning av denna prestation, de har använt flerskiktiga metallstrukturer för att säkra massan och fjäderkomponenter, och utvecklade en låg ljudnivå, högkänslig MEMS accelerometer.

Som visas i fig. 1, de minskade det brunska bruset, som är omvänt proportionell mot bevismassan, genom att öka massan per område med användning av flera lager av guld för provmassastrukturen.

Vidare, de utnyttjade hela arean av det 4 mm kvadratiska chipet genom att reducera förvrängningen av provmassan, vilket gjorde det möjligt för dem att öka accelerometerns kapacitanskänslighet. Figur 2 visar ett chipfotografi och svepelektronmikroskopbilder av den utvecklade MEMS-accelerometern.

Den nya accelerometern har känslighet> 100 gånger över tidigare teknik, och en tiondel mindre ljud vid samma storlek, som visas i fig. 3. Följaktligen, forskarna bekräftade att accelerometern kan detektera ingångsacceleration så låg som 1 μG. Tillverkningsprocessen innebar halvledarmikrotillverkningsprocesser och elektroplätering, och därmed skulle det kunna vara möjligt att implementera de utvecklade MEMS-strukturerna på ett integrerat kretschip. Därför, den föreslagna tekniken skulle vara användbar för att öka upplösningen hos miniatyriserade accelerometrar för allmänt bruk.

Accelerometern skulle kunna tillämpas på medicin- och hälsoteknik, övervakning av infrastruktur, högprecisionskontroll av ultralätta robotar, styrning av mobila fordon, navigationssystem på platser där GPS inte kan användas, och rymdmiljömätning som kräver ultralåg accelerationsavkänning.