Illustrazione di un accelerometro optomeccanico, che utilizza la luce per misurare l'accelerazione. Il dispositivo NIST è costituito da due chip di silicio, con luce laser infrarossa che entra dal chip inferiore ed esce dalla parte superiore. Il chip superiore contiene una massa di prova sospesa da fasci di silicio, che consente alla massa di muoversi su e giù liberamente in risposta all'accelerazione. Un rivestimento specchiato sulla massa di prova e uno specchio emisferico attaccato al chip inferiore formano una cavità ottica. La lunghezza d'onda della luce infrarossa è scelta in modo che corrisponda quasi alla lunghezza d'onda di risonanza della cavità, consentendo alla luce di aumentare di intensità mentre rimbalza avanti e indietro tra le due superfici specchiate molte volte prima di uscire. Quando il dispositivo subisce un'accelerazione, la massa di prova si muove, modificando la lunghezza della cavità e spostando la lunghezza d'onda di risonanza. Ciò altera l'intensità della luce riflessa. Una lettura ottica converte la variazione di intensità in una misura di accelerazione. Credito:F. Zhou/NIST
Stai andando al limite di velocità lungo una strada a due corsie quando un'auto sbuca da un vialetto alla tua destra. schiacci sui freni, ed entro una frazione di secondo dall'impatto un airbag si gonfia, salvandoti da lesioni gravi o addirittura dalla morte.
L'airbag si attiva grazie a un accelerometro, un sensore che rileva improvvisi cambiamenti di velocità. Gli accelerometri mantengono razzi e aeroplani sulla traiettoria di volo corretta, fornire la navigazione per le auto a guida autonoma, e ruotare le immagini in modo che rimangano allineate su cellulari e tablet, tra gli altri compiti essenziali.
Affrontare la crescente domanda di misurare con precisione l'accelerazione nei sistemi di navigazione più piccoli e in altri dispositivi, i ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno sviluppato un accelerometro di appena un millimetro di spessore che utilizza la luce laser invece della sollecitazione meccanica per produrre un segnale.
Sebbene anche alcuni altri accelerometri si basino sulla luce, il design dello strumento NIST rende il processo di misurazione più semplice, fornendo una maggiore precisione. Funziona anche su una gamma più ampia di frequenze ed è stato testato in modo più rigoroso rispetto a dispositivi simili.
Non solo il dispositivo NIST, noto come accelerometro optomeccanico, molto più preciso dei migliori accelerometri commerciali, non ha bisogno di subire il lungo processo di calibrazioni periodiche. Infatti, poiché lo strumento utilizza una luce laser di una frequenza nota per misurare l'accelerazione, può infine servire come standard di riferimento portatile per calibrare altri accelerometri ora sul mercato, rendendoli più precisi.
L'accelerometro ha anche il potenziale per migliorare la navigazione inerziale in sistemi critici come aerei militari, satelliti e sottomarini, soprattutto quando non è disponibile un segnale GPS. I ricercatori del NIST Jason Gorman, Thomas LeBrun, David Long e i loro colleghi descrivono il loro lavoro sulla rivista ottica .
Lo studio fa parte di NIST on a Chip, un programma che porta la tecnologia e l'esperienza della scienza della misurazione all'avanguardia dell'istituto direttamente agli utenti nel commercio, medicinale, difesa e mondo accademico.
Accelerometri, compreso il nuovo dispositivo NIST, registrare le variazioni di velocità tracciando la posizione di una massa che si muove liberamente, soprannominata la "massa di prova, " rispetto ad un punto di riferimento fisso all'interno del dispositivo. La distanza tra la massa di prova e il punto di riferimento cambia solo se l'accelerometro rallenta, accelera o cambia direzione. Lo stesso vale se sei un passeggero in un'auto. Se l'auto è ferma o si muove a velocità costante, la distanza tra te e il cruscotto rimane la stessa. Ma se l'auto frena improvvisamente, vieni scagliato in avanti e la distanza tra te e il cruscotto diminuisce.
Il movimento della massa di prova crea un segnale rilevabile. L'accelerometro sviluppato dai ricercatori del NIST si basa sulla luce infrarossa per misurare la variazione di distanza tra due superfici altamente riflettenti che delimitano una piccola regione di spazio vuoto. La massa di prova, che è sospeso da travi flessibili un quinto della larghezza di un capello umano in modo che possa muoversi liberamente, sostiene una delle superfici specchiate. L'altra superficie riflettente, che funge da punto di riferimento fisso dell'accelerometro, consiste in uno specchio concavo microfabbricato immobile.
Insieme, le due superfici riflettenti e lo spazio vuoto tra di esse formano una cavità in cui può risuonare la luce infrarossa della giusta lunghezza d'onda, o rimbalzare avanti e indietro, tra gli specchi, costruendo in intensità. Quella lunghezza d'onda è determinata dalla distanza tra i due specchi, tanto quanto l'intonazione di una chitarra pizzicata dipende dalla distanza tra il tasto e il ponte dello strumento. Se la massa di prova si muove in risposta all'accelerazione, cambiando la separazione tra gli specchi, cambia anche la lunghezza d'onda di risonanza.
Per monitorare i cambiamenti nella lunghezza d'onda di risonanza della cavità con un'elevata sensibilità, un laser stabile a frequenza singola è bloccato alla cavità. Come descritto in una recente pubblicazione in Lettere di ottica , i ricercatori hanno anche impiegato un pettine di frequenza ottica, un dispositivo che può essere utilizzato come righello per misurare la lunghezza d'onda della luce, per misurare la lunghezza della cavità con elevata precisione. I segni del righello (i denti del pettine) possono essere pensati come una serie di laser con lunghezze d'onda equidistanti. Quando la massa di prova si muove durante un periodo di accelerazione, o accorciando o allungando la cavità, l'intensità della luce riflessa cambia quando le lunghezze d'onda associate ai denti del pettine si muovono dentro e fuori dalla risonanza con la cavità.
Convertire accuratamente lo spostamento della massa di prova in un'accelerazione è un passaggio critico che è stato problematico nella maggior parte degli accelerometri optomeccanici esistenti. Però, il nuovo design del team assicura che la relazione dinamica tra lo spostamento della massa di prova e l'accelerazione sia semplice e facile da modellare attraverso i primi principi della fisica. In breve, la massa di prova e le travi portanti sono progettate in modo da comportarsi come una semplice molla, o oscillatore armonico, che vibra ad una singola frequenza nel range operativo dell'accelerometro.
Questa semplice risposta dinamica ha consentito agli scienziati di ottenere una bassa incertezza di misura su un'ampia gamma di frequenze di accelerazione, da 1 kilohertz a 20 kilohertz, senza dover mai calibrare il dispositivo. Questa caratteristica è unica perché tutti gli accelerometri commerciali devono essere calibrati, che richiede tempo e denaro. Dalla pubblicazione del loro studio in ottica , i ricercatori hanno apportato diversi miglioramenti che dovrebbero ridurre l'incertezza del loro dispositivo a quasi l'1%.
Capace di rilevare spostamenti della massa di prova inferiori al centomillesimo del diametro di un atomo di idrogeno, l'accelerometro optomeccanico rileva accelerazioni fino a 32 miliardesimi di g, dove g è l'accelerazione dovuta alla gravità terrestre. Questa è una sensibilità più alta di tutti gli accelerometri ora sul mercato con dimensioni e larghezza di banda simili.
Con ulteriori miglioramenti, l'accelerometro optomeccanico del NIST potrebbe essere usato come un portatile, dispositivo di riferimento ad alta precisione per calibrare altri accelerometri senza doverli portare in laboratorio.
