Исследователи создали микроэлектромеханический сейсмометр, чувствительный элемент которого занимает всего 5,2 × 6,5 мм. Новый сейсмический датчик рассчитан на регистрацию слабых колебаний поверхности и в перспективе может использоваться в компактных сетях наблюдения на Луне, Марсе и других небесных телах. Пока прибор испытали только на Земле, где прототип смог зарегистрировать землетрясения за тысячи километров.
Размеры в несколько миллиметров относятся именно к чувствительному чипу, а не ко всему готовому прибору. Во время испытаний чип находился в керамическом корпусе, подключался к отдельной печатной плате и работал в вакуумной камере. Авторы рассчитывают в дальнейшем перенести часть электроники в специализированную интегральную схему, чтобы уменьшить размеры всей системы.
Главная проблема миниатюрных сейсмометров связана с компромиссом между чувствительностью и диапазоном измерений. Чем сильнее датчик реагирует на мельчайшие перемещения, тем легче вывести чувствительный элемент за рабочий диапазон при более сильном толчке. Разработчики изменили форму емкостных гребенчатых электродов, сделав зазор между ними гофрированным. Такая геометрия позволила примерно втрое снизить нелинейность измерений без потери чувствительности и увеличить допустимое перемещение подвижной части.
Внутри чипа небольшая инерционная масса закреплена на четырех консольных балках. При ускорении масса смещается, меняя емкость между подвижными и неподвижными электродами, после чего электроника преобразует изменение емкости в электрический сигнал. Дополнительную массу исследователи разместили вертикально, поэтому повысили чувствительность без заметного увеличения площади чипа.
Еще один прием связан с электростатической отрицательной жесткостью. Изменяя напряжение на электродах, разработчики могут снижать эффективную резонансную частоту механической системы и тем самым уменьшать собственный шум датчика. В ходе экспериментов резонансную частоту снизили примерно со 168 до 122 Гц, а уровень собственных шумов на частоте 1 Гц составил 5,5 нано-g/√Гц. Расчетный предел, определяемый тепловым движением механической системы, равен примерно 4,9 нано-g/√Гц.
Сейсмометр работает в линейном диапазоне до ±34 милли-g, обеспечивает полосу пропускания 70 Гц и динамический диапазон 136 дБ на частоте 1 Гц. При ускорении выше примерно 52 милли-g возникает электростатическое схлопывание, при котором подвижная масса притягивается к неподвижным электродам. Поэтому прототип ориентирован прежде всего на слабые сейсмические сигналы, а не на измерение очень сильных ускорений.
Практическую чувствительность проверяли непрерывно в течение 48 часов. За это время датчик зарегистрировал землетрясение магнитудой 7,0 на расстоянии 3682 км и событие магнитудой 5,5 в 1240 км от места испытаний. В записях удалось различить продольные, поперечные и поверхностные сейсмические волны, а сходство формы сигналов с показаниями коммерческого эталонного сейсмометра достигло 99,1%.
Миниатюризация особенно важна для планетной сейсмологии, поскольку один датчик позволяет изучать колебания только в ограниченной точке, тогда как сеть из множества приборов помогает точнее определять источники толчков и исследовать внутреннее строение небесного тела. В 2018 году марсианская миссия InSight доставила на поверхность Марса комплекс SEIS с широкополосными и короткопериодными датчиками. Система регистрировала марсотрясения и позволила изучать строение коры, мантии и ядра планеты.
На Луне микроэлектромеханическая технология уже прошла практическую проверку. В 2023 году аппарат Chandrayaan-3 доставил сейсмометр ILSA, состоящий из шести высокочувствительных акселерометров. Прибор зарегистрировал вибрации от движения лунохода и отдельное событие, которое специалисты сочли предположительно естественным, хотя его происхождение требовало дополнительного анализа.
Следующий шаг в развитии лунной сейсмологии запланирован на 2027 год. В рамках Farside Seismic Suite к бассейну Шрёдингера на обратной стороне Луны собираются доставить два сейсмометра. Будущие измерения должны впервые дать сейсмические данные с обратной стороны спутника и помочь оценить частоту лунотрясений, удары небольших метеоритов и внутреннее строение Луны.
Новый прототип пока не предназначен для конкретной космической миссии и не проходил испытаний на Луне или Марсе. Авторы рассматривают разработку как основу для распределенных планетных сейсмических сетей. Маленькая площадь чувствительного элемента, сравнительно простое изготовление и возможность дальнейшей интеграции электроники могут позволить размещать на поверхности не один крупный прибор, а множество компактных точек наблюдения.
