Pētnieki konstruē pirmo miniatūru gravimetru

Mikroelektromehāniskais gravitācijas lauka sensors der mikročipam

MEMS gravimetrs izskatās šādi: uz silīcija rāmja ir LED, fotosensors un MEMS ar niecīgu testa masu. © Džeils Hammonds
lasīt skaļi

Mazāks par zīmogu: Lielbritānijas pētnieki ir uzbūvējuši pirmo mikromēroga gravimetru. Nelielais gravitācijas lauka sensors sver tikai 15 milimetrus un sver 25 miligramus. Neskatoties uz to, viņš reģistrē pat nelielas gravitācijas paātrinājuma svārstības, netraucējot ikdienas satricinājumiem, kā ziņo pētnieki žurnālā "Daba". Tāpēc mazais un lētais sensors varētu dot iespēju pilnīgi jaunām lietojumprogrammām.

Mūsu planētas gravitācijas efekts mums ir skaidri pamanāms - pretējā gadījumā mēs peldētu. Bet šis gravitācijas paātrinājums nekādā ziņā nav vienāds: zemes garozas biezums, dobumi, ledus masas un pat gruntsūdens līmenis ietekmē zemes vietējo gravitācijas lauku. Mēness un saules pievilcība nodrošina arī to, ka zemes garozas gravitācijas lauks paceļas un laikā ar paisumu plūst.

Lieli un dārgi

Gravitācijas lokālā paātrinājuma izmaiņas var izmērīt gan absolūti, gan nosacīti - piemēram, ar inerces masas izturēšanos uz atsperi. "Tomēr visi iepriekšējie gravimetri ir ārkārtīgi dārgi - vairāk nekā 100 000 dolāru - un smagi vismaz astoņus kilogramus, " skaidro Džilijs Hammonds no Glāzgovas universitātes un viņa kolēģi. Tāpēc mobilajiem mērījumiem šīs ierīces ir tikai ierobežotas.

Tomēr noteikti ir paātrinājuma sensori, kas ir daudz mazāki un lētāki - tie šodien ir katrā viedtālrunī. Tomēr šīs mikroelektromehāniskās sistēmas (MEMS) līdz šim nav bijušas pietiekami sarežģītas un stabilas, lai atklātu pat zemas frekvences izmaiņas gravitācijas laukā, kā skaidro pētnieki.

Hammond un viņa kolēģi pirmo reizi ir izstrādājuši MEMS paātrinājuma sensoru, kas ir jutīgs un tajā pašā laikā pietiekami nedrošs, lai izmērītu zemes plūdmaiņas, pamatojoties uz vietējo gravitācijas lauku. Jūsu jaunais sensors ir tikai 15 milimetru izmērs un sver 25 miligramus. displejs

Skats uz vienu no testējamās masas ar silīciju atbalstāmām pavasara suspensijām ar skenējošo elektronu mikroskopu. Vidus Ričards Middlemiss

Testa masa silīcija ierīcē

Sensors sastāv no U formas silīcija ierīces, kurā niecīga testa masa elastīgo atsperu ir elastīgi suspendēta. Šīs plāksnītei līdzīgās masas vienā pusē atrodas viens gaismas diode, otrā - gaismas sensors. Kad masa tiek novirzīta, mainās ēna, ko tā met uz sensoru.

No gaismas maiņas pakāpes ierīce nosaka, kā mainās gravitācijas paātrinājums. Lai šis mazais akselerometrs nereaģētu uz visiem triecieniem, tiek izvēlētas atsperojuma balstiekārtas un mērīšanas masa tā, lai tie reaģētu tikai ar ļoti zemām frekvences izmaiņām, kas ir mazāk nekā četras sirds. Kā skaidro pētnieki, vara apvalks nodrošina arī pēc iespējas stabilāku temperatūru.

Mēra plūdmaiņas un atrod tuneļus

Lai pārbaudītu miniatūru ierīci, pētnieki to izmantoja, lai izmērītu plūdmaiņu svārstības Glāzgovas gravitācijas laukā. Rezultāti parādīja, ka sensora reģistrētās svārstības gandrīz precīzi atbilst teorētiski gaidāmajiem paisuma un paisuma spēkiem. "No mūsu rezultātiem mēs varam secināt, ka mūsu MEMS sensora jutība ir 40 mikrogāli uz pusi sirds, " sacīja pētnieki.

Salīdzinājumam šī mērījumu precizitāte būtu pietiekama, lai ar mini-Ger t tuneli noteiktu divu metru dziļumā, pamatojoties tikai uz tā gravitācijas efektu. "To varētu arī izmantot, lai noteiktu naftas rezervuārus, kas ir 150 metru dziļi un kuru sānu garums ir 50 metri, " saka Hammond un viņa kolēģi.

Visas jaunās lietojumprogrammas

Tādējādi šī mikroierīce skaidri uzskatāma par gravimetru un nav tikai vienkāršs akselerometrs. "Pat ja tas tika izgatavots no tikai ar pastmarku apzīmogotas silīcija mikroshēmas, šim sensoram ir zemākā jebkura MEMS akselerometra rezonanses frekvence, un tam ir visu laiku labākā jebkuras MEMS ierīces izturība, " uzsvērt Hammondu un viņa kolēģus.

Tā kā jaunais mikrogravimetrs ir lēts un viegli izgatavojams masveidā, tas varētu atvērt pilnīgi jaunu lietojumu klāstu: "To varētu iebūvēt dronos un izmantot naftas vai gāzes meklēšanai. Izmantojiet gāzes krājumus, "saka zinātnieki. "Būvniecības laikā to varētu izmantot, lai atrastu pazemes tuneļus vai kanālus." Veseli šādu minisensoru tīkli varētu kalpot arī kā agrīnas brīdināšanas sistēma vulkāniem un citām bīstamām vietām. (Daba, 2016; doi: 10.1038 / daba17397)

(Daba, 04.04.2016. - NPO)