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NISTとMKSプロトタイプFLOC光ベースフォトニック圧力センサ

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June, 4, 2019, Gaithersburg--NIST研究チームは、業界との協力で、初の固定長光キャビティ(FLOC)ポータブルプロトタイプを作製した。これは、光を使って、ほとんどの商用圧力センサよりも高精度に圧力を計測するデバイス。
 最新バージョンは、多くの産業、特に半導体チップや航空機製造の潜在用途で圧力が計測される方法を変革できるデバイス実現途上で達成された成果である。
 2017年、FLOCのラボスケールバージョンをもっと小型で、商用製品に似た、ロバストなプロトタイプを実現するためにNISTとMKS Instrument、 Incは、共同R&D契約(CRADA)を締結した。CRADAにより、NISTとMKSチームは、プロトタイプバージョンが2つのスーツケースに収まる程度のサイズであることの実証に成功した。
 ロバストで、ポータブルなFLOCセンサは潜在的に、スマートフォンなどに使用される半導体チップの製造コストを下げ、空の旅のコストも低減する。これは、チップ製造と航空機産業が両方とも、圧力計測に依存しているからである。
 半導体メーカーは、チップ製造中、工場の製造ユニットに供給されるガスの圧力を正確にコントロールしなければならない。従来の圧力センサは正確であるが、その読取りは時間の経過とともにドリフトする傾向があり、定期的に取り出して校正されなけばならない。FLOC圧力計測は絶対であるので、キャリブレーション(校正)不要である。したがって、FLOCは、工場フロアで従来の圧力センサのドリフトをリアルタイム検査するために使えるので、ダウンタイムの必要性が低減される。
 従来の圧力センサは、航空機にも使用される。より高精度な圧力センサなら、フライトコントロールは、もっと高密度に飛行機を安全に配置でき、燃料を節約し、したがって飛行機旅行のコストを下げる可能性がある。
 FLOCは、光キャビティと言う2つの物理チャネルを透過する光の周波数のわずかな差を計測することで圧力を測定する。真空中の基準チャネルとガスで満たされた試験チャネルの2つで、テストチャネルの圧力が測定される。
 NISTは、2014年にFLOCのラボグレードバージョンを作製した。一次校正基準に十分な感度と正確さとなるように設計されていた。これは、全ての他の圧力計測機器を校正するために使用される測定器である。
 元の基準FLOCは、大きな実験室のテーブル全体を占めるものである。ガスと真空チャネルを含む光学キャビティは約15㎝長。その測定器は、真空ポンプ、光を供給するレーザ、それらを操作するオプティクを含んでおり、さらに信号を処理するエレクトロニクスも含まれる。
 新しいポータブルバージョンは、一段とコンパクトである。その2チャネルキャビティは、わずか2.5㎝長、郵便切手程度である。キャビティとオプティクスは、単一ボックスに収まり、さらに小型のエレクトロニクスラックとガスハンドリングシステム用のポンプもある。
 NISTとMKSスタッフが、その2チャネルキャビティをプロトタイプの心臓部にアセンブリした。一方、MKSは、システムの小型バージョンのエンジニアリングをやり遂げた。
 全体として、チームは、一年程度でプロトタイプを完成することができた。
 今までのところ、そのポータブルFLOCは、Hendricksによると、「SNRと解像度が優れている」ことが分かっている。 
 理論的には、ショールームの人々の歩行は、微妙な計測を台無しにするが、デバイスは、そうしたノイズに持ちこたえられるほどにロバストだった。その範囲は、真空で使用される超低圧力から、約2000パスカルまで実証された。現在、遙かに高圧でのテストが行われている。