中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
高精度檢波器在石油和天然氣勘探以及地震監測等陸地應用中發(fā)揮著(zhù)至關(guān)重要的作用。光機械精密測量的發(fā)展為檢波器提供了一種新的設計方法，與傳統的檢波器相比，它具有更高的靈敏度和更小的尺寸。
近日，華中科技大學(xué)劉驊鋒教授團隊提出了一種基于平凹型（plano-concave）法布里-珀羅（F-P）微腔的光機械MEMS檢波器，其靈敏度高達146 V/g。該F-P微腔包括一個(gè)傳感元件上的可移動(dòng)反射鏡和一個(gè)固定半球形微鏡，由絕緣體上硅（SOI）和單晶硅晶圓制造而成。實(shí)驗結果表明，該光機械MEMS檢波器在100~200 Hz頻率范圍內具有2.5?ng/√Hz的低本底噪聲（位移本底噪聲為6.2?fm/√Hz）、500?Hz（-3 dB）的寬帶寬、±4?mg的測量范圍。為了降低來(lái)自激光源和溫度、空氣波動(dòng)等環(huán)境因素產(chǎn)生的共模噪聲，研究人員采用了平衡檢測方法。該方法顯著(zhù)降低了本底噪聲，幾乎達到了熱噪聲極限（2.5?ng/√Hz）。此外，該研究還展示了一種直徑為40 mm的緊湊型封裝的光機械MEMS檢波器，其高性能和魯棒特性在石油和天然氣勘探等領(lǐng)域具有巨大的應用潛力。上述研究成果以“An optomechanical MEMS geophone with a 2.5?ng/√Hz noise floor for oil/gas exploration”為題發(fā)表于Microsystems & Nanoengineering期刊。
本項研究所開(kāi)發(fā)的光機械MEMS檢波器直徑為40 mm，高度為45 mm，重量為75 g，由三個(gè)主要部件構成：MEMS傳感芯片、光纖準直器和對準調節器。對準調節器確保高斯光從光纖以垂直入射的方式精確準直進(jìn)入微腔（圖1a）。平凹F-P微腔的設計特點(diǎn)是傳感元件上有一個(gè)可移動(dòng)的反射鏡和一個(gè)固定的半球形微鏡（圖1b）。傳感元件包括一個(gè)校準質(zhì)量塊和懸掛梁，并且校準質(zhì)量塊能夠進(jìn)行平面外運動(dòng)。
圖1 光機械MEMS檢波器概念示意圖
該光機械MEMS檢波器的原理分為兩個(gè)部分：一是通過(guò)傳感元件將加速度轉化為位移，二是通過(guò)F-P微腔進(jìn)行光干涉位移測量。傳感元件被概念化為一個(gè)理想的二階響應系統，其特征由其基頻???決定（如圖1c所示）。光機械MEMS檢波器工作時(shí)，入射光穿過(guò)半球形微鏡，被傳感元件反射。激光波長(cháng)λ被鎖定在諧振波長(cháng)（~1550 nm）的邊帶上（圖1d）。
考慮到硅材料對紅外光的透明特性，研究人員利用SOI和單晶硅晶圓通過(guò)體硅工藝制造平凹F-P微腔。MEMS制造工藝和制得的光機械結構如圖2所示。
圖2 光機械檢波器的MEMS制造工藝
光學(xué)讀出系統采用平衡檢測法，可有效抑制光噪聲（圖3a）。1550 nm激光器發(fā)出的光通過(guò)1?×?2光纖耦合器被分為兩路：傳感光路和參考光路。為了確保兩光路的強度一致，采用了兩個(gè)可變光衰減器。傳感光穿過(guò)光纖環(huán)形器（CIR）到達F-P微腔。然后，來(lái)自微腔的干涉光返回CIR，最終到達帶有5 Hz高通濾波器的平衡光電探測器（Thorlabs：PDB435C-AC）。同時(shí)，參考光直接從PDB收集。此外，MEMS芯片安裝在PZT激振器上，使傳感元件在動(dòng)態(tài)測試期間能夠實(shí)現納米級位移。為了評估所提出的光機械MEMS檢波器的性能，研究人員進(jìn)行了校準實(shí)驗、動(dòng)態(tài)實(shí)驗和噪聲性能實(shí)驗，實(shí)驗結果如圖3、圖4和圖5所示。
圖3 光機械MEMS檢波器的校準實(shí)驗
圖4 光機械MEMS檢波器的動(dòng)態(tài)實(shí)驗
圖5 光機械MEMS檢波器的噪聲性能實(shí)驗
綜上所述，這項研究提出了一種基于平凹F-P微腔的緊湊型封裝的光機械MEMS檢波器，其本底噪聲低至2.5?ng/√Hz，帶寬為500?Hz，測量范圍為±4?mg。等效位移噪聲達到6.2?fm/√Hz，證實(shí)了F-P腔干涉術(shù)在精密測量中的潛力。實(shí)驗結果表明，通過(guò)使用平衡檢測方法，可將源自激光源和溫度/空氣波動(dòng)的共模噪聲從15?ng/√Hz抑制到2.5?ng/√Hz的機械熱噪聲極限。因此，所提出的光機械MEMS檢波器具有高性能和魯棒性，適合應用于石油和天然氣勘探。
