De meeste mensen hebben nog nooit een versnellingsmeter gezien - een apparaat dat verandering in snelheid meet - en zouden niet weten waar ze moeten kijken. Toch zijn versnellingsmeters essentieel geworden voor het moderne leven, van het regelen van auto-airbags, om aardbevingen te monitoren, traagheidsnavigatie voor ruimtevluchten, vliegtuigen, en autonome voertuigen, en het schermbeeld op de juiste manier gedraaid te houden op mobiele telefoons en tablets, onder andere gebruik. Niet verrassend, vraag stijgt naar goedkope, uiterst nauwkeurige instrumenten die op steeds kleinere locaties kunnen worden ingebed.

Dat is de reden waarom NIST-onderzoekers een nieuwe optomechanische versnellingsmeter op basis van silicium hebben ontwikkeld en testen die minder dan 1 millimeter dik is. Het is ontworpen om metingen te leveren die direct herleidbaar zijn tot de SI met onzekerheden beter dan 1 deel op 1000 - "zo goed als elk ander laboratoriumversnellingsapparaat ter wereld, ", zegt projectwetenschapper Thomas LeBrun van NIST's Physical Measurement Laboratory.

Versnellingsmeters werken meestal door de verandering in positie van een vrij gemonteerde "proefmassa" te meten. " typisch een stevig blok, ten opzichte van een vast referentiepunt in het apparaat. Als het systeem in rust is of met constante snelheid beweegt, de afstand tussen de proefmassa en het vaste referentiepunt verandert niet. analoog, de afstand tussen het dashboard en een voorpassagier in een auto verandert niet bij een constante snelheid van 60 km/u.

Maar als de versnellingsmeter versnelt of vertraagt, de afstand tussen de proefmassa en het referentiepunt neemt toe of af. evenzo, wanneer de bestuurder van de auto plotseling op de rem trapt, de passagier wordt naar voren geschoven in de richting van het dashboard, druk uitoefenen op de veiligheidsgordel.

Versnellingsmeters zetten dat soort verplaatsing om in een of ander meetbaar signaal. Bijvoorbeeld, beweging van de proefmassa kan een piëzo-elektrisch materiaal samendrukken, het opwekken van een stroom, of het kan een isolatielaag uitrekken zodat de elektrische weerstand toeneemt. De apparaten zijn nu gekrompen tot het formaat waarop ze kunnen worden vervaardigd met behulp van technologie die wijdverbreid wordt gebruikt om micro-elektromechanische apparaten (MEMS) en micro-elektronica te maken.

Het nieuwe NIST-apparaat gebruikt infrarood (IR) laserlicht om de verandering in afstand tussen twee tegenover elkaar liggende, sterk reflecterende oppervlakken gescheiden door een zeer kleine lege ruimte in het midden. (Zie animatie.) Aan de ene kant staat de proefmassa, een vierkante plak silicium met een vlakke spiegelcoating aan de binnenkant, opgehangen in de holte door kleine flexibele balken aan de boven- en onderranden die als veren fungeren, waardoor de massa kan bewegen ten opzichte van zijn omgeving wanneer het apparaat een versnelling ervaart.

Aan de andere kant van de lege ruimte bevindt zich een vaste halfronde concave spiegel, naar binnen gericht naar de proefmassa. Dit soort opstelling met tegenover elkaar liggende spiegels vormt een zogenaamde Fabry-Perot-holte.

Wanneer IR-licht in eerste instantie in de holte wordt gestuurd, bijna alles wordt gereflecteerd - behalve één bepaalde golflengte die precies de juiste maat heeft om heen en weer te reflecteren tussen de twee spiegelende oppervlakken en te resoneren, een staande golf vormend en met een factor duizend in intensiteit toenemen, zodat er genoeg licht door de holte wordt doorgelaten om te worden gedetecteerd. De golflengte van de resonantiegolf wordt bepaald door de afstand tussen de twee spiegels, net zoals de toonhoogte van een trombonenoot afhangt van hoe ver de schuif is uitgeschoven of ingetrokken.

"De optische methode zorgt voor een veel betere gevoeligheid en lagere onzekerheden, " zegt LeBrun, "omdat, onder andere, we kunnen de golflengte van licht tot zeer hoge nauwkeurigheid controleren en meten."

Op MEMS gebaseerde Fabry-Perot-configuraties zijn eerder geprobeerd voor kleine versnellingsmeters, typisch met de spiegels gemonteerd in twee evenwijdige vlakken tegenover elkaar. "Dat is uitdagend, "LeBrun zegt, "Omdat het erg moeilijk is om zo'n ontwerp extreem precies te maken. Als een van de spiegels het licht niet in de spouw focust, het licht gaat veel sneller verloren, het verminderen van de precisie. In ons ontwerp, hoogwaardige spiegels houden het licht in de spouw, terwijl de proefmassa - opgehangen door flexibele balken van ongeveer een vijfde van de breedte van een mensenhaar - is ontworpen om als een ideale veer te fungeren. Dat maximaliseert de stabiliteit, en elimineert mogelijke schommelbewegingen, waardoor metingen met een hogere gevoeligheid mogelijk zijn."

Behalve spiegelcoatings en de siliciumnitride-bundels die de proefmassa bevatten, alle onderdelen van de versnellingsmeter zijn gemaakt van silicium, wat meerdere voordelen heeft. Een daarvan is de gemakkelijke beschikbaarheid van bewezen technologieën voor het vormen en verwerken van silicium tot hoge toleranties in kleine afmetingen.

Dat is belangrijk voor het NIST-ontwerp, waarin de vaste halfronde spiegel ongeveer 300 micrometer (µm) diep is, 500 µm breed, en heeft een oppervlaktegladheid die niet meer dan 1 nanometer varieert. (De versnellingsmeters die LeBrun en collega's voor experimenten gebruikten, werden vervaardigd in het NIST Center for Nanoscale Science and Technology.) Bovendien, silicium biedt een zeer goede thermische stabiliteit en is transparant voor IR-licht.

De laserlichtbron wordt aan één kant van het apparaat achter de proefmassa geplaatst; aan de andere kant, achter de halfronde spiegel, is een lichtsensor/detector. De laser is "afstembaar, " in staat om een ​​reeks IR-golflengten te produceren. Tijdens acceleratie, als de afstand tussen de proefmassa en de halfronde spiegel verandert, de lasergolflengte volgt de resonantiegolflengte van de holte. Als resultaat, de laser geeft een directe, snel, en zeer nauwkeurige uitlezing van de beweging van de proefmassa.

De metingen moeten uiterst nauwkeurig zijn. "Het veranderen van de holtelengte met minder dan 1 nm dooft de optische resonantie volledig uit, ", zegt projectwetenschapper Jason Gorman.

Omdat de sensor werkt met een laser met een goed gekarakteriseerde golflengte, het kan intrinsiek zelfkalibrerend zijn. En omdat de componenten en fabricagemethoden even groot zijn als die welke routinematig worden gebruikt in micro-elektronica of MEMS-fabricage, de uiteindelijke productiekosten van een complete eenheid moeten laag zijn. Maar voor die tijd, de NIST-wetenschappers zullen een aantal obstakels moeten overwinnen.

"Een daarvan is de veeleisende tijdschaal die ermee gemoeid is, "zegt Gorman. "Naarmate de afmeting van de holte verandert, de afstembare laser heeft niet meer dan ongeveer 100 microseconden om de golflengte over een breed bereik te scannen, zodat hij de beweging van de holte volgt. Het vinden van een goedkope laser met die mogelijkheden is een andere uitdaging. Dat geldt ook voor het maken van een robuuste glasvezelverbinding met een apparaat dat trilt met 1000 cycli per seconde - en uiteindelijk misschien wel 10 keer sneller."

"We verwachten volledig dat deze optische microcavity-technologie zal resulteren in in het veld inzetbare versnellingsmeters met intrinsieke nauwkeurigheid die waarschijnlijk tien keer beter is dan momenteel mogelijk is, " zegt John Kramar, de leider van de Nanoscale Metrology Group. "Maar wat nog spannender is, is het brede scala aan andere soorten sensoren en toepassingen die deze technologie drastisch zou kunnen verbeteren, inclusief echografie, microfoons, hoogtemeters, druksensoren, gyroscopen, en geofysische verkenning."