Måling af acceleration med lys

De fleste mennesker har aldrig set et accelerometer - en enhed, der måler hastighedsændringer - og ved ikke, hvor de skal lede. Alligevel er accelerometre blevet afgørende for det moderne liv, fra at kontrollere bilairbags, til overvågning af jordskælv, inertial navigation til rumfart, fly, og autonome køretøjer og at holde skærmbilledet roteret den rigtige vej på mobiltelefoner og tablets, blandt andre anvendelser. Ikke overraskende, efterspørgslen stiger efter billige, højpræcisionsinstrumenter, der kan indlejres på stadig mindre steder.

Det er derfor, NIST-forskere har udviklet og tester et nyt siliciumbaseret optomekanisk accelerometer, der er mindre end 1 millimeter tykt. Det er designet til at levere målinger, der direkte kan spores til SI med usikkerheder bedre end 1 del i 1000— "så godt som ethvert laboratorieaccelerationsapparat i verden, "siger projektforsker Thomas LeBrun fra NIST's Physical Measurement Laboratory.

Accelerometre fungerer typisk ved at måle ændringen i position af en frit monteret "bevismasse, "typisk en solid blok, i forhold til et bestemt referencepunkt inde i enheden. Hvis systemet hviler eller bevæger sig med konstant hastighed, afstanden mellem bevismassen og det faste referencepunkt ændres ikke. Analogt, afstanden mellem instrumentbrættet og en forsædepassager i en bil ændrer sig ikke, mens du kører med en konstant 60 km / t.

Men hvis accelerometeret fremskynder eller bremser, adskillelsen mellem bevismassen og referencepunktet stiger eller falder. Tilsvarende når bilens chauffør pludselig rammer bremserne, passageren forskydes frem mod instrumentbrættet, lægge pres på sikkerhedsselen.

Accelerometre konverterer den slags forskydning til et målbart signal af en eller anden art. For eksempel, bevægelse af bevismassen kan komprimere et piezoelektrisk materiale, generere en strøm, eller det kan strække et stykke isolator, så dets elektriske modstand stiger. Enhederne er nu krympet til den størrelse, hvor de kan fremstilles ved hjælp af teknologi i udbredt brug til fremstilling af mikroelektromekaniske enheder (MEMS) og mikroelektronik.

Den nye NIST -enhed bruger infrarødt (IR) laserlys til at måle ændringen i afstanden mellem to modstående, stærkt reflekterende overflader adskilt af et meget lille tomt rum i midten. (Se animation.) På den ene side er bevismassen, en firkantet siliciumplade med en flad spejlbelægning på indersiden, ophængt i hulrummet af små fleksible bjælker på de øverste og nederste kanter, der fungerer som fjedre, tillader massen at bevæge sig i forhold til sine omgivelser, når enheden oplever en acceleration.

På den anden side af det tomme rum er et fast halvkugleformet, konkavt spejl, vender indad mod bevismassen. Denne form for vende-spejl-arrangement udgør det, der kaldes et Fabry-Perot-hulrum.

Når IR -lys i første omgang sendes ind i hulrummet, næsten alt reflekteres - bortset fra en bestemt bølgelængde, der er præcis den rigtige størrelse til at reflektere frem og tilbage mellem de to spejlede overflader og resonere, danner en stående bølge og øges i intensitet med en faktor tusinde, så der sendes nok lys fra hulrummet til at blive detekteret. Resonansbølgens bølgelængde bestemmes af afstanden mellem de to spejle, meget som tonehøjden på en trombonetone afhænger af, hvor langt diaset er forlænget eller tilbagetrukket.

"Den optiske metode giver meget bedre følsomhed og lavere usikkerheder, "siger LeBrun, "fordi, blandt andre grunde, vi kan styre og måle lysets bølgelængde til meget høj nøjagtighed. "

MEMS-baserede Fabry-Perot-konfigurationer er blevet prøvet før for små accelerometre, typisk med spejlene monteret i to parallelle planer mod hinanden. "Det er udfordrende, "LeBrun siger, "fordi det er meget svært at gøre den slags design ekstremt præcis. Hvis et af spejlene ikke fokuserer lyset ind i hulrummet, lyset tabes meget hurtigere, reducere præcisionen. I vores design, spejle af høj kvalitet holder lyset i hulrummet, mens bevismassen-ophængt af fleksible bjælker omkring en femtedel af et menneskehårs bredde-er designet til at fungere som en ideel fjeder. Det maksimerer stabiliteten, og eliminerer potentiel gyngende bevægelse, muliggør målinger med højere følsomhed. "

Undtagen spejlbelægninger og siliciumnitridbjælker, der holder bevismassen, alle accelerometerkomponenter er lavet af silicium, som har flere fordele. Den ene er klar tilgængelighed af gennemprøvede teknologier til formning og behandling af silicium til høje tolerancer i små dimensioner.

Det er vigtigt for NIST -designet, hvor det faste halvkugleformede spejl er ca. 300 mikrometer (µm) dybt, 500 µm bred, og har en overfladens glathed, der ikke varierer med mere end 1 nanometer. (Accelerometerne LeBrun og kolleger, der blev brugt til eksperimenter, blev fremstillet i NIST's Center for Nanoscale Science and Technology.) Desuden blev silicium giver meget god termisk stabilitet og er gennemsigtig for IR -lys.

Laserlyskilden er placeret bag bevismassen på den ene side af enheden; på den anden side, bag det halvkugleformede spejl, er en lyssensor/detektor. Laseren er "indstillelig, "i stand til at producere en række IR -bølgelængder. Under acceleration, som afstanden mellem bevismassen og det halvkugleformede spejl ændres, laserbølgelængden sporer hulrumets resonansbølgelængde. Som resultat, laseren giver en direkte, hurtig, og meget nøjagtig aflæsning af bevismassebevægelsen.

Målingerne skal være yderst præcise. "Ændring af hulrumslængden med mindre end 1 nm slukker fuldstændigt den optiske resonans, "siger projektforsker Jason Gorman.

Fordi sensoren fungerer ved hjælp af en laser med en velkarakteriseret bølgelængde, det kan være iboende selvkalibrerende. Og fordi komponenterne og fremstillingsmetoderne er af samme størrelse som dem, der rutinemæssigt bruges i mikroelektronik eller MEMS -fremstilling, de endelige produktionsomkostninger for en komplet enhed skal være lave. Men inden da, NIST -forskerne bliver nødt til at overvinde en række forhindringer.

"Den ene er den krævende tidsskala, der er involveret, "Gorman siger." Når hulrumsdimensionen ændres, den afstembare laser vil ikke have mere end ca. 100 mikrosekunder til at scanne bølgelængden over et bredt område, så den sporer hulrumsbevægelsen. At finde en billig laser med disse muligheder er en anden udfordring. Så er det at lave en robust optisk fiberforbindelse til en enhed, der vibrerer med 1000 cykler i sekundet - og i sidste ende måske 10 gange hurtigere. "

"Vi forventer fuldt ud, at denne optiske mikrokavitetsteknologi vil resultere i felt-deployerbare accelerometre med iboende nøjagtighed sandsynligvis ti gange bedre end i øjeblikket muligt, "siger John Kramar, leder for Nanoscale Metrology Group. "Men hvad der er endnu mere spændende er den brede vifte af andre typer sensorer og applikationer, som denne teknologi dramatisk kunne forbedre, herunder ultralyd, mikrofoner, højdemålere, tryksensorer, gyroskoper, og geofysisk udforskning. "