Illustration d'un accéléromètre optomécanique, qui utilise la lumière pour mesurer l'accélération. Le dispositif NIST se compose de deux puces de silicium, avec une lumière laser infrarouge entrant par la puce inférieure et sortant par le haut. La puce supérieure contient une masse étalon suspendue par des poutres en silicium, qui permet à la masse de se déplacer librement vers le haut et vers le bas en réponse à l'accélération. Un revêtement réfléchissant sur la masse étalon et un miroir hémisphérique fixé à la puce inférieure forment une cavité optique. La longueur d'onde de la lumière infrarouge est choisie de manière à correspondre presque à la longueur d'onde de résonance de la cavité, permettant à la lumière de gagner en intensité en rebondissant plusieurs fois entre les deux surfaces réfléchissantes avant de sortir. Lorsque l'appareil subit une accélération, la masse d'épreuve bouge, changer la longueur de la cavité et décaler la longueur d'onde de résonance. Cela modifie l'intensité de la lumière réfléchie. Une lecture optique convertit le changement d'intensité en une mesure d'accélération. Crédit :F. Zhou/NIST
Vous roulez à la limite de vitesse sur une route à deux voies lorsqu'une voiture sort en trombe d'une allée sur votre droite. Tu appuies sur les freins, et en une fraction de seconde de l'impact, un airbag se gonfle, vous éviter des blessures graves ou même la mort.
L'airbag se déploie grâce à un accéléromètre, un capteur qui détecte les changements soudains de vitesse. Les accéléromètres maintiennent les fusées et les avions sur la bonne trajectoire de vol, fournir une navigation pour les voitures autonomes, et faites pivoter les images pour qu'elles restent à l'endroit sur les téléphones portables et les tablettes, entre autres tâches essentielles.
Répondre à la demande croissante de mesurer avec précision l'accélération dans les petits systèmes de navigation et autres appareils, des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont développé un accéléromètre d'à peine un millimètre d'épaisseur qui utilise la lumière laser au lieu d'une contrainte mécanique pour produire un signal.
Bien que quelques autres accéléromètres reposent également sur la lumière, la conception de l'instrument NIST rend le processus de mesure plus simple, offrant une plus grande précision. Il fonctionne également sur une plus grande gamme de fréquences et a été testé plus rigoureusement que des appareils similaires.
Non seulement l'appareil NIST, connu sous le nom d'accéléromètre optomécanique, bien plus précis que les meilleurs accéléromètres du commerce, il n'a pas besoin de subir le processus fastidieux d'étalonnages périodiques. En réalité, parce que l'instrument utilise une lumière laser d'une fréquence connue pour mesurer l'accélération, il peut servir à terme d'étalon de référence portable pour étalonner d'autres accéléromètres actuellement sur le marché, les rendant plus précis.
L'accéléromètre a également le potentiel d'améliorer la navigation inertielle dans des systèmes critiques tels que les avions militaires, satellites et sous-marins, surtout lorsqu'un signal GPS n'est pas disponible. Les chercheurs du NIST Jason Gorman, Thomas Le Brun, David Long et leurs collègues décrivent leur travail dans la revue Optique .
L'étude fait partie du NIST on a Chip, un programme qui apporte la technologie et l'expertise de pointe de la science de mesure de l'institut directement aux utilisateurs dans le commerce, Médicament, la défense et le monde universitaire.
Accéléromètres, y compris le nouveau dispositif NIST, enregistrer les changements de vitesse en suivant la position d'une masse en mouvement libre, surnommé la « masse d'épreuve, " par rapport à un point de référence fixe à l'intérieur de l'appareil. La distance entre la masse étalon et le point de référence ne change que si l'accéléromètre ralentit, accélère ou change de direction. Il en est de même si vous êtes passager d'une voiture. Si la voiture est au repos ou se déplace à vitesse constante, la distance entre vous et le tableau de bord reste la même. Mais si la voiture freine soudainement, vous êtes projeté en avant et la distance entre vous et le tableau de bord diminue.
Le mouvement de la masse étalon crée un signal détectable. L'accéléromètre développé par les chercheurs du NIST s'appuie sur la lumière infrarouge pour mesurer le changement de distance entre deux surfaces hautement réfléchissantes qui serrent une petite région d'espace vide. La masse d'épreuve, qui est suspendu par des poutres flexibles d'un cinquième de la largeur d'un cheveu humain afin qu'il puisse se déplacer librement, supporte l'une des surfaces réfléchissantes. L'autre surface réfléchissante, qui sert de point de référence fixe à l'accéléromètre, se compose d'un miroir concave microfabriqué immobile.
Ensemble, les deux surfaces réfléchissantes et l'espace vide entre elles forment une cavité dans laquelle la lumière infrarouge de juste la bonne longueur d'onde peut résonner, ou rebondir d'avant en arrière, entre les miroirs, monter en intensité. Cette longueur d'onde est déterminée par la distance entre les deux miroirs, tout comme la hauteur d'une guitare pincée dépend de la distance entre la frette et le chevalet de l'instrument. Si la masse étalon se déplace en réponse à l'accélération, changer la séparation entre les miroirs, la longueur d'onde de résonance change également.
Pour suivre les changements de longueur d'onde de résonance de la cavité avec une haute sensibilité, un laser monofréquence stable est verrouillé sur la cavité. Comme décrit dans une publication récente dans Lettres d'optique , les chercheurs ont également utilisé un peigne de fréquence optique - un appareil qui peut être utilisé comme règle pour mesurer la longueur d'onde de la lumière - pour mesurer la longueur de la cavité avec une grande précision. Les marques de la règle (les dents du peigne) peuvent être considérées comme une série de lasers avec des longueurs d'onde équidistantes. Lorsque la masse étalon se déplace pendant une période d'accélération, soit en raccourcissant soit en allongeant la cavité, l'intensité de la lumière réfléchie change à mesure que les longueurs d'onde associées aux dents du peigne entrent et sortent de la résonance avec la cavité.
La conversion précise du déplacement de la masse étalon en une accélération est une étape critique qui a été problématique dans la plupart des accéléromètres optomécaniques existants. Cependant, la nouvelle conception de l'équipe garantit que la relation dynamique entre le déplacement de la masse étalon et l'accélération est simple et facile à modéliser grâce aux premiers principes de la physique. En bref, la masse étalon et les poutres porteuses sont conçues pour se comporter comme un simple ressort, ou oscillateur harmonique, qui vibre à une fréquence unique dans la plage de fonctionnement de l'accéléromètre.
Cette réponse dynamique simple a permis aux scientifiques d'obtenir une faible incertitude de mesure sur une large gamme de fréquences d'accélération—1 kilohertz à 20 kilohertz—sans jamais avoir à calibrer l'appareil. Cette fonctionnalité est unique car tous les accéléromètres commerciaux doivent être calibrés, ce qui prend du temps et coûte cher. Depuis la publication de leur étude dans Optique , les chercheurs ont apporté plusieurs améliorations qui devraient réduire l'incertitude de leur appareil à près de 1 %.
Capable de détecter des déplacements de la masse étalon inférieurs au cent millième du diamètre d'un atome d'hydrogène, l'accéléromètre optomécanique détecte des accélérations aussi infimes que 32 milliardièmes de g, où g est l'accélération due à la gravité terrestre. C'est une sensibilité plus élevée que tous les accéléromètres actuellement sur le marché avec une taille et une bande passante similaires.
Avec d'autres améliorations, l'accéléromètre optomécanique du NIST pourrait être utilisé comme un portable, appareil de référence de haute précision pour étalonner d'autres accéléromètres sans avoir à les amener dans un laboratoire.
