微納光柵MOEMS加速度計的工作原理及仿真設計

微機電系統（MEMS）加速度計以其體積小、功耗低、成本低等優勢廣泛應用在無人駕駛、地震檢測等領域。目前主流MEMS加速度計以電容式檢測為主，相較于電容式加速度計，光柵位移檢測極限要高于電容式1 ~ 2個數量級，因此基于光柵檢測的微光機電系統（MOEMS）加速度計具備精密光學檢測高精度和抗電磁干擾的優勢，將其檢測方式用于MEMS加速度計中，可以實現更高精度的加速度檢測。

據麥姆斯咨詢報道，近期，中北大學研究團隊提出一種基于微納光柵泰伯效應的MOEMS加速度計，通過對加速度計結構和光柵結構參數進行優化，使其在20 g量程范圍內獲得了較大的結構靈敏度和衍射效應靈敏度。通過采用溫度閉環反饋控制技術，使加速度計零偏穩定性達到3.7 μg，相較于無溫控情況提升了近7倍。最終實現微納光柵MOEMS加速度計的靈敏度為5.23 V/g，線性相關系數為99.9%，分辨率為286.8 μg。相關研究成果以“微納光柵MOEMS加速度計優化設計與測試”為題發表在《微納電子技術》期刊上。

微納光柵MOEMS加速度計工作原理

這項研究設計的微納光柵MOEMS加速度計結構模型及工作原理如圖1所示。加速度計主要由兩層結構組成：上層結構由玻璃基底和沉積在玻璃基底上的光柵構成，下層結構為可動機械結構，具體由一個質量塊、四個蟹形懸臂梁、環形反饋導線和第二層光柵構成。由于下層光柵是通過磁控濺射方式濺射于質量塊表面，當加速度計受到敏感軸方向的加速度作用時，下層光柵會隨著敏感質量塊與上層光柵間形成相對運動，從而引起衍射光強強度的變化，通過光電探測器檢測光強的變化即可得到外部加速度。

圖1 微納光柵MOEMS加速度計結構模型及工作原理

微納光柵MOEMS加速度計仿真設計

為了保證MOEMS加速度計量程范圍滿足導航領域的需求，研究人員針對量程為20 g的加速度計結構進行設計，并通過COMSOL多物理場仿真軟件對加速度計結構尺寸和參數進行優化，使其在20 g量程范圍內獲得較大的結構靈敏度和衍射效應靈敏度，同時通過仿真分析了該結構的交叉軸串擾情況。

圖2 微納光柵MOEMS加速度計力學分析

圖3 MOEMS加速度計模態分析

圖4 微納光柵參數仿真分析

圖5 MOEMS加速度計交叉軸串擾仿真結果

實驗測試與分析

研究人員通過光刻、干法刻蝕、濕法刻蝕、陽極鍵合等MEMS加工技術對光柵MOEMS加速度計進行制備。為了評估光柵MOEMS加速度計性能，建立了加速度計靜態測試系統（測試系統依靠重力加速度施加，測試范圍為-1 g ~ 1 g）。為了減小由于溫度起伏對光柵加速度計零偏的影響，研究人員采用溫度閉環反饋控制技術將加速度計溫度變化控制在±10 mK范圍內。加速度計在0 g狀態下，探測器輸出電壓經過調理電路處理后，以0.02 s為采樣時間，長時間（2000 s）記錄信號。通過Allan方差分析加速度計的零偏穩定性，結果表明零偏穩定性為3.7 μg，相比于未加溫控的情況，零偏穩定性提升了近7倍。此外，對加速度計進行靜態測試，測得加速度計靈敏度為5.23 V/g，線性相關系數為99.9%，分辨率為286.8 μg。

圖6 溫度控制電路原理圖

圖7 溫控閉環反饋電路效果對比結果

圖8 MOEMS加速度計實驗測試結果

圖9 MOEMS加速度計零偏穩定性

綜上所述，這項研究工作提出一種基于雙光柵泰伯效應的MOEMS加速度計，通過對加速度計結構尺寸和光柵參數進行優化設計，并采用溫度反饋控制技術，使得加速度計性能顯著提升。該研究為提升MEMS加速度計的零偏穩定性提供了技術支撐。

論文信息：
DOI: 10.13250/j.cnki.wndz.24040403