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NIST研究人员开发出全新加速度计,利用光测量加速度
2017-04-06
 

[据美国国家标准与技术研究院官方网站2017329日报道]  加速度计(accelerometer)是一种用于测量加速度的惯性器件,与陀螺仪一样,是构成不依赖卫星的惯性导航系统的核心测量单元。绝大多数人可能从未见过加速度计。然而,加速度计已成为我们日常生活中必不可少的一部分,从汽车安全气囊系统控制、地震监测,到航空、航天器及无人驾驶汽车的惯性导航系统,再到手机和平板电脑的重力感应及屏幕自动旋转功能,通通离不开加速度计的作用。毫无疑问,随着设备小型化的发展趋势,当前对于可嵌入更小空间的低成本、高精密度装置的需求越来越大。为此,NIST的研究人员开发出了一种厚度小于1毫米的全新硅基光机械加速度计。该加速度计在国际单位制(SI)框架下的测量不确定度小于千分之一,其测量精度与当前世界上最好的实验室加速度计相当。

加速度计一般是通过测量“检测质量(proof mass)”(通常为具有一定质量的固体块)与器件内部固定参考点之间的相对位置变化来发挥作用的。当系统静止或以恒定速度运动时,“检测质量”与固定参考点之间的相对位置不会发生变化。这与在一辆以60公里每小时速度平稳行驶的客车中位于前排的一位乘客与汽车仪表板之间的距离不会发生改变的情况是一样。但是,当加速度计的自身速度升高或降低时,测量质量与固定参考点之间的距离会相应地变长或变短。这就好比刚才那辆客车的司机突然进行了紧急制动,那名乘客在惯性的作用下将会朝着汽车仪表板的方向移动,从而对安全带产生的拉力变大。加速度计可将得到的位置信息转化成某种类型的可测量信号。例如,由检测质量运动所导致的对压电材料的挤压作用可产生电流,而对一片绝缘体的拉伸作用可使其电阻值增加。

NIST研究人员开发出的最新加速度计,利用红外(IR)激光对两个相对的中间间隔很小的高反光表面之间的相对距离进行测量。(如视频中的动画所示)器件的一边是由正方形硅板制成的检测质量,其向内的表面贴有一面平面镜。检测质量由位于其上下表面边缘的微型弹性悬臂梁悬挂在腔体内,这些悬臂梁起到了弹簧的作用,在器件处于加速运动时可使检测质量与周围环境之间产生相对运动。这样的设计可避免检测质量产生摇摆运动,使测量系统的稳定性得到了最大化,从而大大提升了系统测量的灵敏度。腔体的另一侧是一个固定的半球状凹面镜,其镜面相内正对着检测质量。这种由两个相对反光镜组成的结构被称作“珐珀腔”。当红外激光刚刚射入珐珀腔时,几乎全部被反射回来 只有恰好具有能在两面反光镜之间来回反射并产生谐振波的具有某一特定波长的光,才可以形成驻波使其光强度增加到足够大(约一千倍以上),从而透过空腔被光探测器检测到。谐振波的波长是由两面反光镜之间的相对距离所决定的,这就像交响乐团中长号拉杆的伸缩可以产生不同音调的声音一样。由于目前对于光的控制和测量已经达到了很高的水准,因此用光来测量距离变化会有较高的灵敏度和精确度。

除了反光镜涂层和氮化硅微型悬臂梁之外,加速度计的所有组件均由硅材料制成,这样的材料构成优点是,首先,可直接利用现有的成型及加工技术将硅材料精准制成所需的微小尺寸。这对于NIST的设计非常重要,按设计规格,固定半球状反光镜的深度为300微米,其直径宽500微米,并要求其镜面的平整度要达到小于1纳米的误差。另外,硅材料的热稳定性很好且对红外光线透明。

红外激光光源位于检测质量的背面,而在与它相对的另一侧,即半球状反光镜的背面为光传感器/探测器。红外激光光源是可调谐的,可产生一定波长范围的红外激光。在加速度计加速过程中,由于检测质量与半球状反光镜之间的距离会发生变化,为了在腔体内产生谐振波,需要激光光源的波长也跟随进行调整,这样才能保证激光可以直接、快速、准确地跟踪检测质量的移动。

因为传感器运行在一个特征波长,所以比较容易进行自校准。此外,由于该加速度计的元件和制造方式与现有常规微电子器件或微机电系统器件的制造相兼容,因此生产的成本也会比较低。但是,在进行大规模生产之前,NIST的研究人员还需要克服一些障碍。他们首先要面对的挑战是苛刻的时间尺度,随着腔体空间维度的变化,可调谐激光光源需要在100微秒时间以内快速扫描一个很宽的波长范围并确定与腔体改变相吻合的光波长,以保持足够强的谐振波强度。如何找到一个成本低且符合条件的激光光源是他们需要面对的又一个挑战。此外,还需要制造一条可以经受每秒1000个周期振动的足够耐用的光纤来与器件相连接。

研究人员希望利用这种光学微腔技术制造出精确度比现有水平高10倍以上的加速度计。然而,更加使人兴奋的是,此项技术还会有更加广阔的应用前景,包括超声波、麦克风、测高计、压力传感器、陀螺仪和地球物理勘探等。(工业和信息化部电子第一研究所  李铁成)

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