淺析基于光子晶體的MEMS加速度計

近些年，MEMS加速度計因其體積小、功耗低、易于與互補金屬氧化物半導體晶體管集成電路（CMOS IC）整合而受到持續關注。

目前已經開發了電容、壓阻、壓電、光學等原理的加速度計，以檢測輸入加速度引起的檢測質量塊位移。在這些技術中，光學方案已被證明具有更高的精度和穩定性，并且不會受到電磁干擾（EMI）。

憑借高精度的位移測量，光柵干涉結構和法布里-珀羅結構已被證明是構建高性能MEMS加速度計的有效方案。

通常，由兩層或端面組成的腔體結構對于有效的光學干涉是必要的，這通常需要一定的空間和相對精確的組裝。

最近，人們正努力將光子晶體結構應用于加速度計。通過利用超強的光學約束特性，基于光子晶體的MEMS加速度計已有報道。

由于需要周期性結構，所以通常需要在封裝中精心設計并制造波導或腔體?？紤]到業界近來對開發集成光子器件和電路的興趣，開發具有超緊湊結構且易于組裝的MEMS加速度計需求很高。

硅納米波導為光學傳感方案提供了卓越的平臺。由于其緊密的光學約束特性，可以在納米波導周圍觀察到強的倏逝場，這些特性已經被用于超連續譜源、諧振器和耦合器等應用。

據麥姆斯咨詢介紹，中北大學儀器與電子學院的辛晨光等研究人員近期在Scientific Reports上發表了一篇題為“Ultracompact single-layer optical MEMS accelerometer based on evanescent coupling through silicon nanowaveguides”的文章，他們通過硅納米波導之間的倏逝場耦合展示了一種超緊湊型光學式MEMS加速度計。

該加速度計由單片絕緣體上硅（SOI）晶圓上設計的一個檢測質量塊、彈簧和硅納米波導組成。當輸入加速度時，附著在檢測質量塊上的硅納米波導相對于固定在加速度計支撐結構上的硅納米波導移動。

它們之間的耦合長度相應改變，從而導致耦合效率的變化。然后，可以通過測量輸出的光功率來獲得輸入的加速度。在1.68 g的測量范圍內，該加速度計的位移傳感靈敏度為32.83%/μm。

此外，納米波導之間測量范圍內幾個微米的最大耦合長度，表明傳感器可以設計得非常緊湊。

通過檢測波導中光功率變化實現加速度檢測，具有免疫電磁干擾和外界環境光干擾的特點；根據微納波導倏逝場耦合原理，極其微小的位移將會引起耦合效率的劇烈變化，因此，具有很高的測量靈敏度。實驗結果表明，該加速度計在集成慣性器件和電路等應用中具有巨大的應用潛力。

本研究光學式MEMS加速度計的檢測原理

該光學式加速度計設計由兩部分組成：光學位移傳感部分和機械部分，如下圖a和c所示。具體來說，底層是機械部分，包括蛇形彈簧（如下圖b所示）和檢測質量塊。二氧化硅層作為襯底。

硅層上具有相同截面尺寸【例如，厚度（Ta）和波導寬度（D）】的三個硅納米波導。

本研究所提出的光學式MEMS加速度計結構

如上圖d和e所示，輸入波導和輸出波導位于支撐結構上，而傳輸波導位于檢測質量塊上。它們在傳感方向（x方向）上平行排列，具有一定的耦合長度（分別為Lin和Lout）和間隙（H）。

將輸入加速度轉換為輸出光功率

本研究所提出的加速度計的機械特性，（a）集總模型；（b）前四種諧振模式；（c）頻率響應，插圖顯示了機械靈敏度

簡化的工藝制造流程，（a）SOI晶圓；（b）通過RIE蝕刻頂層以及氧化物層，沿感測軸形成50 nm寬的間隙；（c）通過RIE構建硅納米波導；（d）通過DRIE構建包括彈簧和檢測質量塊的機械部件，檢驗質量塊與支撐結構之間的間隙小于10 μm

總結

本文提出了一種新型光學式MEMS加速度計，在1.68 g范圍內其光學靈敏度可達32.83%/μm。該加速度計基于三個硅納米波導之間的倏逝場耦合。

這些納米波導分別位于檢測質量塊和支撐結構上，在傳感方向上彼此重疊，并具有亞波長尺度的恒定間隙。當輸入加速度時，納米波導之間的耦合長度因檢測質量塊引起的相對位移而改變，從而導致耦合效率的改變。

最終通過檢測輸出端納米波導的輸出功率實現對加速度的檢測。研究人員通過仿真研究了所提出加速度計的光學和機械特性。

其納米波導的截面尺寸為300 nm x 220 nm，檢測質量和支撐結構之間的間隙為50 nm。得益于超緊湊的單層結構，研究人員相信這款設計在集成光學慣性器件和電路中具有巨大的應用潛力。

審核編輯：劉清