A ilustração mostra uma imagem esquemática do acelerômetro capacitivo MEMS de eixo único proposto. A aceleração de entrada pode ser detectada monitorando a mudança de capacitância entre a massa de prova e o eletrodo fixo. O dispositivo é realizado por várias camadas feitas de ouro galvanizado. Utilizamos a terceira (M3) e a quarta (M4) camadas para a estrutura da mola, e as camadas M4 e quinta (M5) para a estrutura de massa de prova. Crédito:Sensores e Materiais, Daisuke Yamane
Um aumento significativo na demanda de acelerômetros é esperado conforme o mercado de eletrônicos de consumo, como smartphones, e os aplicativos de monitoramento de infraestrutura social estão se expandindo. Esses acelerômetros miniaturizados e produzidos em massa são comumente desenvolvidos pela tecnologia MEMS de silício, onde o processo de fabricação está bem estabelecido.
No projeto de acelerômetros, há uma compensação entre a redução de tamanho e a redução de ruído porque o ruído mecânico dominado pelo ruído browniano é inversamente proporcional à massa do eletrodo em movimento, chamada de massa de prova. Além disso, acelerômetros capacitivos têm sensibilidade geralmente proporcional ao tamanho do acelerômetro, e, portanto, também há uma compensação entre a redução do tamanho e o aumento da sensibilidade. Uma vez que os acelerômetros de alta resolução requerem baixo ruído e desempenhos de alta sensibilidade, tem sido difícil para os acelerômetros MEMS convencionais baseados em silício detectar a aceleração de entrada de nível de 1 μG.
Acelerômetro MEMS de baixo ruído e alta sensibilidade
O grupo de pesquisa formado por pesquisadores da Tokyo Tech e NTT Advanced Technology Corporation propôs anteriormente um método para reduzir o tamanho da massa de prova dos acelerômetros MEMS para menos de um décimo usando material de ouro. Nesse trabalho, como uma extensão dessa conquista, eles empregaram estruturas de metal multicamadas para a massa de prova e componentes de mola, e desenvolveu um baixo ruído, acelerômetro MEMS de alta sensibilidade.
Deixou; A foto mostra um acelerômetro MEMS de alta sensibilidade desenvolvido. A massa à prova de Au foi fabricada em um molde de silício. O acelerômetro foi implementado em um pacote de cerâmica e ligado por fio. Direito; As imagens SEM mostram as vistas de perto da massa à prova de Au e da estrutura da mola. A estrutura de massa à prova de Au de 22 μm de espessura foi desenvolvida com sucesso usando as camadas M4 e M5. A estrutura da mola serpentina foi feita das camadas M3 e M4. As molas serpentinas e rolhas foram colocadas em cada canto da massa de prova. Crédito:Sensores e Materiais, Daisuke Yamane
Conforme mostrado na Fig. 1, eles reduziram o ruído browniano, que é inversamente proporcional à massa de prova, aumentando a massa por área com o uso de múltiplas camadas de ouro para a estrutura de massa de prova.
Além disso, eles utilizaram toda a área do chip quadrado de 4 mm, reduzindo o empenamento da massa de prova, o que lhes permitiu aumentar a sensibilidade da capacitância do acelerômetro. A Figura 2 mostra uma fotografia de chip e imagens de microscópio eletrônico de varredura do acelerômetro MEMS desenvolvido.
O novo acelerômetro tem sensibilidade> 100 vezes em relação à tecnologia anterior, e um décimo a menos de ruído do mesmo tamanho, como mostrado na Fig. 3. Consequentemente, os pesquisadores confirmaram que o acelerômetro pode detectar aceleração de entrada tão baixa quanto 1 μG. O processo de fabricação envolveu processos de microfabricação de semicondutores e galvanoplastia, e, portanto, pode ser possível implementar as estruturas de MEMS desenvolvidas em um chip de circuito integrado. Portanto, a tecnologia proposta seria útil para aumentar a resolução de acelerômetros miniaturizados para uso geral.
O gráfico mostra uma comparação do ruído browniano (BN) com a sensibilidade da capacitância. Graças à alta densidade do ouro, o BN obtido neste trabalho foi mais do que uma ordem de magnitude menor do que o dos aparelhos convencionais quando comparados com a mesma sensibilidade. Além disso, nosso dispositivo foi fabricado por microusinagem de superfície que seria útil para a miniaturização. Crédito:Sensores e Materiais
O acelerômetro pode ser aplicado à tecnologia médica e de saúde, monitoramento de infraestrutura, controle de alta precisão de robôs ultraleves, controle de veículo móvel, sistemas de navegação em locais onde o GPS não pode ser usado, e medição de ambiente espacial que requer detecção de aceleração ultrabaixa.
