美加利福尼亚理工学院研制出微传感器加速计——使用激光的超灵敏设备

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在美国加州理工学院和罗切斯特大学,研究人员已经开发出一种超灵敏的微传感器加速度计。这种设备使用激光探测运动,尽管设备很小,它仍旧能够极其敏感地探测运动。由于其低质量,它还可以在一个大范围的频段内运行,这意味着它能够探测到发生在几十微秒内的运动,比现在使用的传感器可以探测到快数千倍的运动。

加州理工学院的应用物理学教授Oskar Painter和他的团队在《自然光子学》杂志上这样描述新设备及其功能:“我们设计的这种新的工程结构表明,超高性能的光学传感器是可实现的,并且可以使之小型化和集成到其他产品里,从而将来能够有一天实现商业化。” Painter同时也是加州理工学院Kavli纳米科学研究所的主任。

“我们的研究目的是将硅微芯片的原理扩展到大型光学干涉仪,并将其缩减至纳米量级,其中的关键则是用于读数的微型光学谐振腔。(optical cavity)”,加州理工学院的Oskar Painter介绍道。该微型光学谐振腔大约只有20μm长,一个微米宽,和零点几微米厚。它有两个硅纳米束,就像一个拉链的两边,其中一边悬挂着检测质量块。

当激光进入该系统,纳米束就像个光导管一样引导光线进入一个区域,在这个区域里光纳米束的空穴之间来回反射。当链式检测质量块移动时,两个纳米束的间距也随之改变,从而改变从系统中反射出来的激光的强度。由于从系统中反射出来的激光信号对检测质量块运动极其敏感,在大约一秒之内可以探测到小至几飞米(毫微微米)(大约一个质子的直径)的位移。

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成形在硅微芯片表面上光机械加速计阵列的扫描电子显微镜图。绿色区域表示悬挂在芯片的纳米蚀刻区域的检测质量块。(图片来自Martin Winger)

事实证明,因为谐振腔和检测质量块如此之小,在系统中来回反射的光线以一种特殊的方式推动检测质量块。简而言之,激光弱化或抑制检测质量块的运动。

“大多数传感器是完全受制于热噪声或机械振动……”,Painter指出,“在我们的设备中,光起到减少热运动和冷却系统的作用。”目前的设备可以冷却到3k(约-270℃),显著增加可以探测加速度的范围,从而使该设备可以测量非常小的加速度和非常大的加速度。

该研究团队设想其光学加速计可以和激光、探测器一起集成在硅芯片内。过去10~15年来,一些微电子公司一直试图将激光和光学设备整合到他们的硅微电子产品中。Painter说,这还需要大量工程方面的工作,但是,由于这些公司已经实现的技术进展,实际上已经可以开始制造这些非常敏感的光学干涉仪的微版本产品。

该论文的主要作者包括亚历山大·克劳斯和蒂姆·布拉乌斯(加州理工学院的研究生),Martin Winger (前博士后学者,现工作在瑞士苏黎世的一个名为Sensirion的传感器公司)。该项研究工作是在Painter 小组成员、前博士后Qiang Lin 的协作下完成的,Qiang Lin目前带领自己的研究小组在罗切斯特大学进行科研。这项工作获得美国国防高级研究项目管理QuASaR计划以及美国国家科学基金会支持。更多有关信息,请访问www.aph.caltech.edu/people/painter_o.html

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