[논문 리뷰] Compact fully monolithic optomechanical accelerometer

Felipe Guzmán, Lee Kumanchik외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 10. 16.

Mechanical and Optical Resonators참고 문헌 11인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 단일 퓌즈실리카 웨이퍼에서 제작된 컴act하고 완전히 단일체화된 광mechanical 가속도계를 제시한다. 부피는 2 cm³ 이하이며 무게는 약 4 g이다. 이 가속도계는 증명질량을 거울로 사용하는 단일체화된 파브리-페로 간섭계를 통해 고감도를 구현하며, 이로 인해 이격거리 해상도는 약 10⁻¹² m/√Hz, 가속도 감도는 1 Hz 이상에서 100 ng/√Hz에서 1 μg/√Hz에 이르며, 기존에 없었던 50 kg의 mQ-곱을 달성한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고감도 가속도 측정을 위한 매우 컴 pact하고 완전히 단일체화된 광mechanical 가속도계 개발
• 단일 웨이퍼 제작 공정을 통해 전통적 가속도계의 크기, 무게, 통합도의 한계를 극복하기
• 증명질량을 거울로 사용하는 파브리-페로 간섭계를 직접 통합함으로써 고감도 달성
• 기록적인 50 kg의 mQ-곱을 입증함으로써 초저소음 가속도 측정 가능

제안 방법

• 정밀 에칭 및 마이크로제작 기술을 사용하여 단일 퓌즈실리카 웨이퍼에서 가속도계를 제작함
• 증명질량이 한 면 거울이 되는 단일체화된 파브리-페로 공진기 구조를 형성함으로써 광학적 이격거리 측정 가능
• 증명질량의 이동에 의해 발생하는 광로 길이 변화를 나노미터 이하의 해상도로 간섭계적으로 측정함
• 열적 및 기계적 노이즈를 최소화하기 위해 진공 환경에서 작동함으로써 감도 향상
• 퓨즈실리카의 높은 Q 인자와 단일체화 통합을 활용하여 기계적 손실과 환경 영향을 감소함
• 증명질량, 지지 구조, 광학 공진기 등 전체 시스템이 한 번의 공정 단계에서 함께 제작됨

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 웨이퍼에서 완전히 단일체화된 광mechanical 가속도계를 제작하여 고감도와 컴 pact함을 달성할 수 있는가?
• RQ2 컴 pact하고 단일체화된 광mechanical 가속도계 설계에서 달성 가능한 mQ-곱은 얼마인가?
• RQ3 2 cm³ 이하의 부피와 4 g 이하의 무게를 가진 장치에서 약 10⁻¹² m/√Hz의 이격거리 감도를 얼마나 잘 실현할 수 있는가?
• RQ4 하이브리드 조립 대비 단일체화 통합이 안정성과 노이즈 성능 향상에 얼마나 기여하는가?
• RQ5 이와 같은 컴 pact하고 완전히 통합된 시스템에서 1 Hz 이상의 주파수 대역에서 달성 가능한 가속도 감도는 얼마인가?

주요 결과

• 장치는 약 10⁻¹² m/√Hz의 이격거리 해상도를 달성하여 고정밀 가속도 측정 가능
• 1 Hz 이상의 주파수 범위에서 가속도 감도가 100 ng/√Hz에서 1 μg/√Hz에 이르며 성능을 보임
• 총 부피는 2 cm³ 이하, 무게는 약 4 gram으로 매우 컴 pact함
• mQ-곱이 50 kg에 도달하여 광mechanical 센서 성능 향상에 있어 중요한 도약을 이룸
• 파브리-페로 공진기와 증명질량의 단일체화 통합은 높은 기계적 안정성과 낮은 노이즈 커플링 보장
• 진공 환경에서 효과적으로 작동하여 열적 및 기계적 간섭 최소화 가능