Dünyadaki en küçük optik jiroskop: bir pirinç tanesinden daha küçük!
Kılavuz
Son zamanlarda, California Teknoloji Enstitüsü'ndeki mühendisler yeni bir optik jiroskop türü geliştirdiler. Bu jiroskobun boyutu, mevcut son teknoloji jiroskop ekipmanının beşte birinden daha azdır ve tespit edilen faz kayması, bu sistemler tarafından tespit edilenlerin otuzda birinden daha azdır.
arka fon
Jiroskop, yönü algılamak ve sürdürmek için kullanılan, açısal momentumun korunumu teorisine dayalı olarak tasarlanmış bir cihazdır. Jiroskop tekerleğin açısal momentumu nedeniyle dönmeye başladığında, jiroskop yön değişikliklerine direnme eğilimindedir.
Basitçe ifade etmek gerekirse, dönen bir nesnenin dönme ekseninin gösterdiği yön, dış kuvvetlerden etkilenmediğinde değişmeyecektir. Top oynayan arkadaşlar, topaç bir dış kuvvetle karşılaştığında, ekseninin dış kuvvetin yönüyle değişmeyeceğini bileceklerdir. Ayrıca bisiklet sürmek de bu prensibi kullanır. Tekerlek ne kadar hızlı dönerse düşme olasılığı o kadar azdır.
(Resim kaynağı: Wikipedia)
Jiroskopların en yaygın uygulamaları navigasyon ve konumlandırmadır. Örneğin, araçlar, dronlar, giyilebilir ve elde tutulan elektronik cihazlar, üç boyutlu uzayda yönlerini bilmek için jiroskopları kullanacaktır.
İlk başta, jiroskop bir dizi iç içe geçmiş volan rotoruydu ve her bir volan rotoru farklı bir eksen etrafında dönüyordu. Ancak şimdi telefonunuzu açtığınızda bulduğunuz şey bu geleneksel jiroskop değil. İçerideki jiroskop, modern jiroskop olan bir mikroelektromekanik sensördür (MEMS).
Arduino Uno kartına bağlı Gyro dijital modül (resim kaynağı: Wikipedia)
Geleneksel bir jiroskop, sürekli dönen bir nesnedir ve onu taşıyan desteğin dönüşüyle dönme ekseninin yönü değişmez. Bununla birlikte, bu kadar karmaşık ve devasa bir yapıyı, mikromekanik teknoloji kullanarak bir silikon plaka üzerinde işlemek çok zordur.
Bu nedenle, MEMS jiroskopları farklı çalışma prensipleri kullanır. Geleneksel jiroskopların özelliklerine dayanarak, MEMS jiroskopları, ekipmanın minyatürleştirilmesini sağlamak için Coriolis gücünü kullanır. Basitçe söylemek gerekirse, ilke şudur: Coriolis kuvvetini, içinde küçük bir kapasite değişimi oluşturmak için kullanın ve ardından açısal hızı hesaplamak için kapasitansı ölçün.
Bununla birlikte, bu MEMS jiroskoplarının hassasiyeti sınırlıdır, bu nedenle bilim adamları optik jiroskoplar geliştirmiştir. Optik jiroskoplar aynı işlevi görebilir, ancak hareketli parçaları yoktur ve çok daha doğrudur. Bunun nedeni, optik jiroskobun, ışık yayılımının özellikleri aracılığıyla optik yol farkını ölçerek açısal dönme hızını hesaplamak için "Sagnac etkisi" adı verilen fiziksel bir fenomeni kullanmasıdır.
"Sagnac etkisi" nedir? Fransız fizikçi Georges Sagnac'ın adını taşıyan Sagnac etkisi, Einstein'ın genel görelilik teorisine dayanan optik bir fenomendir. 1913'te Sagnac, dönebilen bir toroidal interferometre icat etti. Aynı ışık kaynağından gelen bir ışık demetini iki ışına bölün, bir hafta boyunca aynı döngüde zıt yönlerde dolaşmalarına izin verin ve sonra buluşup ekrana müdahale edin. Döngü düzleminde dönme açısal bir hız olduğunda, ekrandaki girişim saçakları hareket edecektir, bu da Sagnac etkisidir. Sagnac etkisindeki saçak hareketlerinin sayısı, interferometrenin açısal hızının ve döngü tarafından çevrelenen alanın çarpımı ile orantılıdır.
Bugün, en küçük yüksek performanslı optik jiroskop hala bir golf topundan daha büyüktür, bu nedenle birçok taşınabilir cihazda kullanılamaz. Optik jiroskop küçüldükçe, Sagnac etkisini yakalayan sinyal zayıflar ve zayıflar, bu nedenle hareketi algılamak için jiroskop kullanmanın zorluğu gittikçe artmaktadır. Şimdiye kadar, bu sorun hala optik jiroskopların minyatürleştirilmesini engelliyor.
Yenilikçilik
Son zamanlarda, Mühendislik ve Uygulamalı Bilimler Bölümü'nde elektrik mühendisliği ve tıp mühendisliği profesörü olan Ali Hajimiri'nin önderliğinde Kaliforniya Teknoloji Enstitüsü'ndeki mühendisler, yeni bir optik jiroskop türü geliştirdiler. Bu jiroskobun boyutu, mevcut son teknoloji jiroskop ekipmanının beşte birinden daha azdır ve tespit edilen faz kayması, bu sistemler tarafından tespit edilenlerin otuzda birinden daha azdır. Nature Photonics dergisinde yayınlanan bir makale, cihazı ayrıntılı olarak anlattı.
Kontrast olarak pirinç taneleri içeren optik bir jiroskop (resim kaynağı: Ali Hajimiri)
Makalenin başlığı: "Karşılıklı duyarlılığı artıran nanofotonik optik jiroskop". Yüksek lisans öğrencisi Parham Khial, makalenin baş yazarı ve lisans öğrencisi Alexander White, makalenin ortak yazarlarından biridir. Bu araştırma, Rosenberg İnovasyon Programı tarafından desteklendi.
teknoloji
Hajimiri'nin laboratuvarı tarafından tasarlanan yeni tip jiroskop, "karşılıklı hassasiyet geliştirme" adı verilen yeni bir teknolojinin kullanılması sayesinde performansı artırabilir. Burada "karşılıklı", jiroskopun içindeki iki ışık ışınını aynı şekilde etkilediği anlamına gelir. Sagnac etkisi, zıt yönlerde hareket eden iki ışık ışını arasındaki farkı tespit etmeye dayandığından, ilişkisiz olarak kabul edilir. Jiroskobun içinde ışık, minyatürleştirilmiş optik dalga kılavuzlarından (ışığı ileten borular, elektrik ileten tellerin rolüne benzer şekilde) iletilir. Işık yolundaki kusurlar ışını etkileyebilir (örneğin, termal dalgalanmalar veya ışık saçılımı) ve herhangi bir harici girişim, her iki ışını da benzer şekilde etkileyecektir.
Silikon fotonik cihazlar ve Sagnac etkisi (resim kaynağı: referans [2])
Halka rezonatör yanıtı ve sistem yapısı (resim kaynağı: referans [2])
Sistem uygulaması (resim kaynağı: referans [2])
Ölçüm sonuçları (resim kaynağı: referans [2])
değer
Hajimiri ekibi bu bağlantılı gürültüyü ortadan kaldırmanın bir yolunu buldu ve sinyali Sagnac etkisinden olduğu gibi bıraktı. "Gelişmiş korelasyon hassasiyeti", sistemin dahili sinyal-gürültü oranını iyileştirerek optik jiroskobun pirinç tanesinden daha küçük bir çipe entegre edilmesine izin verir.
Anahtar kelime
Optik, jiroskop, çip
Referans
[1]
2 Parham P. Khial, Alexander D. White, Ali Hajimiri. Karşılıklı hassasiyet artırmalı nanofotonik optik jiroskop Doğa Fotonikleri, 2018; 12 (11): 671 DOI: 10.1038 / s41566-018-0266-5
