A compact low-frequency optomechanical triaxial inertial sensor

在实验室静谧的嗡鸣声中，科学家们常常试图倾听宇宙最微弱的低语。为了实现这一目标，他们制造出能够探测极微小运动的仪器，从构造板块的缓慢漂移到掠过的引力波产生的细微拉力。这些被称为加速度计的设备，测量的是物体改变速度或方向的速度。几十年来，这些工具中最灵敏的版本一直都是笨重、昂贵且脆弱的，通常需要复杂的电子系统，而这些系统很容易受到磁场的干扰。这使得它们难以在专门的实验室之外，或是在对重量和功率要求极高的卫星上使用。研究人员的目标长期以来一直是创造一种足够小到可以装进背包、足够轻到可以发射进太空，并且足够灵敏以感知地球“呼吸”的传感器。

亚利桑那大学的一个研究小组通过制造一种利用光来测量运动的紧凑型三维传感器，向这一目标迈出了重要一步。他们没有依靠电力来感知运动，而是制造了一个装置，其中一个微小的玻璃块被悬挂在精细的玻璃弹簧上，并在受到震动时发生移动。随后，他们使用激光以极高的精度观察这种运动。其结果是一个可以检测出如同地球自然背景噪声（即地震噪声）般微小振动的传感器，且能同时在三个不同方向上进行探测。这一成就表明，未来的卫星可以携带这些小型、稳健的设备，用以绘制地球的重力图，或是在无需沉重、高耗能电子设备的情况下进行空间导航。

这种新传感器的核心是一个由单块熔融石英（一种以纯度和稳定性著称的玻璃）制成的巧妙设计。想象一下一块大约有大号杯垫大小的扁平石英板，研究人员从中雕刻出一个微小的悬浮测试质量块。这个质量块由非常细且具有柔性的臂支撑，这些臂起到了弹簧的作用。当传感器移动时，由于惯性，测试质量块会略微滞后，从而拉伸这些玻璃弹簧。为了测量这种微小的拉伸，研究人员将激光束照射到质量块上。通过将激光分成两路，并将反射自运动质量块的光与反射自固定镜的光进行比较，他们可以检测到比原子宽度还要小的位移变化。这种方法被称为干涉测量法，它能将玻璃质量块的物理运动转化为清晰的加速度信号。

该团队构建了一个包含三个此类传感器的系统，分别用于测量 X、Y 和 Z 方向的运动，从而有效地创建了一个完整的三维运动视图。他们将整个组件放置在真空室中，以消除空气分子可能造成的干扰，因为空气分子会减弱他们试图测量的精细振动。为了测试其性能，他们将该装置放置在一个标准的、高端的商用地震仪旁边——这是一种地质学家用来研究地震的工具。随后，他们记录了亚利桑那州图森市的地表运动，该地区具有典型的背景振动。研究人员发现，他们这种新型玻璃传感器可以追踪与大型商用仪器相同的地面运动，在低至每秒 8 个周期的频率范围内都能与之匹配。这一一致性证明了他们这种小型、基于玻璃的设备足以感知地球的自然振动。

然而，传感器的表现并非在所有三个方向上都完全相同。测量侧向运动（即 X 轴和 Y 轴）的传感器表现异常出色，在 1 赫兹处达到了 60 pico-g 每平方根赫兹的噪声水平。这意味着它们可以检测到极其微弱的加速度。第三个传感器，即测量上下运动的 Z 轴，在放置在地面时表现有所不同。由于地球重力向下作用于玻璃弹簧，Z 轴传感器变得更加僵硬，从而降低了其对垂直运动的灵敏度。其共振频率在重力作用下从约 11 赫兹降至 44 赫兹，这削弱了它检测缓慢、轻微运动的能力，相比之下不及侧向传感器。

研究人员明白，这种僵硬感是由地球重力引起的暂时性问题。他们推论，如果将传感器带入太空，在重力几乎不存在的地方，弹簧会放松，届时 Z 轴传感器的表现将与其它传感器一样出色。为了验证这一点，他们通过旋转传感器，使重力改为向侧面而非向下牵引，从而模拟了一个失重环境来测试 Z 轴传感器。在这种设置下，传感器的频率回落到了 11 赫兹，其灵敏度也大幅提升，达到了与侧向传感器相当的水平。这证实了该设备一旦进入轨道，完全有能力以同等的精度测量三维运动。

团队还发现了一个关于光线如何导向上下运动传感器的特定缺陷。由于设备内部空间狭窄，激光束必须行进较长的距离才能到达参考镜，这引入了一定程度的额外噪声。通过测试一个采用更开放光学布局的独立 Z 轴传感器，他们展示了这种噪声可以降低十倍。这一发现为改进最终设计提供了清晰的路径，确保上下运动传感器在飞行任务中也能像其他传感器一样保持“安静”。

这项工作证明了制造一个体积小、重量轻且功能强大的完整三轴惯性传感器是完全可能的，且适用于空间任务。整个装置仅为 156 x 156 x 65 毫米，对于其所达到的灵敏度水平而言，这一尺寸显得非常紧凑。通过证明这些传感器可以检测到与大型成熟仪器相同的地面运动，研究人员验证了一种测量加速度的新方法。这项技术很快就能让卫星进行更精确的导航，更详细地绘制地球重力场，甚至帮助探测由遥远宇宙事件引起的时空微弱涟漪，而其搭载的载荷将比目前所能实现的方案更加小型化且高效。