혁신적 레이저 기반 가속도계: 초박형, 초정밀 모션 센서

자동차 에어백은 가속도계 덕분에 전개됩니다. 가속도계는 속도의 급격한 변화를 감지하는 센서입니다. 가속도계는 로켓과 비행기를 올바른 비행 경로로 유지하고, 자율주행차의 내비게이션을 제공하며, 휴대폰과 태블릿에서 이미지가 똑바로 유지되도록 회전시키는 등 필수적인 작업을 수행합니다.

연구팀이 기계적 변형 대신 레이저 빛을 사용하여 신호를 생성하는 1mm 두께의 가속도계를 개발했습니다. 빛을 이용하는 다른 가속도계도 몇 가지 있지만, 새로운 기기의 설계는 측정 과정을 더 단순화하여 더 높은 정확도를 제공합니다. 또한 더 넓은 주파수 범위에서 작동하며 유사한 장치보다 더 엄격하게 테스트되었습니다.

기존 가속도계 대비 장점

광학역학적 가속도계는 시중 최고의 상용 가속도계보다 훨씬 더 정밀하며 주기적인 보정이라는 시간 소모적인 과정을 거칠 필요가 없습니다. 사실, 알려진 주파수의 레이저 빛을 사용하여 가속도를 측정하기 때문에, 시중에 나와 있는 다른 가속도계를 보정하는 휴대용 참조 표준으로 궁극적으로 사용될 수 있어 그들을 더 정확하게 만들 수 있습니다. 이 가속도계는 GPS 신호를 사용할 수 없는 경우 군사 항공기, 위성, 잠수함 같은 중요한 시스템의 관성 항법 개선 잠재력도 있습니다.

장치 구조 및 작동 원리

장치는 두 개의 실리콘 칩으로 구성되며, 적외선 레이저 빛이 아래쪽 칩으로 들어가 위쪽 칩에서 나옵니다. 위쪽 칩에는 실리콘 빔에 매달린 증명 질량(proof mass)이 있어 가속도에 반응해 자유롭게 위아래로 움직일 수 있습니다. 증명 질량의 거울 코팅과 아래쪽 칩에 부착된 반구형 거울이 광학 공동을 형성합니다. 적외선 빛의 파장은 공동의 공진 파장과 거의 일치하도록 선택되어, 빛이 두 거울 표면 사이에서 여러 번 반사되며 강도를 높인 후 나갑니다. 장치가 가속도를 경험하면 증명 질량이 움직여 공동 길이를 변화시키고 공진 파장을 이동시킵니다. 이는 반사광 강도를 변화시킵니다. 광학 판독장치는 강도 변화를 가속도 측정값으로 변환합니다.

광학역학적 가속도계는 지구 중력 가속도 g의 320억 분의 1만큼 작은 가속도를 감지합니다. 이는 비슷한 크기와 대역폭의 시중 다른 가속도계보다 높은 감도입니다. 추가 개선을 통해 이 장치는 다른 가속도계를 실험실로 가져가지 않고도 보정할 수 있는 휴대용 고정밀 참조 장치로 사용될 수 있습니다.