La ilustración muestra una imagen esquemática del acelerómetro capacitivo MEMS de un solo eje propuesto. La aceleración de entrada se puede detectar monitoreando el cambio de capacitancia entre la masa de prueba y el electrodo fijo. El dispositivo está realizado por las múltiples capas hechas de oro galvanizado. Utilizamos la tercera (M3) y cuarta (M4) capas para la estructura del resorte, y las capas M4 y quinta (M5) para la estructura de masa de prueba. Crédito:Sensores y materiales, Daisuke Yamane
Se espera un aumento significativo en la demanda de acelerómetros a medida que el mercado de la electrónica de consumo, como teléfonos inteligentes, y las aplicaciones de monitoreo de infraestructura social se están expandiendo. Dichos acelerómetros miniaturizados y producibles en masa se desarrollan comúnmente mediante tecnología MEMS de silicio donde el proceso de fabricación está bien establecido.
En el diseño de acelerómetros, Existe una compensación entre la reducción de tamaño y la reducción de ruido porque el ruido mecánico dominado por el ruido browniano es inversamente proporcional a la masa del electrodo en movimiento llamado masa de prueba. Es más, Los acelerómetros capacitivos tienen una sensibilidad generalmente proporcional al tamaño del acelerómetro, y, por lo tanto, también existe una compensación entre la reducción de tamaño y el aumento de sensibilidad. Dado que los acelerómetros de alta resolución requieren un rendimiento de bajo ruido y alta sensibilidad, Ha sido difícil para los acelerómetros MEMS convencionales basados en silicio detectar una aceleración de entrada de nivel de 1 μG.
Acelerómetro MEMS de alta sensibilidad y bajo ruido
El grupo de investigación formado por investigadores de Tokyo Tech y NTT Advanced Technology Corporation ha propuesto previamente un método para reducir el tamaño de la masa de prueba de los acelerómetros MEMS a menos de una décima parte mediante el uso de material dorado. En este trabajo, como una extensión de este logro, han empleado estructuras metálicas multicapa para probar la masa y los componentes del resorte, y desarrolló un bajo nivel de ruido, acelerómetro MEMS de alta sensibilidad.
Izquierda; La foto muestra un acelerómetro MEMS de alta sensibilidad desarrollado. La masa a prueba de Au se fabricó en una matriz de silicio. El acelerómetro se implementó en un paquete de cerámica y se pegó con alambre. Derecha; Las imágenes SEM muestran las vistas en primer plano de la masa a prueba de Au y la estructura del resorte. La estructura de masa de prueba de Au de 22 μm de espesor se desarrolló con éxito empleando las capas M4 y M5. La estructura de resorte serpenteante estaba hecha de las capas M3 y M4. Los resortes serpentinos y los tapones se colocaron en cada esquina de la masa de prueba. Crédito:Sensores y materiales, Daisuke Yamane
Como se muestra en la Fig.1, redujeron el ruido browniano, que es inversamente proporcional a la masa de prueba, aumentando la masa por área con el uso de múltiples capas de oro para la estructura de masa de prueba.
Es más, utilizaron toda el área del chip cuadrado de 4 mm reduciendo la deformación de la masa de prueba, lo que les permitió aumentar la sensibilidad de capacitancia del acelerómetro. La Figura 2 muestra una fotografía de chip e imágenes de microscopio electrónico de barrido del acelerómetro MEMS desarrollado.
El nuevo acelerómetro tiene sensibilidad> 100 veces más que la tecnología anterior, y una décima parte menos de ruido con el mismo tamaño, como se muestra en la Fig. 3. En consecuencia, los investigadores confirmaron que el acelerómetro puede detectar una aceleración de entrada tan baja como 1 μG. El proceso de fabricación implicó procesos de microfabricación de semiconductores y galvanoplastia, y así podría ser posible implementar las estructuras MEMS desarrolladas en un chip de circuito integrado. Por lo tanto, la tecnología propuesta sería útil para aumentar la resolución de acelerómetros miniaturizados para uso general.
El gráfico muestra una comparación del ruido browniano (BN) frente a la sensibilidad de capacitancia. Gracias a la alta densidad del oro, la BN lograda en este trabajo fue más de un orden de magnitud menor que la de los dispositivos convencionales en comparación con la misma sensibilidad. Es más, Nuestro dispositivo fue fabricado por micromecanizado de superficie que sería útil para la miniaturización. Crédito:Sensores y materiales
El acelerómetro podría aplicarse a la tecnología médica y sanitaria, monitoreo de infraestructura, control de alta precisión de robots ultraligeros, control de vehículos móviles, sistemas de navegación en lugares donde no se puede utilizar el GPS, y medición del entorno espacial que requiere detección de aceleración ultrabaja.
