基于硅纳米波导倏逝场耦合的超紧凑光学式MEMS加速度计

作者： 麦姆斯咨询殷飞 来源：MEMS 

近些年，MEMS加速度计因其体积小、功耗低、易于与互补金属氧化物半导体晶体管集成电路（CMOS IC）整合而受到持续关注。目前已经开发了电容、压阻、压电、光学等原理的加速度计，以检测输入加速度引起的检测质量块位移。在这些技术中，光学方案已被证明具有更高的精度和稳定性，并且不会受到电磁干扰（EMI）。

凭借高精度的位移测量，光栅干涉结构和法布里-珀罗结构已被证明是构建高性能MEMS加速度计的有效方案。通常，由两层或端面组成的腔体结构对于有效的光学干涉是必要的，这通常需要一定的空间和相对精确的组装。最近，人们正努力将光子晶体结构应用于加速度计。通过利用超强的光学约束特性，基于光子晶体的MEMS加速度计已有报道。

由于需要周期性结构，所以通常需要在封装中精心设计并制造波导或腔体。考虑到业界近来对开发集成光子器件和电路的兴趣，开发具有超紧凑结构且易于组装的MEMS加速度计需求很高。硅纳米波导为光学传感方案提供了卓越的平台。由于其紧密的光学约束特性，可以在纳米波导周围观察到强的倏逝场，这些特性已经被用于超连续谱源、谐振器和耦合器等应用。

据麦姆斯咨询介绍，中北大学仪器与电子学院的辛晨光等研究人员近期在Scientific Reports上发表了一篇题为“Ultracompact single-layer optical MEMS accelerometer based on evanescent coupling through silicon nanowaveguides”的文章，他们通过硅纳米波导之间的倏逝场耦合展示了一种超紧凑型光学式MEMS加速度计。该加速度计由单片绝缘体上硅（SOI）晶圆上设计的一个检测质量块、弹簧和硅纳米波导组成。当输入加速度时，附着在检测质量块上的硅纳米波导相对于固定在加速度计支撑结构上的硅纳米波导移动。

它们之间的耦合长度相应改变，从而导致耦合效率的变化。然后，可以通过测量输出的光功率来获得输入的加速度。在1.68 g的测量范围内，该加速度计的位移传感灵敏度为32.83%/μm。此外，纳米波导之间测量范围内几个微米的最大耦合长度，表明传感器可以设计得非常紧凑。

通过检测波导中光功率变化实现加速度检测，具有免疫电磁干扰和外界环境光干扰的特点；根据微纳波导倏逝场耦合原理，极其微小的位移将会引起耦合效率的剧烈变化，因此，具有很高的测量灵敏度。实验结果表明，该加速度计在集成惯性器件和电路等应用中具有巨大的应用潜力。

本研究光学式MEMS加速度计的检测原理

该光学式加速度计设计由两部分组成：光学位移传感部分和机械部分，如下图a和c所示。具体来说，底层是机械部分，包括蛇形弹簧（如下图b所示）和检测质量块。二氧化硅层作为衬底。硅层上具有相同截面尺寸【例如，厚度（Ta）和波导宽度（D）】的三个硅纳米波导。

本研究所提出的光学式MEMS加速度计结构

如上图d和e所示，输入波导和输出波导位于支撑结构上，而传输波导位于检测质量块上。它们在传感方向（x方向）上平行排列，具有一定的耦合长度（分别为Lin和Lout）和间隙（H）。

将输入加速度转换为输出光功率


本研究所提出的加速度计的机械特性，（a）集总模型；（b）前四种谐振模式；（c）频率响应，插图显示了机械灵敏度


简化的工艺制造流程，（a）SOI晶圆；（b）通过RIE蚀刻顶层以及氧化物层，沿感测轴形成50 nm宽的间隙；（c）通过RIE构建硅纳米波导；（d）通过DRIE构建包括弹簧和检测质量块的机械部件，检验质量块与支撑结构之间的间隙小于10 μm

总结

本文提出了一种新型光学式MEMS加速度计，在1.68 g范围内其光学灵敏度可达32.83%/μm。该加速度计基于三个硅纳米波导之间的倏逝场耦合。这些纳米波导分别位于检测质量块和支撑结构上，在传感方向上彼此重叠，并具有亚波长尺度的恒定间隙。当输入加速度时，纳米波导之间的耦合长度因检测质量块引起的相对位移而改变，从而导致耦合效率的改变。

最终通过检测输出端纳米波导的输出功率实现对加速度的检测。研究人员通过仿真研究了所提出加速度计的光学和机械特性。其纳米波导的截面尺寸为300 nm x 220 nm，检测质量和支撑结构之间的间隙为50 nm。得益于超紧凑的单层结构，研究人员相信这款设计在集成光学惯性器件和电路中具有巨大的应用潜力。