Forschung -

Studie kann zu besseren Mikrofonen, Gyroskopen, Sensoren führen

Forscher der Binghamton University und der State University of New York fanden einen Weg, die Leistung winziger Sensoren zu verbessern, die weitreichende Auswirkungen auf Elektronikgeräte haben könnten.

Die Studie weist auf einen zuverlässigeren Weg hin, um Aktoren zu verwenden, die MEMS steuern, also mikroskopisch kleine Elemente mit beweglichen Teilen, die oft auf die gleiche Weise wie die Elektronik hergestellt werden.

Das Binghamton-Team fand heraus, dass die Kombination zweier Methoden zur elektrostatischen Betätigung - Parallelplatten und Schwebestellglieder - zu einer vorhersagbaren Linearität führte, die keines der beiden Systeme allein bieten kann.

Diese Untersuchung wird von der National Science Foundation finanziert, die in erster Linie vom Doktoranden Mark Pallay durchgeführt wird - unter der Aufsicht des Principal Investigators Professorin Shahrzad (Sherry) Towfighian und des Co-Principal Investigators Professor Ronald N. Miles.

Die Ergebnisse des Teams könnten für die Mikrofonherstellung revolutionär sein, denn mit diesem Design kann das Signal so hoch verstärkt werden, dass das Hintergrundgeräusch der Elektronik kein Thema mehr ist.

Mehr als 2 Milliarden Mikrofone werden jedes Jahr weltweit hergestellt, und diese Zahl wächst, da immer mehr Geräte über eine akustische Interaktion verfügen.

"Das elektronische Rauschen ist wirklich schwer zu beseitigen", sagte Miles. "Man hört dieses Zischen im Hintergrund. Wenn man wirklich kleine Mikrofone herstellt - was wir tun wollen - ist das Rauschen ein immer größeres Problem. Es ist immer mehr eine Herausforderung. Unser Forschungsprojekt ist ein Weg, um das zu vermeiden und den Lärm zu reduzieren."

Towfighian, die sich eingehend mit MEMS beschäftigt hatte, erklärte, dass Aktoren in den Mikrokomponenten normalerweise nur zwei Platten mit einem Spalt dazwischen sind. Diese Platten schließen sich und das Gerät wird aktiviert, wenn es eine bestimmte Spannung erhält.

Es ist schwierig, diese Art von Stellglied fein abzustimmen, aber das Hinzufügen von zwei Elektroden an den Plattenseiten erzeugt einen Levitationseffekt, der sie gleichzeitig auseinanderdrückt und so eine bessere Kontrolle über das Element ermöglicht.

"Durch die Kombination der beiden Systeme können wir die Nichtlinearität beseitigen", sagte sie. "Wenn man etwas Spannung anlegt, steht es in einiger Entfernung und hält das über einen großen Bewegungsbereich hin aufrecht."

Miles sagte, dass die Vorhersagbarkeit entscheidend ist, wenn es darum geht, Stellglieder für Mikrofone zu bauen, die im Mittelpunkt seiner jüngsten Forschung stehen.

"In einem Sensor ist das Leben viel einfacher, wenn es sich um eine Einheit bewegt und die Ausgangsspannung in einer Einheit steigt, oder etwas, das proportional ist, wenn man fortfährt", sagte er.

"In einem Stellglied versucht man, Dinge voranzutreiben. Wenn man also doppelt so viel Spannung anlegt, will man, dass es doppelt so weit geht und nicht viermal so weit."

"Es ist, als ob man ein Lineal hätte, in dem die Zentimeterlängen beim Aufstieg variierten. Mit kapazitiven Sensoren hat man diese seltsamen Schwankungen mit Empfindlichkeit und Ausgangsleistung, sobald man die Skala nach oben bewegt. Das sind massive Kopfschmerzen."

Als die Binghamton-Forscher mit ihrer Studie begannen, wussten sie nicht, dass die Kombination der beiden Ideen ein so wünschenswertes Ergebnis bringen würde.

"Die Magie - das dumme Glück - ist, dass sich die Nichtlinearitäten gegenseitig aufheben", sagte Miles. "Sie neigen, in entgegengesetzte Richtungen zu gehen. Wir zeigen, dass sie über einen signifikanten Bereich hin linear sind."

"Durch die beiden Elektrodenkonfigurationen erhält man mehr Einstellmöglichkeiten, die man mit dem Anlegen von Spannungen an verschiedene Elektroden vornehmen kann. Mit einer einfachen Parallelplatte hat man zwar eine Spannung an ihnen, aber nicht viel Designfreiheit. Mit unserer Vorgehensweise gibt es mehr Elektroden und man erhält viel mehr Kontrolle über das Design."

Neben den Möglichkeiten der Mikrofonherstellung - die sie kleiner, besser und billiger macht - sieht Towfighian, wie das neue Aktuatordesign auch in ihrer Studienrichtung eingesetzt werden kann, die Gyroskope, Beschleunigungssensoren, Drucksensoren und andere Schaltervarianten umfasst.

"Wir haben dieses Konzept auf einer grundlegenden Ebene gezeigt, aber es hat breite Anwendungen", sagte sie. "Es kann die Funktion vieler Geräte verbessern, sodass die Auswirkungen enorm sein können."

Der Forschungsbericht mit dem Titel "Merging parallel-plate and levitation actuators to enable linearity and tunability in electrostatic MEMS" wurde im "Journal of Applied Physics" veröffentlicht.

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