Les accéléromètres convertissent ce type de déplacement en un signal mesurable quelconque. Par exemple, le mouvement de la masse étalon pourrait comprimer un matériau piézoélectrique, générer un courant, ou il peut étirer une feuille d'isolant afin que sa résistance électrique augmente. Les dispositifs sont maintenant réduits à la taille à laquelle ils peuvent être fabriqués en utilisant une technologie largement utilisée pour fabriquer des dispositifs microélectromécaniques (MEMS) et microélectroniques.

Le nouveau dispositif NIST utilise une lumière laser infrarouge (IR) pour mesurer le changement de distance entre deux faces, surfaces hautement réfléchissantes séparées par un très petit espace vide au centre. (Voir animation.) D'un côté se trouve la masse d'épreuve, une plaque carrée de silicium avec un revêtement miroir plan sur sa face interne, suspendu à l'intérieur de la cavité par de minuscules poutres flexibles sur les bords supérieur et inférieur qui agissent comme des ressorts, permettant à la masse de se déplacer par rapport à son environnement lorsque l'appareil subit une accélération.

De l'autre côté de l'espace vide se trouve un miroir concave hémisphérique fixe, tourné vers l'intérieur vers la masse étalon. Ce type d'agencement de miroirs en vis-à-vis constitue ce qu'on appelle une cavité de Fabry-Pérot.

Lorsque la lumière IR est initialement envoyée dans la cavité, presque tout est réfléchi, à l'exception d'une longueur d'onde particulière qui est exactement de la bonne taille pour se refléter dans les deux sens entre les deux surfaces réfléchissantes et résonner, formant une onde stationnaire et augmentant en intensité d'un facteur mille pour qu'assez de lumière soit transmise par la cavité pour être détectée. La longueur d'onde de l'onde de résonance est déterminée par la distance entre les deux miroirs, autant que la hauteur d'une note de trombone dépend de la distance à laquelle la glissière est étendue ou rétractée.

"La méthode optique offre une bien meilleure sensibilité et des incertitudes plus faibles, " dit LeBrun, "car, entre autres raisons, nous pouvons contrôler et mesurer la longueur d'onde de la lumière avec une très grande précision."

Des configurations Fabry-Perot basées sur MEMS ont déjà été essayées pour de petits accéléromètres, typiquement avec les miroirs montés dans deux plans parallèles se faisant face. "C'est difficile, " LeBrun dit, "parce qu'il est très difficile de rendre ce genre de conception extrêmement précis. Si l'un des miroirs ne concentre pas la lumière dans la cavité, la lumière se perd beaucoup plus rapidement, réduire la précision. Dans notre conception, des miroirs de haute qualité gardent la lumière dans la cavité, tandis que la masse étalon - suspendue par des poutres flexibles d'environ un cinquième de la largeur d'un cheveu humain - est conçue pour agir comme un ressort idéal. Qui maximise la stabilité, et élimine le mouvement de bascule potentiel, permettant des mesures de sensibilité plus élevée.

A l'exception des revêtements miroirs et des poutres en nitrure de silicium portant la masse étalon, tous les composants de l'accéléromètre sont en silicium, qui présente plusieurs avantages. L'un est la disponibilité immédiate de technologies éprouvées pour le façonnage et le traitement du silicium avec des tolérances élevées dans de petites dimensions.

C'est important pour la conception du NIST, dans lequel le miroir hémisphérique fixe a une profondeur d'environ 300 micromètres (µm), 500 µm de large, et a un lissé de surface qui ne varie pas de plus de 1 nanomètre. (Les accéléromètres LeBrun et ses collègues utilisés pour les expériences ont été fabriqués au Center for Nanoscale Science and Technology du NIST.) En outre, le silicium offre une très bonne stabilité thermique et est transparent à la lumière IR.

La source lumineuse laser est placée derrière la masse étalon sur un côté de l'appareil; d'un autre côté, derrière le miroir hémisphérique, est un capteur/détecteur de lumière. Le laser est "accordable, " capable de produire une gamme de longueurs d'onde IR. Pendant l'accélération, lorsque la distance entre la masse étalon et le miroir hémisphérique change, la longueur d'onde laser suit la longueur d'onde de résonance de la cavité. Par conséquent, le laser donne un direct, vite, et une lecture très précise du mouvement de la masse d'épreuve.

Les mesures doivent être extrêmement précises. "La modification de la longueur de la cavité de moins de 1 nm éteint complètement la résonance optique, ", explique le scientifique du projet Jason Gorman.

Parce que le capteur fonctionne à l'aide d'un laser avec une longueur d'onde bien caractérisée, il peut être intrinsèquement auto-calibrant. Et parce que les composants et les méthodes de fabrication sont de la même taille que ceux couramment utilisés dans la fabrication de microélectronique ou de MEMS, le coût de production éventuel d'une unité complète devrait être faible. Mais avant, les scientifiques du NIST devront surmonter un certain nombre d'obstacles.

"L'un est l'échelle de temps exigeante impliquée, " dit Gorman. " Au fur et à mesure que la dimension de la cavité change, le laser accordable n'aura pas plus d'environ 100 microsecondes pour balayer la longueur d'onde sur une large plage afin de suivre le mouvement de la cavité. Trouver un laser bon marché avec ces capacités est un autre défi. Il en va de même d'une connexion par fibre optique robuste à un appareil qui vibre à 1 000 cycles par seconde, et éventuellement 10 fois plus vite. »

« Nous nous attendons à ce que cette technologie de microcavité optique se traduise par des accéléromètres déployables sur le terrain avec une précision intrinsèque probablement dix fois meilleure que ce qui est actuellement possible, " dit John Kramar, le chef du groupe de métrologie à l'échelle nanométrique. "Mais ce qui est encore plus excitant, c'est le large éventail d'autres types de capteurs et d'applications que cette technologie pourrait considérablement améliorer, y compris l'échographie, micros, altimètres, capteurs de pression, gyroscope, et l'exploration géophysique.