Raziskovalci konstruirajo prvi miniaturni gravimeter

Senzor mikroelektromehanskega gravitacijskega polja ustreza mikročipu

Tako izgleda gravimetr MEMS: Silikonski okvir ima LED, fotosenzor in MEMS z drobno testno maso. © Giles Hammond
prebral

Manjši od žiga: Britanski raziskovalci so konstruirali prvi gravimetr z mikro skalo. Drobno tipalo gravitacijskega polja tehta le 15 milimetrov in tehta 25 miligramov. Kljub temu beleži celo majhna nihanja gravitacijskega pospeška, ne da bi ga motili vsakdanji sunki, kot poročajo raziskovalci v reviji Nature. Majhen in poceni senzor bi torej lahko omogočil popolnoma nove aplikacije.

Gravitacijski učinek našega planeta je pri nas jasno opazen - sicer bi lebdeli. Toda ta pospešek gravitacije nikakor ni povsod enak: debelina zemeljske skorje, votline, ledene mase in celo nivo podzemne vode vplivajo na zemeljsko lokalno gravitacijsko polje. Luna in sonce privlačita tudi, da se gravitacijsko polje zemeljske skorje s plimi pravočasno dviga in pade.

Velik in drag

Spremembe lokalnega pospeška gravitacije lahko merimo tako absolutno kot relativno - na primer z obnašanjem inercijske mase na vzmeti. "Vendar so vsi prejšnji gravimetri izjemno dragi - več kot 100.000 dolarjev - in težka najmanj osem kilogramov, " pojasnjujejo Giles Hammond z univerze v Glasgowu in njegovi sodelavci. Za mobilne meritve so te naprave torej le omejene.

Vendar pa zagotovo obstajajo senzorji pospeška, ki so veliko manjši in cenejši - danes so v vsakem pametnem telefonu. Vendar ti mikro-elektro-mehanski sistemi (MEMS) doslej niso bili brez težav in dovolj stabilni, da zaznajo celo nizkofrekvenčne spremembe v gravitacijskem polju, kot pojasnjujejo raziskovalci.

Hammond in njegovi sodelavci so zdaj prvič zasnovali senzor pospeška MEMS, ki je občutljiv in obenem dovolj odporen za merjenje zemeljskih plimov na podlagi lokalnega gravitacijskega polja. Vaš novi senzor je velik le 15 milimetrov in tehta 25 miligramov. zaslon

Pogled na eno od silicij podprtih vzmetnih suspenzij preskusne mase s skenirnim elektronskim mikroskopom. Mid Richard Richard

Preskusna masa v silikonski napravi

Senzor je sestavljen iz silikonske naprave v obliki črke U, v katero je elastična vzmetna vzmetenje majhen preskusne mase. Na eni strani te ploščate mase je ena LED, na drugi pa senzor svetlobe. Ko se masa odkloni, se senca, ki jo vleče na senzor, spremeni.

Na podlagi stopnje spremembe svetlobe naprava določa, kako se spreminja gravitacijski pospešek. Da se ta majhen merilnik pospeška ne odzove na vse udarce, so vzmetne vzmetenja in merilne mase izbrane tako, da reagirajo le pri zelo nizkih frekvenčnih spremembah, manjših od štirih srčnih. Bakrena lupina zagotavlja tudi, da temperatura ostane čim bolj stabilna, kot pojasnjujejo raziskovalci.

Ukrepi plimovanje in najde predore

Za testiranje miniaturne naprave so jo raziskovalci uporabili za merjenje nihanj plimovanja v Glasgowovem gravitacijskem polju. Rezultati so pokazali, da nihanja, ki jih je zabeležil senzor, skoraj popolnoma ustrezajo teoretično pričakovanim silam plimovanja. "Iz naših rezultatov lahko sklepamo, da ima naš MEMS senzor občutljivost 40 mikrogal na pol srca, " so povedali raziskovalci.

Za primerjavo bi ta natančnost meritev zadostovala za zaznavanje z mini Ger t tunelom na globini dveh metrov izključno na podlagi njegovega gravitacijskega učinka. "Lahko bi ga uporabili tudi za zaznavanje naftnih rezervoarjev, ki so globoki 150 metrov in imajo stransko dolžino 50 metrov, " pravijo Hammond in njegovi sodelavci.

Vse nove aplikacije

Tako se ta mikro naprava očitno uvršča med gravimetre in ni zgolj preprost merilnik pospeška. "Čeprav je bil izdelan iz samo poštnega žiga silicijevega čipa, ima ta senzor najnižjo resonančno frekvenco katerega koli pospeševalnika MEMS in ima najboljšo moč katere koli naprave MEMS doslej, " poudarjajo Hammonda in njegove sodelavce.

Ker je nov mikrogravitater poceni in ga je enostavno proizvajati, bi lahko odprl celoten obseg uporabe: "Lahko bi ga vgradili v drone in ga uporabili za iskanje nafte ali plina Uporabljajte plinska nahajališča, "pravijo znanstveniki. "V gradbeništvu bi ga lahko našli pri podzemnih tunelih ali kanalih." Celotna omrežja takšnih ministrantov bi lahko služila tudi kot sistem zgodnjega opozarjanja na vulkane in druge nevarne točke. (Narava, 2016; doi: 10.1038 / narava17397)

(Narava, 04.04.2016 - NPO)