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基于硅納米波導(dǎo)倏逝場耦合的超緊湊光學(xué)式MEMS加速度計

發(fā)布時間:2022-12-26 來源:MEMS,作者: 麥姆斯咨詢殷飛 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】近些年,MEMS加速度計因其體積小、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,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)。


近些年,MEMS加速度計因其體積小、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,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(qiáng)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??紤]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(qiáng)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(diǎn);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(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)。


基于硅納米波導(dǎo)倏逝場耦合的超緊湊光學(xué)式MEMS加速度計

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)。


基于硅納米波導(dǎo)倏逝場耦合的超緊湊光學(xué)式MEMS加速度計

將輸入加速度轉(zhuǎn)換為輸出光功率


基于硅納米波導(dǎo)倏逝場耦合的超緊湊光學(xué)式MEMS加速度計

本研究所提出的加速度計的機(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


基于硅納米波導(dǎo)倏逝場耦合的超緊湊光學(xué)式MEMS加速度計

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(jī)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(dá)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(jī)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。

(來源:MEMS,作者: 麥姆斯咨詢殷飛  )


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