Исследователи разработали микроэлектромеханический сейсмометр с чувствительным элементом всего 5,2 × 6,5 мм. Датчик регистрирует слабые колебания поверхности и может использоваться в компактных сетях наблюдения на Луне, Марсе и других небесных телах. На Земле прототип уже зарегистрировал землетрясения на расстоянии в несколько тысяч километров.

Размеры в несколько миллиметров относятся к чувствительному чипу. Во время испытаний он находился в керамическом корпусе, подключался к печатной плате и работал в вакуумной камере. Авторы планируют интегрировать часть электроники в специализированную схему, чтобы уменьшить размеры всей системы.

Главная сложность миниатюрных датчиков — компромисс между чувствительностью и диапазоном измерений. Чем сильнее прибор реагирует на мельчайшие перемещения, тем легче вывести его за рабочий диапазон при сильном ускорении. Разработчики изменили форму емкостных электродов, сделав зазор между ними гофрированным. Эта геометрия снизила нелинейность измерений примерно втрое без потери чувствительности и увеличила допустимое перемещение подвижной части.

Внутри чипа инерционная масса закреплена на четырех консольных балках. При ускорении масса смещается и меняет емкость между подвижными и неподвижными электродами. Электроника преобразует изменение емкости в электрический сигнал. Дополнительную массу разместили вертикально, повысив чувствительность без значительного увеличения площади чипа.

Второй приём связан с электростатической отрицательной жесткостью. Изменяя напряжение на электродах, разработчики снижают эффективную резонансную частоту механической системы и уменьшают собственный шум датчика. В экспериментах резонансную частоту снизили со 168 до 122 Гц. Уровень собственных шумов на частоте 1 Гц составил 5,5 нано-g/√Гц, что близко к теоретическому пределу 4,9 нано-g/√Гц, определяемому тепловым движением системы.

Сейсмометр работает в линейном диапазоне до ±34 милли-g с полосой пропускания 70 Гц и динамическим диапазоном 136 дБ на частоте 1 Гц. При ускорении выше примерно 52 милли-g возникает электростатическое схлопывание, когда подвижная масса притягивается к электродам. Прототип ориентирован на регистрацию слабых сейсмических сигналов, а не очень сильных ускорений.

Чувствительность проверяли непрерывно 48 часов. За это время датчик зарегистрировал землетрясение магнитудой 7,0 на расстоянии 3682 км и событие магнитудой 5,5 в 1240 км. В записях удалось различить продольные, поперечные и поверхностные сейсмические волны. Сходство формы сигналов с показаниями коммерческого эталонного сейсмометра достигло 99,1%.

Миниатюризация особенно важна для планетной сейсмологии. Один датчик изучает 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 Марс комплекс SEIS с широкополосными и короткопериодными датчиками, которые регистрировали марсотрясения и позволили изучать строение коры, мантии и ядра планеты.

На Луне микроэлектромеханическая технология уже прошла практическую проверку. В 2023 году аппарат Chandrayaan-3 доставил сейсмометр ILSA из шести высокочувствительных акселерометров. Прибор зарегистрировал вибрации от движения лунохода и отдельное событие, которое предположительно было естественного происхождения.

Следующий этап лунной сейсмологии запланирован на 2027 год. В рамках программы Farside Seismic Suite к бассейну Шрёдингера на обратной стороне Луны доставят два сейсмометра. Эти измерения впервые дадут сейсмические данные с обратной стороны спутника и помогут оценить частоту лунотрясений, удары метеоритов и внутреннее строение Луны.

Новый прототип пока не привязан к конкретной космической миссии и не проходил испытаний на Луне или Марсе. Авторы рассматривают разработку как основу для распределённых планетных сейсмических сетей. Маленькая площадь чувствительного элемента, сравнительно простое изготовление и возможность дальнейшей интеграции электроники позволяют размещать на поверхности множество компактных точек наблюдения вместо одного крупного прибора.