Figure 1. CI de contrôle, IC de détection et dispositif MEMS dans l'accéléromètre (à gauche), masse en mouvement à l'intérieur du dispositif MEMS (à droite). Crédit :Hitachi
Hitachi Ltd. a annoncé aujourd'hui le développement d'un accéléromètre MEMS haute sensibilité et basse puissance capable de détecter les vibrations extrêmement faibles du sol et du bâtiment en combinant une technologie MEMS sophistiquée avec une technologie de circuit. Le capteur atteint une sensibilité comparable à celle des capteurs pour l'exploration pétrolière et gazière (niveau de bruit 30ng/√Hz) avec moins de la moitié de la consommation électrique (20mW). Hitachi a l'intention d'appliquer ce capteur à diverses applications, notamment l'exploration pétrolière et gazière de nouvelle génération, et la surveillance des infrastructures, contribuer à la réalisation d'un confortable, société sûre et sécurisée.
Les progrès de ces dernières années dans la fusion de l'OT (Operational Technology) et de l'IT (Information Technology) ont conduit à une attente croissante sur les capteurs haute performance, qui représentent un élément clé. Par exemple, dans l'exploration pétrolière et gazière, des capteurs avec une sensibilité de trois ordres de grandeur supérieure à celle des capteurs automobiles sont nécessaires car ils doivent être capables de détecter des ondes de réflexion souterraines extrêmement faibles résultant de tremblements de terre artificiels appliqués. Aussi, la consommation d'énergie de ces appareils doit être considérablement réduite pour améliorer la faisabilité, car les cas d'utilisation tels que l'exploration des ressources de nouvelle génération peuvent nécessiter le déploiement de capteurs de l'ordre d'un million sur les sites, ou peut nécessiter une autonomie de plusieurs années, comme dans la surveillance des infrastructures pour les ponts et les bâtiments. Dans les accéléromètres MEMS conventionnels, cependant, il était difficile d'atteindre une sensibilité élevée et une faible consommation d'énergie en même temps car la consommation d'énergie augmente proportionnellement au carré de la réduction du bruit.
Pour surmonter ce défi, Hitachi a développé un accéléromètre MEMS haute sensibilité et basse consommation en faisant converger une combinaison sophistiquée de technologies MEMS et de circuits. Les caractéristiques des technologies développées sont les suivantes.
Figure 2. Structure du dispositif MEMS développé. Crédit :Hitachi
MEMS à faible bruit utilisant une masse mobile avec des perforations uniques
Les accéléromètres MEMS consistent en une masse mobile suspendue par des ressorts et des circuits faibles pour détecter et contrôler le mouvement. Les circuits détectent le mouvement de la masse généré par la vibration ou l'accélération en tant que signaux de charge électrique, et contrôler la masse en fonction du signal pour la maintenir dans une position équilibrée, cependant, le bruit causé par les molécules d'air entrant en collision avec la surface de la masse en mouvement entraîne une sensibilité réduite. Dans ce développement, des perforations uniques avec différents diamètres d'entrée/sortie basées sur l'analyse de la dynamique des fluides ont été réalisées sur la masse en mouvement, constitué d'un substrat SOI, résultant en une réduction de moitié des collisions de molécules d'air.
Circuit de faible puissance grâce au fonctionnement en parallèle du contrôle et de la détection
Dans les accéléromètres MEMS conventionnels, une électrode commune est utilisée lors de la commutation alternative entre les opérations de contrôle et de détection. Cette méthode consomme beaucoup d'énergie car une tension de commande élevée est nécessaire pour basculer entre les opérations en raison de la courte durée de la période de commande. Dans le capteur proposé, des électrodes indépendantes sont fournies pour le contrôle et la détection, et donc les opérations de contrôle et de détection peuvent être effectuées simultanément, et la haute tension requise pour préparer le contrôle peut être éliminée, résultant en une réduction de 40 pour cent de la tension de commande requise pour les opérations de commande.
En évaluant la technologie développée, il a été constaté que la sensibilité (niveau de bruit 30ng/√Hz ou moins) requise pour les capteurs utilisés dans l'exploration pétrolière et gazière, pourrait être réalisé avec une consommation électrique de 20mW, ce qui est environ la moitié de celui des niveaux conventionnels. Par conséquent, il sera possible d'appliquer les accéléromètres MEMS à des situations nécessitant un grand nombre de capteurs de faible puissance à haute sensibilité, comme la détection de vibrations de sol ou de bâtiment extrêmement faibles.
Hitachi a l'intention d'appliquer ce capteur à diverses applications, notamment l'exploration pétrolière et gazière de nouvelle génération, et la surveillance des infrastructures, contribuer à la réalisation d'un confortable, société sûre et sécurisée.
