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(dǎo)體晶體管集成電路（CMOS IC）整合而受到持續(xù)關(guān)注。

目前已經(jīng)開發(fā)了電容、壓阻、壓電、光學(xué)等原理的加速度計，以檢測輸入加速度引起的檢測質(zhì)量塊位移。在這些技術(shù)中，光學(xué)方案已被證明具有更高的精度和穩(wěn)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(jié)構(gòu)和法布里-珀羅結(jié)構(gòu)已被證明是構(gòu)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(jié)構(gòu)對于有效的光學(xué)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(jié)構(gòu)應(yīng)用于加速度計。通過利用超強的光學(xué)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(jié)構(gòu)，所以通常需要在封裝中精心設(shè)計并制造波導(dǎo)或腔體。考慮到業(yè)界近來對開發(fā)集成光子器件和電路的興趣，開發(fā)具有超緊湊結(jié)構(gòu)且易于組裝的MEMS加速度計需求很高。

硅納米波導(dǎo)為光學(xué)傳感方案提供了卓越的平臺。由于其緊密的光學(xué)約束特性，可以在納米波導(dǎo)周圍觀察到強的倏逝場，這些特性已經(jīng)被用于超連續(xù)譜源、諧振器和耦合器等應(yīng)用。

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，中北大學(xué)儀器與電子學(xué)院的辛晨光等研究人員近期在Scientific Reports上發(fā)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(dǎo)之間的倏逝場耦合展示了一種超緊湊型光學(xué)式MEMS加速度計。

該加速度計由單片絕緣體上硅（SOI）晶圓上設(shè)計的一個檢測質(zhì)量塊、彈簧和硅納米波導(dǎo)組成。當(dāng)輸入加速度時，附著在檢測質(zhì)量塊上的硅納米波導(dǎo)相對于固定在加速度計支撐結(jié)構(gòu)上的硅納米波導(dǎo)移動。

它們之間的耦合長度相應(yīng)改變，從而導(dǎo)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(nèi)，該加速度計的位移傳感靈敏度為32.83%/μm。

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

通過檢測波導(dǎo)中光功率變化實現(xiàn)加速度檢測，具有免疫電磁干擾和外界環(huán)境光干擾的特點；根據(jù)微納波導(dǎo)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(jié)果表明，該加速度計在集成慣性器件和電路等應(yīng)用中具有巨大的應(yīng)用潛力。

本研究光學(xué)式MEMS加速度計的檢測原理

該光學(xué)式加速度計設(shè)計由兩部分組成：光學(xué)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(zhì)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(dǎo)寬度（D）】的三個硅納米波導(dǎo)。

本研究所提出的光學(xué)式MEMS加速度計結(jié)構(gòu)

如上圖d和e所示，輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)位于支撐結(jié)構(gòu)上，而傳輸波導(dǎo)位于檢測質(zhì)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(zhuǎn)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(yīng)，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(gòu)建硅納米波導(dǎo)；（d）通過DRIE構(gòu)建包括彈簧和檢測質(zhì)量塊的機械部件，檢驗質(zhì)量塊與支撐結(jié)構(gòu)之間的間隙小于10 μm

總結(jié)

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

這些納米波導(dǎo)分別位于檢測質(zhì)量塊和支撐結(jié)構(gòu)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(dāng)輸入加速度時，納米波導(dǎo)之間的耦合長度因檢測質(zhì)量塊引起的相對位移而改變，從而導(dǎo)致耦合效率的改變。

最終通過檢測輸出端納米波導(dǎo)的輸出功率實現(xiàn)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(xué)和機械特性。

其納米波導(dǎo)的截面尺寸為300 nm x 220 nm，檢測質(zhì)量和支撐結(jié)構(gòu)之間的間隙為50 nm。得益于超緊湊的單層結(jié)構(gòu)，研究人員相信這款設(shè)計在集成光學(xué)慣性器件和電路中具有巨大的應(yīng)用潛力。

審核編輯：劉清