Революция акселерометров

Акселерометр устройства iPhone 3GS, переключающий ориентацию экрана при его повороте и помогающий проходить гоночные виражи в видеоиграх, должен казаться потребителям чудом совершенства. Однако он не идет ни в какое сравнение с тем, чего удалось добиться инженерам Hewlett-Packard.

Акселерометры, или инерционные датчики, — это устройства, реагирующие на сотрясение, вибрацию и изменение скорости. Акселерометры, используемые в сотовых телефонах и другой бытовой электронике, представляют собой так называемые микроэлектромеханические системы (Micro-Electromechanical System, MEMS) — интегрированные электрические схемы с движущимися компонентами. Будучи компактными и относительно недорогими, они до недавнего времени не могли сравниться с гораздо более чувствительными датчиками, применяемыми в авиалайнерах и других коммерческих приложениях.

Механические устройства подобного рода были размером с кирпич, а регистрация движения в каждом из направлений обходилась потребителям примерно в тысячу долларов. И вот теперь компания Hewlett-Packard представила компактный акселерометр. Отдельные элементы новой технологии были разработаны инженерами подразделения принтеров, которые используют системы MEMS другого типа в головках печатающих устройств. К настоящему моменту датчики HP еще недостаточно дешевы для того, чтобы начать осваивать рынок бытовой электроники, но это вполне может произойти уже через несколько лет. В ближайшее же время революции акселерометров следует ждать в строительстве и геологоразведке.

Чувствительность новых чипов в тысячу раз превосходит чувствительность акселерометров, применяющихся в бытовых устройствах сегодня. По словам руководителя инженерной группы подразделения HP Technology Development Organization Дэвида Эриксона, датчики, находящиеся на одном конце стола, легко улавливают падение визитной карточки на другом его конце.

Благодаря своим малым размерам, стоимости и энергопотреблению новые датчики могут найти применение в крупных сооружениях, имеющих сложную структуру и охватывающих большую территорию. По итогам бесед с потенциальными пользователями миниатюрных инерционных датчиков в компании рассчитывают на использование соответствующих устройств в беспроводных сетях, системах хранения и ЦОД, отвечающих за сбор, хранение и обработку информации, поступающей из указанных сооружений.

К примеру, мост через бухту Сан-Франциско по дороге из Сан-Франциско в Окленд из-за обрыва тросов пришлось закрыть на шесть дней. А между тем датчики, вмонтированные в мост, могли бы предотвратить эту аварию. Несколько сотен крошечных систем MEMS следили бы за перемещениями отдельных компонентов конструкции в различных условиях (например, при сильном ветре или оживленном автомобильном движении). После обработки собранных данных инженерам не составило бы труда спрогнозировать возникновение нештатной ситуации. Аналогичный мониторинг состояния здания можно было бы осуществлять, подключив множество небольших датчиков к отдельным элементам его структуры.

Еще одна возможная сфера применения подобных устройств связана с составлением геофизических карт, позволяющих осуществлять анализ перспектив и последствий добычи, бурения и сейсмической активности. Похожим образом в медицине используются изображения, полученные с помощью методов магнитного резонанса. Разместив датчики движения под землей на одинаковом удалении друг от друга, ученые с помощью молота или взрыва вызывают вибрацию грунта. Проходя через различные материалы внутри земной поверхности, вибрация регистрируется датчиками, на основе показаний которых можно составить предполагаемую геофизическую карту.

Структура инерционных датчиков состоит из трех слоев кремния. Внутри среднего слоя размещаются крошечные движущиеся грузы с электродами по бокам, подвешенные на пружинах. При перемещении грузов происходит изменение сигналов между электродами, которое позволяет говорить о возникновении вибрации или движения.

Чипы площадью около 5 кв. мм и толщиной 2 мм потребляют примерно 50 милливатт электроэнергии. «При таком уровне энергопотребления они вполне в состоянии подпитываться за счет окружающей среды, — заметил заслуженный разработчик технологий и стратегии HP Рич Данком. — Энергию можно извлекать из радиоволн, путем использования перепадов температуры окружающей среды и даже непосредственно из движения, регистрируемого датчиками».

По прогнозам Gartner, рынок неоптических сенсорных чипов (к которым относятся системы MEMS) ежегодно будет расти на 10% и оборот его, составлявший в 2007 году 2,7 млрд долл., к 2012 году достигнет 4,4 млрд долл. Это вдвое выше темпов роста рынка электроники в целом. «Прорыв инженеров HP в области развития акселерометров MEMS, которые заметно превосходят имеющиеся аналоги с точки зрения размеров, массы, стоимости и производительности, очевидно, приведет к увеличению объемов производства и снижению цен, как это происходит со всеми другими продуктами электронной отрасли», — отметил аналитик Gartner Джим Уокер.

Появление высокочувствительных чипов MEMS в сфере бытовой электроники придаст телефонам целый ряд новых интересных свойств. Эти микросхемы обладают достаточной чувствительностью для определения местоположения, благодаря чему пользователи будут знать, где они находятся, даже на улицах города в условиях слабого приема сигналов GPS. Еще одной областью их потенциального применения является сфера здравоохранения. Датчик, вмонтированный в сотовый телефон, будет чувствовать сердцебиение пользователя и сможет автоматически вызвать помощь в случае сердечного приступа.

Впрочем, в HP думают не только о мостах, добыче полезных ископаемых и сотовых телефонах. Крошечные инерционные датчики могли бы стать составной частью центральной нервной системы нашей планеты. Информационная экосистема на основе множества датчиков, связанных с сетями, средствами хранения, серверами и программным обеспечением, опутала бы весь мир. А датчики, установленные в зданиях и мостах, образовали бы гигантский групповой сейсмограф, способный помочь ученым регистрировать и предсказывать землетрясения.

«Сегодня мы находимся лишь в самом начале понимания того, какой вклад сети подобного рода могут внести в решение сложнейших проблем, стоящих перед нашим обществом», — подчеркнул Данком.