Des chercheurs développent un accéléromètre MEMS avec une sensibilité accrue et une réduction de bruit améliorée

Une augmentation significative de la demande d'accéléromètres est attendue alors que le marché de l'électronique grand public, tels que les smartphones, et les applications de surveillance des infrastructures sociales se développent. De tels accéléromètres miniaturisés et pouvant être fabriqués en série sont généralement développés par la technologie MEMS au silicium où le processus de fabrication est bien établi.

Dans la conception des accéléromètres, il existe un compromis entre la réduction de taille et la réduction de bruit car le bruit mécanique dominé par le bruit brownien est inversement proportionnel à la masse de l'électrode en mouvement appelée masse sismique. De plus, la sensibilité des accéléromètres capacitifs est généralement proportionnelle à la taille de l'accéléromètre, de sorte qu'il existe également un compromis entre réduction de la taille et augmentation de la sensibilité. Les accéléromètres à haute résolution nécessitant des performances de bruit et de sensibilité élevées, il a été difficile pour les accéléromètres MEMS conventionnels à base de silicium de détecter une accélération d'entrée de niveau 1 μG.

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 permettant de réduire la taille de la masse d'épreuve des accéléromètres MEMS à moins d'un dixième en utilisant du matériel en or. Dans le cadre de ce travail, dans le prolongement de cette réalisation, ils ont utilisé des structures métalliques multicouches pour les composants de masse et de ressorts, et ont mis au point un accéléromètre MEMS à faible bruit et haute sensibilité.

Comme le montre la figure 1, ils ont réduit le bruit brownien, inversement proportionnel à la masse sismique, en augmentant la masse surfacique avec l'utilisation de plusieurs couches d'or pour la structure de la masse sismique.

En outre, ils ont utilisé toute la surface de la puce carrée de 4 mm en réduisant le gauchissement de la masse sismique, ce qui leur a permis d'accroître la sensibilité à la capacité de l'accéléromètre. La figure 2 montre une photographie à puce et des images au microscope électronique à balayage de l'accéléromètre MEMS développé.

Le nouvel accéléromètre a une sensibilité> 100 fois supérieure à celle de la technologie précédente et un bruit de moins à la même taille, comme le montre la Fig. 3. Les chercheurs ont donc confirmé que l'accéléromètre pouvait détecter une accélération d'entrée aussi faible que 1 µG. Le processus de fabrication comprenait des processus de microfabrication de semi-conducteurs et de galvanoplastie. Il était donc possible de mettre en œuvre 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.

L'accéléromètre pourrait être appliqué aux technologies médicales et de santé, à la surveillance des infrastructures, au contrôle de haute précision de robots ultra-légers, au contrôle de véhicules mobiles, aux systèmes de navigation dans des endroits où le GPS ne peut pas être utilisé et aux mesures de l'environnement spatial nécessitant une détection d'accélération ultra-faible.