[論文レビュー] Compact fully monolithic optomechanical accelerometer

Felipe Guzmán, Lee Kumanchik+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2018

Mechanical and Optical Resonators参考文献 11被引用数 9

ひとこと要約

この論文では、1枚の融珪酸ガラスウエハから作られたコンパクトで完全にモノリシックなオプトメカニカル加速度計が提示されている。体積は2 cm³未満、質量は約4 gであり、加速度計のマスをミラーとして使用するモノリシックに統合されたファブリ・ペロー干渉計により高い感度を達成している。これにより、10⁻¹² m/√Hzの変位分解能と、1 Hzを超える周波数帯で100 ng/√Hzから1 μg/√Hzの加速度感度が実現され、50 kgの画期的なmQ積を達成した。

ABSTRACT

We present a highly compact and fully monolithic optomechanical accelerometer fabricated of a single wafer of fused-silica with a total volume of less than 2cc and a total mass of approximately 4 grams. This sensor demonstrates an unprecedented mQ-product of 50kg, highlighting its unique capabilities for reaching high sensitivity in acceleration sensing. The sensor includes a monolithically co-fabricated Fabry-Perot interferometer that uses the accelerometer test mass as a mirror to measure its displacement in orders of 10-12 m/rtHz, reaching acceleration sensitivities to the order of 100 ng/rtHz - 1 ug/rtHz above 1 Hz.

研究の動機と目的

• 高感度な加速度センシングを実現する、非常にコンパクトで完全にモノリシックなオプトメカニカル加速度計の開発を目的とする。
• 単一ウエハプロセスを用いることで、従来の加速度計のサイズ、質量、統合性に関する制限を克服することを目的とする。
• マスをミラーとして直接統合したファブリ・ペロー干渉計を用いることで、高い感度を達成することを目的とする。
• 50 kgの記録的なmQ積を実証し、超低ノイズの加速度測定を可能にする。

提案手法

• 精密エッチングおよびマイクロフォーミング技術を用いて、1枚の融珪酸ガラスウエハから加速度計をプロセスした。
• マスを1枚のミラーとして使用するモノリシックに統合されたファブリ・ペローキャビティを形成し、光学的変位センシングを可能にした。
• マスの変位に伴う光路長の変化を、ナノメートル未満の分解能で干渉計的に測定した。
• 熱的および機械的ノイズを低減するため、真空環境でセンサが動作するようにした。
• 融珪酸ガラスの高いQファクターとモノリシック統合を活用し、機械的損失と環境への結合を低減した。
• マス、サスペンション、光学キャビティを含む全システムを1工程のプロセスで同時に形成した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1枚のウエハから完全にモノリシックなオプトメカニカル加速度計をプロセスすることで、高感度とコンパクトネスを実現できるか？
• RQ2 コンパクトでモノリシックなオプトメカニカル加速度計設計で達成可能なmQ積はどの程度か？
• RQ3 2 cm³未満の体積と4 g未満の質量を持つデバイスで、約10⁻¹² m/√Hzの変位感度をどの程度実現できるか？
• RQ4 ハイブリッドアセンブリと比較して、モノリシック統合は安定性とノイズ性能をどのように向上させるか？
• RQ5 このようなコンパクトで完全に統合されたシステムで、1 Hzを超える周波数帯でどの程度の加速度感度が達成できるか？

主な発見

• デバイスは約10⁻¹² m/√Hzの変位分解能を達成し、高精度な加速度センシングを可能にした。
• 加速度計は1 Hzを超える周波数帯で100 ng/√Hzから1 μg/√Hzの加速度感度を示した。
• 全体の体積は2 cm³未満、質量は約4 グラムであり、非常にコンパクトである。
• mQ積は50 kgに達し、オプトメカニカルセンサの性能向上において画期的な前進を示した。
• ファブリ・ペローキャビティとマスのモノリシック統合により、高い機械的安定性とノイズ結合の低減が実現された。
• 真空環境で効果的に動作し、熱的および機械的干渉を低減した。