Каким будет следующее поколение микросенсоров

Представьте себе, что по магазину больше не придется блуждать в поисках необходимых продуктов.

А поможет в этом, предположим, сотовый телефон, который не только покажет, где именно продаются сдобные булочки, но и продемонстрирует актуальный ценник.

Электронная индустрия наверняка реализует данную идею, но сначала для этого необходимо создать следующее поколения микросенсоров. Впрочем, совсем скоро идея уже не будет казаться фантастической или инновационой: достаточно вспомнить, каким новшеством казались нам электронные карты и брелки для доступа в помещения, как на сайте www.key-copy.ru. Они и сейчас в ходу, и настолько привычны, что не воспринимаются обычными полезными устройствами.

С помощью ультрачувствительного акселерометра — типа детектора движения — разработанного учеными из Калифорнийского технологического института и университета Рочестера, этот новый класс микросенсоров теперь стал еще реальней. За пределами бытовой электроники подобные сенсоры могли помочь с газовой и нефтяной разведкой в недрах земли, способны были улучшить системы стабилизации реактивных истребителей и даже могли использоваться в биомедицине, где не работают более традиционные сенсоры.

Профессор прикладной физики Оскар Пэйнтер с коллегами описали новое устройство и его возможности в издании Nature Photonics.

Вместо задействования электрической схемы для измерения движения акселерометр ученых использует лазерный луч. Несмотря на крошечный размер устройства, это весьма чувствительный датчик движения. Благодаря низкой массе его можно использовать в широком диапазоне частот, а это значит, что он чувствителен к движениям, которые происходят за десятки микросекунд, то есть в тысячи раз быстрее, чем движения, которые могут обнаружить наиболее чувствительные из используемых сегодня сенсоров.

«Новая разработка показала, что оптические высокоэффективные сенсоры действительно возможны, и наступит день, когда они появятся на рынке», сказал Пэйнтер.

Хотя среднестатистический человек, возможно, не замечает их, микрочиповые акселерометры весьма распространены в нашей жизни. Они используются в системах развертывания автомобильных подушек безопасности, в навигационных приборах, а в сочетании с другими датчиками — в камерах и сотовых телефонах. Они успешно коммерциализируются, поскольку легко изготавливаются и стоят недорого.

Акселерометры работают на основе чувствительного датчика смещения для измерения движения гибко установленной массы, называемой доказательной массой. Традиционно такой датчик представляет собой электрическую схему. Однако поскольку лазерный луч — один из наиболее чувствительных способов измерения положения, у разработчиков возник интерес в создании такого устройства с оптическим считыванием. Например, проекты, такие как лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO), основанная на оптических интерферометрах, использующих отражение лазерных лучей от зеркал, разделенных километрами расстояния, для чувствительного измерения относительного движения в конечных зеркалах. Лазеры могут обладать низкими шумами и обычно ограничены квантовыми свойствами света, а потому им легче обнаружить даже самые незначительные движения.

Люди с ограниченным успехом изготавливали миниатюрные версии таких крупномасштабных интерферометров. Одним камнем преткновения для миниатюризации было то, что чем ниже доказательная масса, тем большее отмечалось движение с ускорением датчика. Так обычно легче обнаружить ускорение с большими датчиками. Кроме того, имея дело со светом, а не с электронами, как в оптических акселерометрах, сложно интегрировать все компоненты (лазеры, детекторы и интерферометр) в микроупаковку.

„В действительности наша работа показывает, что мы можем взять кремниевый микрочип и измерить эту концепцию крупномасштабного оптического интерферометра полностью вплоть до наномасштаба“, сказал Пэйнтер. „Решение — небольшой оптический резонатор, который мы разработали для считывания движения“.

Оптический резонатор длиной примерно 20 микронов (миллионных долей метра), шириной 1 микрон и толщиной несколько десятых долей микрона. Он состоит из двухкремниевых нанолучей, расположенных словно две стороны застежки-молнии, с одной стороной, приложенной к доказательной массе. Когда в систему попадает лазерный луч, нанолучи действуют как световод, направляя свет в область, где он скачет вперед и назад между отверстиями в нанолучах. Когда связанная доказательная масса смещается, она изменяет пространство между двумя нанолучами, что приводит к смене интенсивности лазерного луча, отражаемого в системе. Отраженный лазерный сигнал на самом деле чрезвычайно чувствителен к движению доказательной массы со смещениями в несколько фемтометров (примерный диаметр протона) в течение секунды.

Поскольку резонатор и доказательная масса столь малы, отражающийся вперед и назад свет в системе толкает доказательную массу, и весьма оригинальным способом: когда она отодвигается, свет помогает толкать ее дальше, а когда они придвигается ближе, свет втягивает ее. Если говорить короче, то лазерный луч смягчает и глушит движение доказательной массы.

„Большинство датчиков ограничивается тепловыми помехами или механическими колебаниями — прикладываемые ускорения теряются в таком шуме“, сказал Пэйнтер. „В нашем устройстве свет прикладывает силу, которая снижает температурные колебания, охлаждая систему“. Это охлаждение — до температуры в 3 градуса по Кельвину в текущих устройствах — увеличивает диапазон измеряемых устройством ускорений, делая его способным измерять и экстремально малые, и экстремально большие ускорения.

„Мы сделали весьма чувствительный датчик, который способен измерить значительные ускорения, ценные для многих назначений“, сказал Пэйнтер.

Ученые предполагают интегрировать акселерометры с детекторами и лазерами в кремниевые микрочипы. Компании по производству микроэлектроники последние 10-15 лет работали над попытками интегрировать лазеры и оптику в свою продукцию. По словам Пэйнтера, потребуется еще множество усилий, чтобы превратить желаемое в реальное.

18.10.2012