中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
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(guān)注。目前已經(jīng)開(kāi)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定性，并且不會(huì )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(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構應用于加速度計。通過(guò)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(yè)界近來(lái)對開(kāi)發(fā)集成光子器件和電路的興趣，開(kāi)發(fā)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(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，可以在納米波導周?chē)^(guān)察到強的倏逝場(chǎng)，這些特性已經(jīng)被用于超連續譜源、諧振器和耦合器等應用。
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(guò)硅納米波導之間的倏逝場(chǎng)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）晶圓上設計的一個(gè)檢測質(zhì)量塊、彈簧和硅納米波導組成。當輸入加速度時(shí)，附著(zhù)在檢測質(zhì)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(dòng)。
它們之間的耦合長(cháng)度相應改變，從而導致耦合效率的變化。然后，可以通過(guò)測量輸出的光功率來(lái)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(gè)微米的最大耦合長(cháng)度，表明傳感器可以設計得非常緊湊。
通過(guò)檢測波導中光功率變化實(shí)現加速度檢測，具有免疫電磁干擾和外界環(huán)境光干擾的特點(diǎn)；根據微納波導倏逝場(chǎng)耦合原理，極其微小的位移將會(huì )引起耦合效率的劇烈變化，因此，具有很高的測量靈敏度。實(shí)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(xué)式MEMS加速度計的檢測原理
該光學(xué)式加速度計設計由兩部分組成：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(lái)說(shuō)，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）和波導寬度（D）】的三個(gè)硅納米波導。
本研究所提出的光學(xué)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(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(cháng)度（分別為L(cháng)in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(jiǎn)化的工藝制造流程，（a）SOI晶圓；（b）通過(guò)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(guò)RIE構建硅納米波導；（d）通過(guò)DRIE構建包括彈簧和檢測質(zhì)量塊的機械部件，檢驗質(zhì)量塊與支撐結構之間的間隙小于10 μm
總結
本文提出了一種新型光學(xué)式MEMS加速度計，在1.68 g范圍內其光學(xué)靈敏度可達32.83%/μm。該加速度計基于三個(gè)硅納米波導之間的倏逝場(chǎng)耦合。這些納米波導分別位于檢測質(zhì)量塊和支撐結構上，在傳感方向上彼此重疊，并具有亞波長(cháng)尺度的恒定間隙。當輸入加速度時(shí)，納米波導之間的耦合長(cháng)度因檢測質(zhì)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(guò)檢測輸出端納米波導的輸出功率實(shí)現對加速度的檢測。研究人員通過(guò)仿真研究了所提出加速度計的光學(xué)和機械特性。其納米波導的截面尺寸為300 nm x 220 nm，檢測質(zhì)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(xué)慣性器件和電路中具有巨大的應用潛力。
