將量子帕斯卡標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展為真實(shí)世界的設(shè)備

在我們的日常生活中，壓力可能意味著迫在眉睫的工作截止日期，期末考試，或者在第九個(gè)底部加載的基礎(chǔ)。從科學(xué)的角度來(lái)說(shuō)，壓力是一種物理量，對(duì)許多事物都很重要，包括汽車輪胎，血液循環(huán)和呼吸，高速計(jì)算機(jī)芯片的半導(dǎo)體制造以及天氣。

準(zhǔn)確測(cè)量重要應(yīng)用的壓力目前需要在實(shí)驗(yàn)室中安裝大型設(shè)備。但標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)的目標(biāo)是將 其發(fā)明的新型 激光壓力測(cè)量技術(shù)推向更大的世界，從而降低從飛機(jī)飛行到芯片制造的各種成本。NIST和馬薩諸塞州安多弗的MKS儀器公司簽署了一項(xiàng)合作協(xié)議，使該技術(shù)更具便攜性和便攜性，從而可以開發(fā)成商業(yè)產(chǎn)品。

NIST物理學(xué)家Jay Hendricks表示，更好的壓力測(cè)量將有很多應(yīng)用。例如，聯(lián)邦航空管理局與工業(yè)界合作，安全地 將附近飛機(jī)(鏈路外部)之間的垂直距離減少 到1,000英尺，并且可以進(jìn)一步減少。亨德里克斯說(shuō)，由于飛機(jī)周圍的氣壓隨高度變化，更精確的壓力傳感器可以幫助實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

“未來(lái)，這可能會(huì)節(jié)省燃料成本，”他說(shuō)。通過(guò)減少垂直間隔，飛行控制器可以更安全地安排飛機(jī)，從而節(jié)省燃油和更頻繁的準(zhǔn)時(shí)著陸。

Hendricks表示，在制造智能手機(jī)等半導(dǎo)體芯片時(shí)，工程師必須調(diào)整制造芯片的氣體環(huán)境的壓力。傳統(tǒng)的壓力傳感器，即電容式隔膜真空計(jì)，是精確的，但它們的讀數(shù)必須保持在緊密的值，要求工程師定期調(diào)整傳感器。更穩(wěn)定和準(zhǔn)確的壓力測(cè)量可以使半導(dǎo)體產(chǎn)量更可靠并且更不容易出現(xiàn)缺陷，從而降低了制造商和消費(fèi)者的成本。

在國(guó)防應(yīng)用中，像阿帕奇直升機(jī)這樣的飛機(jī)必須飛得很低才能到地形測(cè)量。這種飛機(jī)依靠壓力傳感器確保它們安全飛行。但是“在任何一天，傳感器都可能正在投擲，”亨德里克斯說(shuō)，飛機(jī)可以停飛，直到找到問(wèn)題。“如果你能制造出可以在現(xiàn)場(chǎng)使用的便攜式，手持式，NIST可追蹤標(biāo)準(zhǔn)，你可以減少停機(jī)時(shí)間，”他說(shuō)。

標(biāo)準(zhǔn)壓力測(cè)量裝置具有限制這些應(yīng)用中的性能的限制。因此，NIST開始制造最先進(jìn)的傳感器，可以在提供基本壓力測(cè)量的同時(shí)提高性能。

為了測(cè)量帕斯卡，SI的壓力單位，科學(xué)界傳統(tǒng)上依賴于一種稱為水銀壓力計(jì)的高大體積的裝置。元素汞是一種有害的神經(jīng)毒素，可根據(jù)壓力的變化調(diào)整其高度。“我們已經(jīng)使用水銀壓力計(jì)將近375年，他們?yōu)槲覀兲峁┝撕芎玫姆?wù)，”亨德里克斯說(shuō)。“他們?cè)诋?dāng)時(shí)是最先進(jìn)的。但大約五年前，我們意識(shí)到必須有一個(gè)更好的方法來(lái)做到這一點(diǎn)。“

結(jié)果稱為FLOC-固定長(zhǎng)度的光學(xué)腔。它是一塊半透明材料的矩形板，被稱為超低膨脹(ULE)玻璃，可以放在手中。它包含兩個(gè)細(xì)管或“腔”，激光可以通過(guò)它們傳播。除了尺寸小20倍且無(wú)汞外，F(xiàn)LOC更高的分辨率還使其能夠測(cè)量比傳統(tǒng)汞標(biāo)準(zhǔn)小36倍的壓力變化 。原則上，該裝置可以測(cè)量低壓下的任何氣體，例如半導(dǎo)體制造設(shè)施中的氣體，高壓，例如海床上的氣體。目前，需要不同種類的壓力傳感器來(lái)覆蓋相同的范圍。

為了用FLOC測(cè)量壓力，研究人員用一個(gè)待測(cè)氣體填充其中一個(gè)腔，而另一個(gè)腔保持空洞。激光穿過(guò)兩個(gè)腔體，但在腔體中用氣體傳播得更慢。氣體的密度以取決于氣體壓力的方式改變腔中光的波長(zhǎng)。為了應(yīng)對(duì)這種變化，研究人員調(diào)整了激光的頻率，使光再次在腔內(nèi)產(chǎn)生共振。通過(guò)測(cè)量離開空腔和充氣腔的光中的頻率之間的差異，確定壓力。由于激光與氣體的相互作用可以從量子力學(xué)的第一原理計(jì)算出來(lái)，研究人員正在對(duì)帕斯卡進(jìn)行基于量子的測(cè)量。

FLOC在實(shí)驗(yàn)室中取得了成功，但對(duì)于大多數(shù)商業(yè)用途來(lái)說(shuō)，它目前太龐大了。整個(gè)設(shè)備安裝在一張大桌子上，配有精確定位的激光器和其他光學(xué)設(shè)備。根據(jù) NIST和MKS簽署的 合作研究與開發(fā)協(xié)議(CRADA)，這兩個(gè)組織將努力制作更小的原型。例如，這將包括使用光纖而不是更傳統(tǒng)的激光光學(xué)器件。Hendricks說(shuō)，目標(biāo)是減小系統(tǒng)的尺寸和成本，直到它能裝入行李箱并且成本與現(xiàn)有技術(shù)相比具有競(jìng)爭(zhēng)力 - 使其適用于飛機(jī)，氣象站，芯片工廠和尚未想象的用途。

“MKS很高興加入NIST進(jìn)一步開發(fā)這項(xiàng)技術(shù)，”MKS壓力和真空測(cè)量解決方案業(yè)務(wù)首席技術(shù)官Phil Sullivan說(shuō)。“MKS Instruments帶來(lái)了50年的壓力測(cè)量經(jīng)驗(yàn)，此外MKS非常適合該項(xiàng)目所需的光學(xué)開發(fā)。”

在科學(xué)方面，Hendricks和他的同事正在開發(fā)一種用于實(shí)驗(yàn)室的高級(jí)版本，稱為可變長(zhǎng)度光學(xué)腔--VLOC-將有助于精確測(cè)量腔體中使用的氣體，通常是氦氣和氮?dú)?，并將進(jìn)一步提高技術(shù)的準(zhǔn)確性。

對(duì)于亨德里克斯來(lái)說(shuō)，主要焦點(diǎn)仍然很明確。“你如何在NIST的墻外獲得這項(xiàng)技術(shù)?”他說(shuō)。“與工業(yè)界的這種伙伴關(guān)系是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的好方法。”