Ilustración de un acelerómetro optomecánico, que utiliza la luz para medir la aceleración. El dispositivo NIST consta de dos chips de silicio, con luz láser infrarroja que entra por el chip inferior y sale por la parte superior. El chip superior contiene una masa de prueba suspendida por vigas de silicio, lo que permite que la masa se mueva hacia arriba y hacia abajo libremente en respuesta a la aceleración. Un revestimiento de espejo en la masa de prueba y un espejo hemisférico unido al chip inferior forman una cavidad óptica. La longitud de onda de la luz infrarroja se elige de modo que casi coincida con la longitud de onda resonante de la cavidad. permitiendo que la luz aumente en intensidad a medida que rebota de un lado a otro entre las dos superficies espejadas muchas veces antes de salir. Cuando el dispositivo experimenta una aceleración, la masa de prueba se mueve, cambiando la longitud de la cavidad y cambiando la longitud de onda resonante. Esto altera la intensidad de la luz reflejada. Una lectura óptica convierte el cambio de intensidad en una medida de aceleración. Crédito:F. Zhou / NIST
Vas al límite de velocidad por una carretera de dos carriles cuando un automóvil sale disparado de un camino de entrada a tu derecha. Pisas los frenos y en una fracción de segundo del impacto se infla un airbag, salvándote de lesiones graves o incluso de la muerte.
El airbag se despliega gracias a un acelerómetro, un sensor que detecta cambios repentinos de velocidad. Los acelerómetros mantienen los cohetes y los aviones en la trayectoria de vuelo correcta, proporcionar navegación para vehículos autónomos, y rotar imágenes para que queden boca arriba en teléfonos móviles y tabletas, entre otras tareas esenciales.
Abordar la creciente demanda de medir con precisión la aceleración en sistemas de navegación más pequeños y otros dispositivos, Los investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han desarrollado un acelerómetro de un milímetro de grosor que utiliza luz láser en lugar de tensión mecánica para producir una señal.
Aunque algunos otros acelerómetros también dependen de la luz, el diseño del instrumento NIST hace que el proceso de medición sea más sencillo, proporcionando una mayor precisión. También opera en un rango más amplio de frecuencias y ha sido probado más rigurosamente que dispositivos similares.
No solo es el dispositivo NIST, conocido como acelerómetro optomecánico, mucho más preciso que los mejores acelerómetros comerciales, no necesita someterse al lento proceso de calibraciones periódicas. De hecho, debido a que el instrumento utiliza luz láser de una frecuencia conocida para medir la aceleración, En última instancia, puede servir como un estándar de referencia portátil para calibrar otros acelerómetros ahora en el mercado, haciéndolos más precisos.
El acelerómetro también tiene el potencial de mejorar la navegación inercial en sistemas tan críticos como aviones militares, satélites y submarinos, especialmente cuando no hay una señal de GPS disponible. Los investigadores del NIST Jason Gorman, Thomas LeBrun, David Long y sus colegas describen su trabajo en la revista. Optica .
El estudio es parte de NIST on a Chip, un programa que lleva la tecnología y la experiencia de ciencia de medición de vanguardia del instituto directamente a los usuarios en el comercio, medicamento, defensa y academia.
Acelerómetros, incluido el nuevo dispositivo NIST, registrar cambios en la velocidad rastreando la posición de una masa que se mueve libremente, apodada la "masa de prueba, "en relación con un punto de referencia fijo dentro del dispositivo. La distancia entre la masa de prueba y el punto de referencia solo cambia si el acelerómetro se ralentiza, acelera o cambia de dirección. Lo mismo ocurre si es un pasajero en un automóvil. Si el automóvil está en reposo o se mueve a velocidad constante, la distancia entre usted y el tablero permanece igual. Pero si el coche frena de repente, se lanza hacia adelante y la distancia entre usted y el tablero disminuye.
El movimiento de la masa de prueba crea una señal detectable. El acelerómetro desarrollado por los investigadores del NIST se basa en la luz infrarroja para medir el cambio en la distancia entre dos superficies altamente reflectantes que delimitan una pequeña región de espacio vacío. La masa de prueba, que está suspendido por vigas flexibles de una quinta parte del ancho de un cabello humano para que pueda moverse libremente, soporta una de las superficies espejadas. La otra superficie reflectante, que sirve como punto de referencia fijo del acelerómetro, Consiste en un espejo cóncavo microfabricado inmóvil.
Juntos, las dos superficies reflectantes y el espacio vacío entre ellas forman una cavidad en la que la luz infrarroja de la longitud de onda justa puede resonar, o rebotar hacia adelante y hacia atrás, entre los espejos, construyendo en intensidad. Esa longitud de onda está determinada por la distancia entre los dos espejos, tanto como el tono de una guitarra pulsada depende de la distancia entre el traste y el puente del instrumento. Si la masa de prueba se mueve en respuesta a la aceleración, cambiando la separación entre los espejos, la longitud de onda resonante también cambia.
Para rastrear los cambios en la longitud de onda resonante de la cavidad con alta sensibilidad, un láser de frecuencia única estable está bloqueado en la cavidad. Como se describe en una publicación reciente en Letras de óptica , Los investigadores también han empleado un peine de frecuencia óptica, un dispositivo que se puede utilizar como regla para medir la longitud de onda de la luz, para medir la longitud de la cavidad con gran precisión. Las marcas de la regla (los dientes del peine) se pueden considerar como una serie de láseres con longitudes de onda igualmente espaciadas. Cuando la masa de prueba se mueve durante un período de aceleración, ya sea acortando o alargando la cavidad, la intensidad de la luz reflejada cambia a medida que las longitudes de onda asociadas con los dientes del peine entran y salen de la resonancia con la cavidad.
Convertir con precisión el desplazamiento de la masa de prueba en una aceleración es un paso crítico que ha sido problemático en la mayoría de los acelerómetros optomecánicos existentes. Sin embargo, El nuevo diseño del equipo asegura que la relación dinámica entre el desplazamiento de la masa de prueba y la aceleración sea simple y fácil de modelar a través de los primeros principios de la física. En breve, la masa de prueba y las vigas de soporte están diseñadas para que se comporten como un simple resorte, o oscilador armónico, que vibra a una sola frecuencia en el rango operativo del acelerómetro.
Esta simple respuesta dinámica permitió a los científicos lograr una baja incertidumbre de medición en una amplia gama de frecuencias de aceleración (1 kilohercio a 20 kilohercios) sin tener que calibrar el dispositivo. Esta característica es única porque todos los acelerómetros comerciales deben calibrarse, lo cual requiere mucho tiempo y es costoso. Desde la publicación de su estudio en Optica , los investigadores han realizado varias mejoras que deberían reducir la incertidumbre de su dispositivo a casi un 1%.
Capaz de detectar desplazamientos de la masa de prueba que sean menos de una cienmilésima parte del diámetro de un átomo de hidrógeno, el acelerómetro optomecánico detecta aceleraciones tan pequeñas como 32 mil millonésimas de g, donde g es la aceleración debida a la gravedad de la Tierra. Esa es una sensibilidad más alta que la de todos los acelerómetros ahora en el mercado con tamaño y ancho de banda similares.
Con más mejoras, el acelerómetro optomecánico del NIST se puede utilizar como portátil, Dispositivo de referencia de alta precisión para calibrar otros acelerómetros sin tener que llevarlos a un laboratorio.
