Ilustração de um acelerômetro optomecânico, que usa luz para medir a aceleração. O dispositivo NIST consiste em dois chips de silício, com luz laser infravermelha entrando no chip inferior e saindo no topo. O chip superior contém uma massa de prova suspensa por vigas de silício, o que permite que a massa se mova para cima e para baixo livremente em resposta à aceleração. Um revestimento espelhado na massa de prova e um espelho hemisférico preso ao chip inferior formam uma cavidade óptica. O comprimento de onda da luz infravermelha é escolhido de modo que quase corresponda ao comprimento de onda ressonante da cavidade, permitindo que a luz aumente em intensidade conforme ela salta para frente e para trás entre as duas superfícies espelhadas muitas vezes antes de sair. Quando o dispositivo experimenta uma aceleração, a massa de prova se move, mudar o comprimento da cavidade e mudar o comprimento de onda ressonante. Isso altera a intensidade da luz refletida. Uma leitura óptica converte a mudança de intensidade em uma medida de aceleração. Crédito:F. Zhou / NIST
Você está indo no limite de velocidade por uma estrada de duas pistas quando um carro sai disparado de uma garagem à sua direita. Você pisa no freio, e dentro de uma fração de segundo após o impacto, um airbag infla, salvando você de ferimentos graves ou até mesmo da morte.
O airbag é implantado graças a um acelerômetro - um sensor que detecta mudanças repentinas na velocidade. Os acelerômetros mantêm foguetes e aviões na trajetória de vôo correta, fornecem navegação para carros autônomos, e girar as imagens para que fiquem com o lado direito para cima em celulares e tablets, entre outras tarefas essenciais.
Atendendo à crescente demanda para medir com precisão a aceleração em sistemas de navegação menores e outros dispositivos, pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) desenvolveram um acelerômetro de um mero milímetro de espessura que usa luz laser em vez de tensão mecânica para produzir um sinal.
Embora alguns outros acelerômetros também dependam da luz, o design do instrumento NIST torna o processo de medição mais simples, fornecendo maior precisão. Ele também opera em uma faixa maior de frequências e foi testado com mais rigor do que dispositivos semelhantes.
Não é apenas o dispositivo NIST, conhecido como acelerômetro optomecânico, muito mais preciso do que os melhores acelerômetros comerciais, ele não precisa passar pelo processo demorado de calibrações periódicas. Na verdade, porque o instrumento usa luz laser de uma frequência conhecida para medir a aceleração, pode, em última análise, servir como um padrão de referência portátil para calibrar outros acelerômetros agora no mercado, tornando-os mais precisos.
O acelerômetro também tem o potencial de melhorar a navegação inercial em sistemas críticos como aeronaves militares, satélites e submarinos, especialmente quando um sinal de GPS não está disponível. Pesquisadores do NIST Jason Gorman, Thomas LeBrun, David Long e seus colegas descrevem seu trabalho no jornal Optica .
O estudo faz parte do NIST on a Chip, um programa que leva a tecnologia e a experiência da ciência de medição de ponta do instituto diretamente aos usuários do comércio, Medicina, defesa e academia.
Acelerômetros, incluindo o novo dispositivo NIST, registrar mudanças na velocidade rastreando a posição de uma massa em movimento livre, apelidado de "massa de prova, "em relação a um ponto de referência fixo dentro do dispositivo. A distância entre a massa de prova e o ponto de referência muda apenas se o acelerômetro diminuir, acelera ou muda de direção. O mesmo se aplica se você for um passageiro de carro. Se o carro estiver em repouso ou se movendo em velocidade constante, a distância entre você e o painel permanece a mesma. Mas se o carro freia de repente, você é jogado para a frente e a distância entre você e o painel diminui.
O movimento da massa de prova cria um sinal detectável. O acelerômetro desenvolvido por pesquisadores do NIST se baseia na luz infravermelha para medir a mudança na distância entre duas superfícies altamente reflexivas que marcam uma pequena região do espaço vazio. A massa de prova, que é suspenso por vigas flexíveis de um quinto da largura de um cabelo humano para que possa se mover livremente, suporta uma das superfícies espelhadas. A outra superfície refletora, que serve como ponto de referência fixo do acelerômetro, consiste em um espelho côncavo microfabricado imóvel.
Juntos, as duas superfícies refletoras e o espaço vazio entre elas formam uma cavidade na qual a luz infravermelha do comprimento de onda certo pode ressoar, ou saltar para a frente e para trás, entre os espelhos, aumentando em intensidade. Esse comprimento de onda é determinado pela distância entre os dois espelhos, tanto quanto a afinação de uma guitarra dedilhada depende da distância entre o traste e a ponte do instrumento. Se a massa de prova se move em resposta à aceleração, mudando a separação entre os espelhos, o comprimento de onda ressonante também muda.
Para rastrear as mudanças no comprimento de onda ressonante da cavidade com alta sensibilidade, um laser de frequência única estável é travado na cavidade. Conforme descrito em uma publicação recente em Cartas de Óptica , os pesquisadores também empregaram um pente de frequência óptica - um dispositivo que pode ser usado como uma régua para medir o comprimento de onda da luz - para medir o comprimento da cavidade com alta precisão. As marcas da régua (os dentes do pente) podem ser vistas como uma série de lasers com comprimentos de onda igualmente espaçados. Quando a massa de prova se move durante um período de aceleração, encurtando ou alongando a cavidade, a intensidade da luz refletida muda conforme os comprimentos de onda associados aos dentes do pente entram e saem da ressonância com a cavidade.
Converter com precisão o deslocamento da massa de prova em uma aceleração é uma etapa crítica que tem sido problemática na maioria dos acelerômetros optomecânicos existentes. Contudo, o novo design da equipe garante que a relação dinâmica entre o deslocamento da massa de prova e a aceleração seja simples e fácil de modelar por meio dos primeiros princípios da física. Resumidamente, a massa de prova e as vigas de suporte são projetadas de modo que se comportem como uma mola simples, ou oscilador harmônico, que vibra em uma única frequência na faixa de operação do acelerômetro.
Essa resposta dinâmica simples permitiu aos cientistas atingir baixa incerteza de medição em uma ampla faixa de frequências de aceleração - 1 quilohertz a 20 quilohertz - sem nunca ter que calibrar o dispositivo. Este recurso é único porque todos os acelerômetros comerciais precisam ser calibrados, o que é demorado e caro. Desde a publicação de seu estudo em Optica , os pesquisadores fizeram várias melhorias que devem diminuir a incerteza do dispositivo para quase 1%.
Capaz de detectar deslocamentos da massa de prova com menos de um centésimo milésimo do diâmetro de um átomo de hidrogênio, o acelerômetro optomecânico detecta acelerações tão pequenas quanto 32 bilionésimos de um g, onde g é a aceleração devido à gravidade da Terra. Essa é uma sensibilidade maior do que todos os acelerômetros agora no mercado com tamanho e largura de banda semelhantes.
Com mais melhorias, o acelerômetro optomecânico NIST pode ser usado como um portátil, dispositivo de referência de alta precisão para calibrar outros acelerômetros sem ter que levá-los para um laboratório.
