De flesta människor har aldrig sett en accelerometer – en enhet som mäter hastighetsförändringar – och skulle inte veta var de ska leta. Ändå har accelerometrar blivit avgörande för det moderna livet, från att kontrollera bilkrockkuddar, till jordbävningsövervakning, tröghetsnavigering för rymdfärd, flygplan, och autonoma fordon, och hålla skärmbilden roterad på rätt sätt på mobiltelefoner och surfplattor, bland annat användningsområde. Inte överraskande, efterfrågan ökar på billiga, högprecisionsinstrument som kan bäddas in på allt mindre platser.
Det är därför NIST-forskare har utvecklat och testar en ny kiselbaserad optomekanisk accelerometer mindre än 1 millimeter tjock. Den är designad för att leverera mätningar direkt spårbara till SI med osäkerheter bättre än 1 del av 1000—"lika bra som alla laboratorieaccelerationsanordningar i världen, " säger projektforskaren Thomas LeBrun från NIST:s Physical Measurement Laboratory.
Accelerometrar fungerar vanligtvis genom att mäta förändringen i positionen av en frimonterad "bevismassa, "vanligtvis ett massivt block, i förhållande till någon fast referenspunkt inuti enheten. Om systemet är i vila eller rör sig med konstant hastighet, avståndet mellan provmassan och den fasta referenspunkten kommer inte att ändras. Analogt, avståndet mellan instrumentbrädan och en framsätespassagerare i en bil ändras inte under körning i jämna 60 km/h.
Men om accelerometern ökar eller saktar ner, separationen mellan provmassan och referenspunkten antingen ökar eller minskar. Liknande, när bilens förare plötsligt bromsar, passageraren flyttas framåt mot instrumentbrädan, sätta press på säkerhetsbältet.
Accelerometrar omvandlar den typen av förskjutning till en mätbar signal av något slag. Till exempel, rörelse av provmassan kan komprimera ett piezoelektriskt material, genererar en ström, eller så kan den sträcka en isolatorskiva så att dess elektriska motstånd ökar. Enheterna har nu krympt till den storlek vid vilken de kan tillverkas med hjälp av teknik i utbredd användning för att tillverka mikroelektromekaniska enheter (MEMS) och mikroelektronik.
Den nya NIST-enheten använder infrarött (IR) laserljus för att mäta förändringen i avståndet mellan två vända, mycket reflekterande ytor åtskilda av ett mycket litet tomt utrymme i mitten. (Se animation.) På ena sidan finns bevismassan, en fyrkantig kiselplatta med en platt spegelbeläggning på insidan, upphängda i hålrummet av små böjliga balkar på över- och underkanten som fungerar som fjädrar, låter massan röra sig i förhållande till omgivningen när enheten upplever en acceleration.
På andra sidan av det tomma utrymmet finns en fast halvsfärisk konkav spegel, vänd inåt mot provmassan. Denna typ av motstående spegelarrangemang utgör vad som kallas ett Fabry-Perot-hålrum.
När IR-ljus först skickas in i kaviteten, nästan allt reflekteras – förutom en viss våglängd som är exakt rätt storlek för att reflektera fram och tillbaka mellan de två spegelytorna och resonera, bildar en stående våg och ökar i intensitet med en faktor tusen så att tillräckligt med ljus sänds ut av kaviteten för att detekteras. Resonansvågens våglängd bestäms av avståndet mellan de två speglarna, lika mycket som tonhöjden för en trombonton beror på hur långt rutschbanan är utdragen eller indragen.
"Den optiska metoden ger mycket bättre känslighet och lägre osäkerheter, säger LeBrun, "eftersom, bland andra skäl, vi kan kontrollera och mäta ljusets våglängd med mycket hög noggrannhet."
MEMS-baserade Fabry-Perot-konfigurationer har provats tidigare för små accelerometrar, typiskt med speglarna monterade i två parallella plan vända mot varandra. "Det är utmanande, "LeBrun säger, "eftersom det är väldigt svårt att göra den typen av design extremt exakt. Om en av speglarna inte fokuserar ljuset in i hålrummet, ljuset försvinner mycket snabbare, minskar precisionen. I vår design, högkvalitativa speglar håller ljuset i hålrummet, medan provmassan – upphängd av flexibla balkar ungefär en femtedel av ett människohårs bredd – är utformad för att fungera som en idealisk fjäder. Det maximerar stabiliteten, och eliminerar potentiell gungrörelse, möjliggör mätningar med högre känslighet."
Förutom spegelbeläggningar och kiselnitridstrålarna som håller provmassan, alla accelerometerns komponenter är gjorda av kisel, som har flera fördelar. En är lättillgängligheten av beprövad teknik för att forma och bearbeta kisel till höga toleranser i små dimensioner.
Det är viktigt för NIST-designen, där den fasta halvsfäriska spegeln är cirka 300 mikrometer (µm) djup, 500 µm bred, och har en ytjämnhet som inte varierar med mer än 1 nanometer. (Accelerometrarna LeBrun och kollegor som användes för experiment tillverkades vid NIST:s Center for Nanoscale Science and Technology.) Dessutom, kisel ger mycket god termisk stabilitet och är transparent för IR-ljus.
Laserljuskällan placeras bakom provmassan på ena sidan av enheten; på andra sidan, bakom den halvsfäriska spegeln, är en ljussensor/detektor. Lasern är "avstämbar, " kan producera ett intervall av IR-våglängder. Under acceleration, när avståndet mellan provmassan och den halvsfäriska spegeln ändras, laservåglängden spårar kavitetens resonansvåglängd. Som ett resultat, lasern ger en direkt, snabb, och mycket exakt avläsning av provmassans rörelse.
Måtten måste vara extremt exakta. "Om du ändrar kavitetens längd med mindre än 1 nm släcks den optiska resonansen helt, " säger projektforskaren Jason Gorman.
Eftersom sensorn arbetar med en laser med en välkarakteriserad våglängd, det kan vara i sig självkalibrerande. Och eftersom komponenterna och tillverkningsmetoderna är av samma storlek som de som rutinmässigt används i mikroelektronik eller MEMS-tillverkning, den slutliga produktionskostnaden för en komplett enhet bör vara låg. Men innan dess, NIST-forskarna måste övervinna ett antal hinder.
"Den ena är den krävande tidsskalan det handlar om, " säger Gorman. "När kavitetsdimensionen ändras, den avstämbara lasern har inte mer än cirka 100 mikrosekunder på sig att skanna våglängden över ett brett område så att den spårar kavitetens rörelse. Att hitta en billig laser med dessa funktioner är en annan utmaning. Så gör en robust optisk fiberanslutning till en enhet som vibrerar med 1000 cykler per sekund – och så småningom kanske 10 gånger snabbare."
"Vi förväntar oss fullt ut att denna optiska mikrokavitetsteknik kommer att resultera i fältutplacerbara accelerometrar med inneboende noggrannhet förmodligen tio gånger bättre än vad som är möjligt för närvarande, säger John Kramar, ledare för Nanoscale Metrology Group. "Men vad som är ännu mer spännande är det stora utbudet av andra typer av sensorer och applikationer som den här tekniken kan förbättra dramatiskt, inklusive ultraljud, mikrofoner, höjdmätare, trycksensorer, gyroskop, och geofysisk utforskning."
