[論文レビュー] Design and Fabrication of a Differential MOEMS Accelerometer Based on Fabry Perot micro-cavities

Mojtaba Rahimi, Mohammad Malekmohammad+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 1, 2022

Advanced Fiber Optic Sensors参考文献 27被引用数 34

ひとこと要約

本論文では、ボトムマイクロマシニングを用いたシリコンオブインシュレーター（SOI）ウェーハ上に二重ファブリペロー（FP）マイクロキャビティを有する微小光電機械系（MOEMS）加速度計を提示する。デバイスは光学干渉を用いて質量の変位を測定し、差動検出により感度が2倍になる。実験結果では、静的モードで6.52 nm/gの光学感度、153 µgの分解能、動的モードで49.6 mV/gの電気的感度を達成し、±1gの範囲で1372 Hzの共振周波数を示した。

ABSTRACT

In this paper, a differential MOEMS accelerometer based on the Fabry-Perot (FP) micro-cavities is presented. The optical system of the device consists of two FP cavities and the mechanical system is composed of a proof mass that is suspended by four springs. The applied acceleration tends to move the PM from its resting position. This mechanical displacement can be measured by the FP interferometer formed between the proof mass cross-section and the optical fiber end face. The proposed sensor is fabricated on a silicon on insulator (SOI) wafer using the bulk micromachining method. The results of the sensor characterization show that the accelerometer has a linear response in the range of 1g. Also, the optical sensitivity and resolution of the sensor in the static characterization are 6.52 nm/g and 153ug. The sensor sensitivity in the power measurement is 49.6 mV/g and its resonant is at 1372 Hz. Using the differential measurement method increases the sensitivity of the accelerometer. Based on experimental data, the sensor sensitivity is two times as high as that of a similar MOEMS accelerometer with one FP cavity.

研究の動機と目的

• FPベースのMOEMS加速度計における感度と測定範囲のトレードオフを克服すること。
• 二つの向かい合うFPキャビティを用いた差動測定法により感度を向上させること。
• 高光学的および電気的感度を有するコンactで統合的かつ大量生産可能な加速度計を開発すること。
• ±1gの範囲において静的および動的特性評価で高い線形性と分解能を示すことを実証すること。

提案手法

• 加速度計は、四つのスプリングで支持されたマス質量から構成され、Y軸方向に移動可能である。
• マス質量の側面と光学ファイバーの先端面との間に二つのファブリペロー（FP）マイクロキャビティ（C1およびC2）が形成される。
• 差動検出では、加速度によりC1およびC2のスペクトルシフトが逆方向に変化するため、有効感度が2倍になる。
• 光学センシングでは1550 nmでの強度モニタリングが用いられ、可変フィルタにより中央波長（1547.2 nmおよび1551.9 nm）が選択され、線形応答が得られる。
• 有限差分時間領域（FDTD）シミュレーションを用いて光の伝播をモデル化し、キャビティパラメータを最適化する。
• センサは、シリコンオブインシュレーター（SOI）ウェーハ上でのシンプルなボトムマイクロマシニングプロセスにより製造された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 差動FPキャビティ構成は、単一キャビティ設計よりもMOEMS加速度計の感度を向上させることができるか？
• RQ2 差動測定法は、±1gの加速度範囲において光学的および電気的感度にどのように影響を与えるか？
• RQ3 センサの静的および動的モードにおける分解能と線形性は、それぞれどの程度達成可能か？
• RQ4 実装されたセンサの性能は、既存のMOEMS加速度計と比較して、感度およびフットプリントの面でどの程度優れているか？

主な発見

• センサは静的モードで6.52 nm/gの光学感度を達成し、これは単一キャビティMOEMS加速度計の2倍である。
• 分解能は153 µgであり、これはBraggMETERの精度（1 pm）と光学感度から算出された。
• 動的モードでは、電気的感度が49.6 mV/gに達し、差動法により単一キャビティ系と比較して感度が2倍であることが確認された。
• 共振周波数は1372 Hzであり、製造公差のためシミュレーション値とわずかに異なる。
• 静的および動的両テストにおいて、±1gの測定範囲で線形応答を示した。
• フットプリントは4 × 3 mm²であり、ボトムマイクロマシニングを用いた完全に統合的でコンactかつ大量生産可能な設計であった。