Revolutionärer laserbasierter Beschleunigungsmesser: Ultra-dünn, ultra-präziser Bewegungssensor

Ein Automobilairbag löst dank eines Beschleunigungsmessers aus – eines Sensors, der plötzliche Geschwindigkeitsänderungen detektiert. Beschleunigungsmesser halten Raketen und Flugzeuge auf dem korrekten Flugpfad, liefern Navigation für selbstfahrende Autos und drehen Bilder, damit sie auf Handys und Tablets aufrecht bleiben, neben anderen essenziellen Aufgaben.

Innovation

Ein Forscherteam hat einen einen Millimeter dicken Beschleunigungsmesser entwickelt, der Laserlicht statt mechanischer Dehnung zur Signalgenerierung nutzt. Obwohl einige andere Beschleunigungsmesser auch auf Licht basieren, macht das Design des neuen Instruments den Messprozess unkomplizierter und liefert höhere Genauigkeit. Er arbeitet auch über einen größeren Frequenzbereich und wurde rigoroser getestet als ähnliche Geräte.

Der optomechanische Beschleunigungsmesser ist weit präziser als die besten kommerziellen Beschleunigungsmesser und benötigt nicht den zeitaufwendigen Prozess periodischer Kalibrierungen. Tatsächlich könnte das Instrument, da es Laserlicht einer bekannten Frequenz zur Beschleunigungsmessung nutzt, letztlich als tragbarer Referenzstandard dienen, um andere auf dem Markt befindliche Beschleunigungsmesser zu kalibrieren und sie genauer zu machen. Der Beschleunigungsmesser hat auch das Potenzial, die Trägheitsnavigation in kritischen Systemen wie Militärflugzeugen, Satelliten und U-Booten zu verbessern, besonders wenn kein GPS-Signal verfügbar ist.

Aufbau und Funktionsweise

Das Gerät besteht aus zwei Siliziumchips, wobei Infrarotlaserlicht am unteren Chip eintritt und am oberen austritt. Der obere Chip enthält eine Prüftmasse, die an Siliziumbalken aufgehängt ist, was der Masse ermöglicht, frei auf und ab zu bewegen als Reaktion auf Beschleunigung. Eine Spiegelbeschichtung auf der Prüftmasse und ein hemisphärischer Spiegel am unteren Chip bilden einen optischen Resonator. Die Wellenlänge des Infrarotlichts wird so gewählt, dass sie fast der Resonanzwellenlänge des Hohlraums entspricht, sodass das Licht an Intensität aufbaut, während es viele Male zwischen den beiden gespiegelten Oberflächen hin und her reflektiert, bevor es austritt. Erlebt das Gerät eine Beschleunigung, bewegt sich die Prüftmasse, ändert die Länge des Hohlraums und verschiebt die Resonanzwellenlänge. Dies ändert die Intensität des reflektierten Lichts. Ein optisches Auslesesystem wandelt die Intensitätsänderung in eine Beschleunigungsmessung um.

Der optomechanische Beschleunigungsmesser detektiert Beschleunigungen von nur 32 Milliardstel eines g, wobei g die Erdbeschleunigung ist. Das ist eine höhere Sensitivität als andere aktuell auf dem Markt erhältliche Beschleunigungsmesser mit ähnlicher Größe und Bandbreite. Mit weiteren Verbesserungen könnte das Gerät als tragbares, hochpräzises Referenzgerät genutzt werden, um andere Beschleunigungsmesser zu kalibrieren, ohne sie in ein Labor bringen zu müssen.