基于硅納米波導(dǎo)倏逝場(chǎng)耦合的超緊湊光學(xué)式MEMS加速度計(jì)

近些年，MEMS加速度計(jì)因其體積小、功耗低、易于與互補(bǔ)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(jì)，以檢測(cè)輸入加速度引起的檢測(cè)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(huì)受到電磁干擾（EMI）。

近些年，MEMS加速度計(jì)因其體積小、功耗低、易于與互補(bǔ)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(jì)，以檢測(cè)輸入加速度引起的檢測(cè)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(huì)受到電磁干擾（EMI）。

憑借高精度的位移測(cè)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(jì)的有效方案。通常，由兩層或端面組成的腔體結(jié)構(gòu)對(duì)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(duì)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(jì)。通過利用超強(qiáng)的光學(xué)約束特性，基于光子晶體的MEMS加速度計(jì)已有報(bào)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(jì)并制造波導(dǎo)或腔體。考慮到業(yè)界近來對(duì)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(jì)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(tái)。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(qiáng)的倏逝場(chǎng)，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(chǎng)耦合展示了一種超緊湊型光學(xué)式MEMS加速度計(jì)。該加速度計(jì)由單片絕緣體上硅（SOI）晶圓上設(shè)計(jì)的一個(gè)檢測(cè)質(zhì)量塊、彈簧和硅納米波導(dǎo)組成。當(dāng)輸入加速度時(shí)，附著在檢測(cè)質(zhì)量塊上的硅納米波導(dǎo)相對(duì)于固定在加速度計(jì)支撐結(jié)構(gòu)上的硅納米波導(dǎo)移動(dòng)。

它們之間的耦合長(zhǎng)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(cè)量輸出的光功率來獲得輸入的加速度。在1.68 g的測(cè)量范圍內(nèi)，該加速度計(jì)的位移傳感靈敏度為32.83%/μm。此外，納米波導(dǎo)之間測(cè)量范圍內(nèi)幾個(gè)微米的最大耦合長(zhǎng)度，表明傳感器可以設(shè)計(jì)得非常緊湊。

通過檢測(cè)波導(dǎo)中光功率變化實(shí)現(xiàn)加速度檢測(cè)，具有免疫電磁干擾和外界環(huán)境光干擾的特點(diǎn)；根據(jù)微納波導(dǎo)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(cè)量靈敏度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該加速度計(jì)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(jì)的檢測(cè)原理

該光學(xué)式加速度計(jì)設(shè)計(jì)由兩部分組成：光學(xué)位移傳感部分和機(jī)械部分，如下圖a和c所示。具體來說，底層是機(jī)械部分，包括蛇形彈簧（如下圖b所示）和檢測(cè)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(gè)硅納米波導(dǎo)。

本研究所提出的光學(xué)式MEMS加速度計(jì)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(cè)質(zhì)量塊上。它們?cè)趥鞲蟹较颍▁方向）上平行排列，具有一定的耦合長(zhǎng)度（分別為L(zhǎng)in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(jì)的機(jī)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(jī)械靈敏度

簡(jiǎn)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(cè)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(cè)質(zhì)量塊的機(jī)械部件，檢驗(yàn)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(jì)，在1.68 g范圍內(nèi)其光學(xué)靈敏度可達(dá)32.83%/μm。該加速度計(jì)基于三個(gè)硅納米波導(dǎo)之間的倏逝場(chǎng)耦合。這些納米波導(dǎo)分別位于檢測(cè)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(zhǎng)尺度的恒定間隙。當(dāng)輸入加速度時(shí)，納米波導(dǎo)之間的耦合長(zhǎng)度因檢測(cè)質(zhì)量塊引起的相對(duì)位移而改變，從而導(dǎo)致耦合效率的改變。

最終通過檢測(cè)輸出端納米波導(dǎo)的輸出功率實(shí)現(xiàn)對(duì)加速度的檢測(cè)。研究人員通過仿真研究了所提出加速度計(jì)的光學(xué)和機(jī)械特性。其納米波導(dǎo)的截面尺寸為300 nm x 220 nm，檢測(cè)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(jì)在集成光學(xué)慣性器件和電路中具有巨大的應(yīng)用潛力。

（來源：MEMS，作者： 麥姆斯咨詢殷飛  ）