L'illustration montre une image schématique de l'accéléromètre capacitif MEMS à axe unique proposé. L'accélération d'entrée peut être détectée en surveillant le changement de capacité entre la masse étalon et l'électrode fixe. Le dispositif est réalisé par les multiples couches d'or électrolytique. Nous utilisons les troisième (M3) et quatrième (M4) couches pour la structure du ressort, et les couches M4 et cinquième (M5) pour la structure de masse étalon. Crédit :Capteurs et Matériaux, Daisuke Yamane
Une augmentation significative de la demande d'accéléromètres est attendue car le marché de l'électronique grand public, comme les smartphones, et les applications de surveillance des infrastructures sociales se développent. De tels accéléromètres miniaturisés et fabriqués en série sont couramment développés par la technologie MEMS au silicium où le processus de fabrication est bien établi.
Dans la conception des accéléromètres, il y a un compromis entre la réduction de taille et la réduction du bruit car le bruit mécanique dominé par le bruit brownien est inversement proportionnel à la masse de l'électrode mobile appelée masse étalon. De plus, les accéléromètres capacitifs ont une sensibilité généralement proportionnelle à la taille de l'accéléromètre, et donc il y a aussi un compromis entre la réduction de la taille et l'augmentation de la sensibilité. Étant donné que les accéléromètres à haute résolution nécessitent des performances à faible bruit et à haute sensibilité, il a été difficile pour les accéléromètres MEMS conventionnels à base de silicium de détecter une accélération d'entrée de niveau 1 G.
Accéléromètre MEMS à faible bruit et haute sensibilité
Le groupe de recherche composé de chercheurs de Tokyo Tech et de NTT Advanced Technology Corporation a déjà proposé une méthode pour réduire la taille de la masse étalon des accéléromètres MEMS à moins d'un dixième en utilisant de l'or. Dans ce travail, dans le prolongement de cette réalisation, ils ont utilisé des structures métalliques multicouches pour la masse d'épreuve et les composants du ressort, et développé un faible bruit, accéléromètre MEMS haute sensibilité.
La gauche; La photo montre un accéléromètre MEMS développé à haute sensibilité. La masse étalon Au a été fabriquée sur une matrice en silicium. L'accéléromètre a été implémenté dans un boîtier en céramique et lié par fil. Droit; Les images SEM montrent les vues rapprochées de la masse étalon Au et de la structure du ressort. La structure de masse étalon Au de 22 µm d'épaisseur a été développée avec succès en utilisant les couches M4 et M5. La structure du ressort en serpentin était constituée des couches M3 et M4. Les ressorts et les bouchons serpentins ont été placés à chaque coin de la masse étalon. Crédit :Capteurs et Matériaux, Daisuke Yamane
Comme le montre la figure 1, ils ont réduit le bruit brownien, qui est inversement proportionnelle à la masse étalon, en augmentant la masse par surface avec l'utilisation de plusieurs couches d'or pour la structure de la masse étalon.
Par ailleurs, ils ont utilisé toute la surface de la puce de 4 mm carrés en réduisant le gauchissement de la masse étalon, ce qui leur a permis d'augmenter la sensibilité capacitive de l'accéléromètre. La figure 2 montre une photographie de puce et des images au microscope électronique à balayage de l'accéléromètre MEMS développé.
Le nouvel accéléromètre a une sensibilité> 100 fois supérieur à la technologie précédente, et un dixième moins de bruit à la même taille, comme le montre la figure 3. En conséquence, les chercheurs ont confirmé que l'accéléromètre peut détecter une accélération d'entrée aussi faible que 1 G. Le processus de fabrication impliquait des processus de microfabrication de semi-conducteurs et de galvanoplastie, et ainsi il pourrait être possible d'implémenter les structures MEMS développées sur une puce de circuit intégré. Par conséquent, la technologie proposée serait utile pour augmenter la résolution des accéléromètres miniaturisés à usage général.
Le graphique montre une comparaison du bruit brownien (BN) par rapport à la sensibilité capacitive. Grâce à la haute densité de l'or, le BN atteint dans ce travail était plus d'un ordre de grandeur inférieur à celui des dispositifs conventionnels par rapport à la même sensibilité. Par ailleurs, notre appareil a été fabriqué par micro-usinage de surface qui serait utile pour la miniaturisation. Crédit :Capteurs et matériaux
L'accéléromètre pourrait être appliqué à la technologie médicale et de la santé, surveillance des infrastructures, contrôle de haute précision de robots ultra-légers, contrôle de véhicule mobile, systèmes de navigation dans des endroits où le GPS ne peut pas être utilisé, et la mesure de l'environnement spatial nécessitant une détection d'accélération ultra-faible.
