Любой владелец смартфона или планшетного компьютера знает, что акселерометр является одним из ключевых датчиков этих устройств, который позволяет телефону узнать, когда, куда и насколько он был перемещен. У акселерометров есть масса и других применений, к примеру, в инерционных навигационных системах и системах стабилизации видеокамер. В скором будущем все функции электронных устройств, так или иначе связанные с акселерометрами, будут работать намного лучше благодаря усилиям исследователей из Калифорнийского технологического института, которые разработали новый тип малогабаритного лазерного акселерометра, характеристики которого во много раз превосходят характеристики существующих твердотельных акселерометров.
В своем большинстве акселерометры являются микроэлектромеханическими системами, использующими электрические цепи для измерения перемещения микроскопического объекта, называемого измерительным телом. Это измерительное тело установлено внутри акселерометра на гибких пружинных подвесках и любое перемещение всего устройства заставляет измерительное тело перемещаться относительно своего изначального положения, нулевой точки. В новом лазерном акселерометре Калифорнийского технологического института электрические измерительные цепи заменены лазерным светом, что позволило добиться небывалой точности и быстродействия этого датчика.
Ученые изготовили на поверхности кремниевого чипа так называемую оптическую впадину, углубление 20 микронов длиной, один микрон шириной и глубиной в несколько десятых долей микрона. Через эту впадину проходят, два параллельных кремниевых рельса, которые являются световодом для микроскопических лучей лазерного света. Свет лазера, пройдя по “рельсовому” световоду, отражается несколько раз вперед-назад и покидает пределы оптической впадины.
Измерительное тело акселерометра установлено на одной из “рельс” световода. Когда оно перемещается, оно заставляет перемещаться и сам рельс, который обладает некоторой гибкостью, изменяя величину промежутка оптического волновода. Все это сказывается на интенсивности и поляризации света, выходящего из оптической впадины. Анализируя интенсивность света, такой акселерометр может зарегистрировать движение самой малой величины.
Согласно информации, опубликованной учеными в журнале Nature Photonics, акселерометр может зарегистрировать перемещение измерительного тела на несколько фемтометров, приблизительно диаметр протона. Такие крошечные перемещения не могут происходить медленно, но акселерометр справляется и с этой задачей, он способен регистрировать движение, которое длится всего десятки микросекунд времени, что в тысячи раз лучше, чем это могут сделать самые лучшие современные датчики-акселерометры.
Но, прежде чем новые акселерометры попадут внутрь смартфонов и другой потребительской электроники, ученые и инженеры должны выяснить метод, который позволит объединить на одном кремниевом кристалле лазеры, оптические цепи и кремниевую микроэлектронику. При этом, производственный процесс должен быть достаточно простым для того, что бы само производство было рентабельным при достаточно низкой стоимости конечного изделия.
