A maioria das pessoas nunca viu um acelerômetro - um dispositivo que mede a mudança na velocidade - e não saberia para onde olhar. No entanto, os acelerômetros se tornaram essenciais para a vida moderna, de controlar airbags de automóveis, ao monitoramento de terremotos, navegação inercial para voos espaciais, aeronave, e veículos autônomos, e manter a imagem da tela girada da maneira certa em telefones celulares e tablets, entre outros usos. Não surpreendentemente, a demanda está aumentando por preços baratos, instrumentos de alta precisão que podem ser incorporados em locais cada vez menores.

É por isso que os pesquisadores do NIST desenvolveram e estão testando um novo acelerômetro optomecânico baseado em silício com menos de 1 milímetro de espessura. Ele é projetado para fornecer medições diretamente rastreáveis ​​ao SI com incertezas melhores do que 1 parte em 1000 - "tão bom quanto qualquer dispositivo de aceleração de laboratório no mundo, "diz o cientista do projeto Thomas LeBrun, do Laboratório de Medição Física do NIST.

Os acelerômetros normalmente funcionam medindo a mudança na posição de uma "massa de prova montada livremente, "normalmente um bloco sólido, em relação a algum ponto fixo de referência dentro do dispositivo. Se o sistema está em repouso ou se movendo em velocidade constante, a distância entre a massa de prova e o ponto de referência fixo não mudará. Analogamente, a distância entre o painel e o passageiro dianteiro de um carro não muda durante a velocidade constante de 60 km / h.

Mas se o acelerômetro aumentar ou diminuir a velocidade, a separação entre a massa de prova e o ponto de referência aumenta ou diminui. De forma similar, quando o motorista do carro pisa no freio de repente, o passageiro é deslocado para frente em direção ao painel, colocar pressão no cinto de segurança.

Os acelerômetros convertem esse tipo de deslocamento em algum tipo de sinal mensurável. Por exemplo, o movimento da massa de prova pode comprimir um material piezoelétrico, gerando uma corrente, ou pode esticar uma folha de isolante de modo que sua resistência elétrica aumente. Os dispositivos agora encolheram para o tamanho em que podem ser fabricados usando tecnologia de uso generalizado para fazer dispositivos microeletromecânicos (MEMS) e microeletrônica.

O novo dispositivo NIST usa luz laser infravermelha (IR) para medir a mudança na distância entre duas faces, superfícies altamente reflexivas separadas por um espaço vazio muito pequeno no centro. (Veja a animação.) De um lado está a massa de prova, uma placa quadrada de silício com um revestimento de espelho plano em sua face interna, suspensos dentro da cavidade por minúsculas vigas flexíveis nas bordas superior e inferior que atuam como molas, permitindo que a massa se mova em relação ao seu entorno quando o dispositivo experimenta uma aceleração.

Do outro lado do espaço vazio está um espelho côncavo hemisférico fixo, voltado para dentro em direção à massa de prova. Esse tipo de arranjo de espelho frontal constitui o que é chamado de cavidade de Fabry-Perot.

Quando a luz IR é inicialmente enviada para a cavidade, quase tudo é refletido - exceto por um comprimento de onda específico que é exatamente do tamanho certo para refletir para frente e para trás entre as duas superfícies espelhadas e ressoar, formando uma onda estacionária e aumentando de intensidade por um fator de mil, de modo que luz suficiente é transmitida pela cavidade para ser detectada. O comprimento de onda da onda ressonante é determinado pela distância entre os dois espelhos, tanto quanto o tom de uma nota de trombone depende de quão longe o slide é estendido ou retraído.

"O método óptico oferece uma sensibilidade muito melhor e menos incertezas, "diz LeBrun, "Porque, entre outras razões, podemos controlar e medir o comprimento de onda da luz com uma precisão muito alta. "

As configurações Fabry-Perot baseadas em MEMS já foram tentadas antes para pequenos acelerômetros, normalmente com os espelhos montados em dois planos paralelos voltados um para o outro. "Isso é desafiador, "LeBrun diz, "porque é muito difícil fazer esse tipo de design extremamente preciso. Se um dos espelhos não focalizar a luz na cavidade, a luz é perdida muito mais rapidamente, reduzindo a precisão. Em nosso design, espelhos de alta qualidade mantêm a luz na cavidade, enquanto a massa de prova - suspensa por vigas flexíveis com cerca de um quinto da largura de um cabelo humano - é projetada para funcionar como uma mola ideal. Isso maximiza a estabilidade, e elimina o potencial movimento de balanço, permitindo medições de maior sensibilidade. "

Exceto para revestimentos de espelho e os feixes de nitreto de silício segurando a massa de prova, todos os componentes do acelerômetro são feitos de silício, o que tem várias vantagens. Um deles é a disponibilidade imediata de tecnologias comprovadas para moldar e processar silício com altas tolerâncias em pequenas dimensões.

Isso é importante para o design do NIST, em que o espelho hemisférico fixo tem cerca de 300 micrômetros (µm) de profundidade, 500 µm de largura, e tem uma suavidade de superfície que varia em não mais do que 1 nanômetro. (Os acelerômetros que LeBrun e colegas usados ​​para experimentos foram fabricados no Centro de Ciência e Tecnologia em nanoescala do NIST.) Além disso, o silício oferece estabilidade térmica muito boa e é transparente à luz infravermelha.

A fonte de luz laser é colocada atrás da massa de prova em um lado do dispositivo; por outro lado, atrás do espelho hemisférico, é um sensor / detector de luz. O laser é "ajustável, "capaz de produzir uma gama de comprimentos de onda IV. Durante a aceleração, conforme a distância entre a massa de prova e o espelho hemisférico muda, o comprimento de onda do laser rastreia o comprimento de onda ressonante da cavidade. Como resultado, o laser dá uma resposta direta, velozes, e leitura altamente precisa do movimento de massa de prova.

As medições devem ser extremamente precisas. "Mudar o comprimento da cavidade em menos de 1 nm extingue completamente a ressonância óptica, "diz o cientista do projeto Jason Gorman.

Como o sensor opera usando um laser com um comprimento de onda bem caracterizado, pode ser intrinsecamente autocalibrado. E porque os componentes e métodos de fabricação são do mesmo tamanho que aqueles usados ​​rotineiramente na microeletrônica ou fabricação de MEMS, o eventual custo de produção de uma unidade completa deve ser baixo. Mas antes disso, os cientistas do NIST terão que superar vários obstáculos.

"Um deles é a exigente escala de tempo envolvida, "Gorman diz." À medida que a dimensão da cavidade muda, o laser sintonizável não terá mais do que cerca de 100 microssegundos para varrer o comprimento de onda em uma ampla faixa de modo que rastreie o movimento da cavidade. Encontrar um laser barato com esses recursos é outro desafio. Assim como fazer uma conexão de fibra óptica robusta com um dispositivo que vibra a 1000 ciclos por segundo - e, eventualmente, talvez 10 vezes mais rápido. "

"Esperamos que esta tecnologia de microcavidade óptica resulte em acelerômetros implantáveis ​​em campo com precisão intrínseca provavelmente dez vezes melhor do que atualmente possível, "diz John Kramar, o Líder do Grupo de Metrologia em Nanoescala. "Mas o que é ainda mais empolgante é a ampla gama de outros tipos de sensores e aplicações que essa tecnologia poderia melhorar drasticamente, incluindo ultrassom, microfones, altímetros, sensores de pressão, giroscópios, e exploração geofísica. "