La mayoría de la gente nunca ha visto un acelerómetro, un dispositivo que mide cambios en la velocidad, y no sabría dónde mirar. Sin embargo, los acelerómetros se han vuelto esenciales para la vida moderna, de controlar los airbags de los automóviles, al monitoreo de terremotos, navegación inercial para vuelos espaciales, aeronave, y vehículos autónomos, y mantener la imagen de la pantalla girada correctamente en teléfonos móviles y tabletas, entre otros usos. No es sorprendente, está aumentando la demanda de productos económicos, Instrumentos de alta precisión que pueden integrarse en ubicaciones cada vez más pequeñas.

Es por eso que los investigadores del NIST han desarrollado y están probando un novedoso acelerómetro optomecánico basado en silicio de menos de 1 milímetro de espesor. Está diseñado para entregar mediciones directamente rastreables al SI con incertidumbres mejores que 1 parte en 1000 - "tan bueno como cualquier dispositivo de aceleración de laboratorio en el mundo, "dice el científico del proyecto Thomas LeBrun del Laboratorio de Medición Física del NIST.

Los acelerómetros normalmente funcionan midiendo el cambio de posición de una "masa de prueba de montaje libre, "normalmente un bloque sólido, relativo a algún punto fijo de referencia dentro del dispositivo. Si el sistema está en reposo o se mueve a velocidad constante, la distancia entre la masa de prueba y el punto de referencia fijo no cambiará. Análogamente, la distancia entre el tablero y el pasajero del asiento delantero en un automóvil no cambia mientras se conduce a una velocidad constante de 60 km / h.

Pero si el acelerómetro acelera o desacelera, la separación entre la masa de prueba y el punto de referencia aumenta o disminuye. Similar, cuando el conductor del coche pisa el freno de repente, el pasajero se desplaza hacia el tablero de instrumentos, ejerciendo presión sobre el cinturón de seguridad.

Los acelerómetros convierten ese tipo de desplazamiento en una señal medible de algún tipo. Por ejemplo, el movimiento de la masa de prueba podría comprimir un material piezoeléctrico, generando una corriente, o puede estirar una lámina de aislante para que aumente su resistencia eléctrica. Los dispositivos ahora se han reducido al tamaño en el que se pueden fabricar utilizando tecnología de uso generalizado para fabricar dispositivos microelectromecánicos (MEMS) y microelectrónica.

El nuevo dispositivo NIST utiliza luz láser infrarroja (IR) para medir el cambio en la distancia entre dos caras, Superficies altamente reflectantes separadas por un espacio vacío muy pequeño en el centro. (Ver animación). En un lado está la masa de prueba, una losa cuadrada de silicona con un revestimiento de espejo plano en su cara interior, suspendido dentro de la cavidad por pequeñas vigas flexibles en los bordes superior e inferior que actúan como resortes, permitiendo que la masa se mueva en relación con su entorno cuando el dispositivo experimenta una aceleración.

Al otro lado del espacio vacío hay un espejo cóncavo hemisférico fijo, mirando hacia adentro hacia la masa de prueba. Este tipo de disposición frente a espejo constituye lo que se llama una cavidad de Fabry-Perot.

Cuando la luz IR se envía inicialmente a la cavidad, casi todo se refleja, a excepción de una longitud de onda particular que es exactamente del tamaño correcto para reflejarse de un lado a otro entre las dos superficies reflejadas y resonar, formando una onda estacionaria y aumentando en intensidad en un factor de mil para que la cavidad transmita suficiente luz para ser detectada. La longitud de onda de la onda resonante está determinada por la distancia entre los dos espejos, tanto como el tono de una nota de trombón depende de cuánto se extiende o retrae la diapositiva.

"El método óptico proporciona una sensibilidad mucho mejor y menos incertidumbres, "dice LeBrun, "porque, entre otras razones, podemos controlar y medir la longitud de onda de la luz con una precisión muy alta ".

Las configuraciones Fabry-Perot basadas en MEMS se han probado antes para acelerómetros pequeños, normalmente con los espejos montados en dos planos paralelos uno frente al otro. "Eso es desafiante, "LeBrun dice, "porque es muy difícil hacer que ese tipo de diseño sea extremadamente preciso. Si uno de los espejos no enfoca la luz en la cavidad, la luz se pierde mucho más rápidamente, reduciendo la precisión. En nuestro diseño, espejos de alta calidad mantienen la luz en la cavidad, mientras que la masa de prueba, suspendida por vigas flexibles de aproximadamente una quinta parte del ancho de un cabello humano, está diseñada para actuar como un resorte ideal. Que maximiza la estabilidad, y elimina el posible movimiento de balanceo, permitiendo mediciones de mayor sensibilidad ".

A excepción de los revestimientos de espejo y los haces de nitruro de silicio que sostienen la masa de prueba, todos los componentes del acelerómetro están hechos de silicio, que tiene varias ventajas. Uno es la disponibilidad inmediata de tecnologías probadas para dar forma y procesar silicio con altas tolerancias en pequeñas dimensiones.

Eso es importante para el diseño de NIST, en el que el espejo hemisférico fijo tiene aproximadamente 300 micrómetros (µm) de profundidad, 500 µm de ancho, y tiene una suavidad superficial que no varía en más de 1 nanómetro. (Los acelerómetros que LeBrun y sus colegas usaron para los experimentos fueron fabricados en el Centro de Ciencia y Tecnología a Nanoescala del NIST). el silicio proporciona una muy buena estabilidad térmica y es transparente a la luz IR.

La fuente de luz láser se coloca detrás de la masa de prueba en un lado del dispositivo; Por otro lado, detrás del espejo hemisférico, es un sensor / detector de luz. El láser es "sintonizable, "capaz de producir una variedad de longitudes de onda de infrarrojos. Durante la aceleración, a medida que cambia la distancia entre la masa de prueba y el espejo hemisférico, la longitud de onda del láser sigue la longitud de onda resonante de la cavidad. Como resultado, el láser da un directo, rápido, y lectura de alta precisión del movimiento de la masa de prueba.

Las medidas deben ser extremadamente precisas. "Cambiar la longitud de la cavidad en menos de 1 nm extingue por completo la resonancia óptica, "dice el científico del proyecto Jason Gorman.

Dado que el sensor funciona con un láser con una longitud de onda bien caracterizada, puede autocalibrarse intrínsecamente. Y debido a que los componentes y métodos de fabricación son del mismo tamaño que los que se utilizan habitualmente en microelectrónica o fabricación de MEMS, el eventual costo de producción de una unidad completa debería ser bajo. Pero antes de eso los científicos del NIST tendrán que superar una serie de obstáculos.

"Uno es la exigente escala de tiempo involucrada, "Dice Gorman." A medida que cambia la dimensión de la cavidad, el láser sintonizable no tendrá más de aproximadamente 100 microsegundos para escanear la longitud de onda en un amplio rango de modo que rastree el movimiento de la cavidad. Encontrar un láser económico con esas capacidades es otro desafío. También lo es hacer una conexión robusta de fibra óptica a un dispositivo que vibra a 1000 ciclos por segundo, y eventualmente quizás 10 veces más rápido ".

"Esperamos plenamente que esta tecnología de microcavidad óptica dé como resultado acelerómetros desplegables en el campo con una precisión intrínseca probablemente diez veces mejor de lo que es posible actualmente". "dice John Kramar, Líder del Grupo de Metrología a Nanoescala. "Pero lo que es aún más emocionante es la amplia gama de otros tipos de sensores y aplicaciones que esta tecnología podría mejorar drásticamente, incluyendo ultrasonido, micrófonos, altímetros, sensores de presión, giroscopios y exploración geofísica ".