Pasadena – Forscher am California Institute of Technology (Caltech) http://caltech.edu haben einen Beschleunigungsmesser entwickelt, der im Gegensatz zu den unter anderem in Smartphones gängigen Modellen auf optischer Basis arbeitet. Der Prototyp ist extrem kompakt, hochpräzise und kann Beschleunigungen tausendmal schneller erfassen als die besten derzeitigen Sensoren. Die Wissenschaftler sind überzeugt, dass derart empfindliche Mikrosensoren gewaltiges Anwendungspotenzial haben – von besserer Handy-Navigation in Innenräumen bis hin zur Suche nach Öl- und Gasvorkommen tief unter der Erde.
Optisch genau, aber kompakt
Beschleunigungsmesser sind heute allgegenwärtig, sie kommen unter anderem in Airbag-Systemen und für die Bewegungserkennung in Smartphones zum Einsatz. Die Sensoren funktionieren durch die Messung von Verschiebungen einer flexibel befestigten Testmasse. Bislang ist der dazu genutzte Detektor normalerweise elektronisch, doch das Caltech-Team setzt auf eine optische Messung. Denn das verspricht höchste Präzision: Der Sensor bemerkt schon Verschiebungen von wenigen Femtometern – etwa der Radius eines Protons – innerhalb einer Sekunde.
„Was unsere Arbeit wirklich zeigt, ist, dass wir einen Silizium-Mikrochip hernehmen und das Konzept eines großskaligen optischen Interferometers bis auf die Nanoskala reduzieren können“, betont Oskar Painter, Professor für Experimentalphysik am Caltech. Denn das Funktionsprinzip ähnelt den mehrere Kilometer großen Sensoren des Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory http://www.ligo.caltech.edu , welche die in der Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagten Gravitationswellen nachweisen sollen. Der neue Sensor kommt aber mit einem optischen Resonator einiger Mikrometer Größe aus.
Präzises Potenzial garantiert
Wie das Team in Nature Photonics berichtet, bietet ihr System mit Lichtsensor und einer entsprechend winzigen Testmasse einen weiteren interessanten Vorteil. „In unserem Gerät wirkt das Licht mit einer Kraft, die die thermische Bewegung reduziert und das System kühlt“, erklärt Painter. Durch die Kühlung auf effektiv etwa drei Kelvin (minus 270 Grad) gibt es praktisch kein thermisches Rauschen und somit höchste Präzision. Der Sensor kann dadurch sowohl extrem große wie auch sehr kleine Beschleunigungen sehr genau messen.
Den Wissenschaftler schwebt nun vor, den optischen Beschleunigungsmesser mit Laser und Detektor in einen Silizium-Mikrochip zu integrieren. Da Mikroelektronik-Unternehmen seit über einem Jahrzehnt an der Integration optischer Elemente in Chips arbeiten, hält Painter das für prinzipiell machbar, doch werde es noch einiges an Arbeit erfordern. Langfristig könnte das aber entsprechende Verbesserungen in Elektronikprodukten bedeuten. Ein Beispiel ist eben eine wirklich präzise Innenraum-Navigation mittels Smartphones – hier ist die relative Ungenauigkeit heutiger Beschleunigungsmesser ein Hindernis.
pressetext.redaktionAnsprechpartner: Thomas Pichler
Unter dem Mikroskop: Beschleunigungsmesser mit Testmasse (Foto: Martin Winger)