Акселерометры размером с клетку школьной тетради могут стать составной частью центральной нервной системы нашей планеты.
Акселерометр, управляющий экраном iPhone 3GS при его повороте и дающий великолепную возможность проходить крутые виражи в гоночных видеоиграх, не может не вызывать у потребителей удивления и восхищения. Тем не менее, он не идет ни в какое сравнение с тем, чего удалось добиться специалистам компании Hewlett-Packard.
Акселерометры, или по-другому инерционные датчики, — это устройства, которые реагируют на сотрясение, вибрацию и изменение скорости. Акселерометры, используемые в мобильных телефонах и другой электронике, представляют собой, так называемые, микроэлектромеханические системы (Micro-Electromechanical System, MEMS) — микросхемы с движущимися компонентами. Являясь компактными и относительно недорогими, они до недавнего времени не могли сравниться по своим свойствам с гораздо более чувствительными датчиками, применяемыми, например, в авиационной промышленности.
Механические устройства такого рода были размером с большую книгу, а регистрация движения в каждом из направлений обходилась 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. На сегодняшний день, датчики HP еще недостаточно дешевы для того, чтобы начать освоение потребительского рынка бытовой электроники, но это вполне может произойти в течение нескольких 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 технического отдела HP Technology Development Organization Дэвида Эриксона, датчики, расположенные на одном конце стола, легко улавливают падение визитной карточки на другом его конце.
Благодаря своему небольшому размеру, стоимости и энергопотреблению новые датчики могут использоваться в крупных сооружениях, сложной структуры, занимающих по площади большую территорию. После обсуждения с потенциальными пользователями новых миниатюрных инерционных датчиков, компания планирует использование соответствующих устройств в беспроводных сетях, системах хранения и центрах обработки данных, отвечающих за сбор, хранение и обработку информации, поступающей с этих объектов.
Например, через бухту Сан-Франциско по дороге из Сан-Франциско в Окленд из-за аварии, связанной с обрывом тросов, пришлось закрыть на шесть дней. А между тем, датчики, вмонтированные в мост, могли бы предотвратить эту аварию. Сотни крошечных устройств MEMS контролировали бы перемещения отдельных компонентов конструкции в различных условиях (например, при порывистом ветре или плотном автомобильном движении). После обработки полученных данных специалистам не составило бы труда спрогнозировать возникновение нештатной ситуации. Подобный мониторинг состояния здания может быть реализован путем подключения ряда небольших датчиков к отдельным элементам его структуры.
Еще одна возможная сфера применения такого устройства 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 расстоянии друг от друга, специалисты, например, с помощью 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 около 50 милливатт электроэнергии. «При таком уровне энергопотребления они смогут подпитываться за счет окружающей среды, — отметил заслуженный разработчик технологий и стратегий для HP Рич Данком. — Энергию можно извлекать из радиоволн, с помощью использования изменения температуры окружающей среды и даже непосредственно из движения, регистрируемого датчиками».
По прогнозам Gartner, рынок неоптических сенсорных чипов (к которым относятся системы MEMS) будет ежегодно расти на 10% и его оборот его, составлявший в 2007 году 2,7 млрд. долл., к 2012 году достигнет 4,4 млрд. долларов, что в два раза превышает темпы роста рынка электроники в целом. «Прорыв инженеров HP в области развития акселерометров MEMS, которые значительно превосходят аналогичные с точки зрения размера, массы, стоимости и производительности, вероятно, 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 устройства обладают достаточной чувствительностью, чтобы с их помощью можно было определить местоположение. Благодаря чему пользователи смогут определить, где они находятся на улицах города даже в условиях слабого приема сигналов GPS. Еще одной сферой их потенциального применения является здравоохранение. Датчик, вмонтированный в сотовый телефон, будет чувствовать сердцебиение пользователя и сможет автоматически вызвать помощь в случае сердечного приступа.
Но 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 сейсмограф, способный помочь ученым регистрировать и предсказывать землетрясения.
«Сегодня мы только начинаем понимать то, какой вклад подобные сети смогут внести в решение сложнейших проблем, стоящих перед нашим обществом», — подчеркнул Данком.