[논문 리뷰] Design and Fabrication of a Differential MOEMS Accelerometer Based on Fabry Perot micro-cavities

Mojtaba Rahimi, Mohammad Malekmohammad외 3명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 01.

Advanced Fiber Optic Sensors참고 문헌 27인용 수 34

한 줄 요약

이 논문은 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 웨이퍼를 이용한 벌크 마이크로메카니즘 공정을 통해 이중 파르티-페로(Fabry-Pérot, FP) 마이크로 캐비티를 갖춘 미세 광전자기계 시스템(MOEMS) 가속도계를 제안한다. 장치는 광간섭을 통해 증명 질량의 변위를 측정하며, 이중 검출 방식으로 감도를 두 배로 증가시킨다. 실험 결과, 정적 모드에서 6.52 nm/g의 광학 감도, 153 µg의 해상도, 동적 모드에서 49.6 mV/g의 전기적 감도를 확보하였으며, ±1g 범위에서 공진 주파수는 1372 Hz였다.

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.

연구 동기 및 목표

• FP 기반 MOEMS 가속도계에서 감도-범위 상호보완성 문제를 해결하기 위해.
• 두 개의 대칭된 FP 캐비티를 이용한 이중 측정 방식을 통해 감도를 향상시키기 위해.
• 고광학적 및 전기적 감도를 갖춘 작고 통합적이며 대량 생산 가능한 가속도계를 개발하기 위해.
• ±1g 범위에서 정적 및 동적 특성 측정에서 높은 선형성과 해상도를 입증하기 위해.

제안 방법

• 가속도계는 네 개의 스프링에 의해 지지된 증명 질량을 포함하여 Y축 방향으로 이동 가능하게 설계되었다.
• 증명 질량의 측면 벽과 광섬유 끝면 사이에 두 개의 파르티-페로 마이크로 캐비티(C1 및 C2)가 형성된다.
• 이중 검출은 가속도 작용 시 C1과 C2의 스펙트럼 이동 방향이 반대가 되므로, 효과적인 감도를 두 배로 증가시킨다.
• 광학 센싱은 1550 nm에서 강도 모니터링을 사용하며, 선형 응답을 확보하기 위해 테이블러블 필터를 이용해 중심 파장(1547.2 nm 및 1551.9 nm)을 선택한다.
• 유한차분시간영역(Finite-difference time-domain, FDTD) 시뮬레이션을 통해 빛의 전파를 모델링하고 캐비티 파rameter를 최적화한다.
• 센서는 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 웨이퍼 상에서 간단한 벌크 마이크로메카니즘 공정을 통해 제작되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이중 FP 캐비티 구성이 단일 캐비티 설계보다 MOEMS 가속도계의 감도를 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 이중 측정 방식이 ±1g 가속도 범위 내에서 광학적 및 전기적 감도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 정적 및 동적 모드에서 센서의 해상도와 선형성은 어느 정도인가?
• RQ4 제작된 센서의 성능이 기존 MOEMS 가속도계에 비해 감도 및 면적 차지에서 얼마나 뛰어나게 되는가?

주요 결과

• 정적 모드에서 센서는 6.52 nm/g의 광학 감도를 확보하였으며, 이는 단일 캐비티 MOEMS 가속도계의 두 배에 해당한다.
• 해상도는 BraggMETER 정밀도(1 pm)와 광학 감도를 기반으로 계산하여 153 µg를 확보하였다.
• 동적 모드에서 전기적 감도는 49.6 mV/g에 도달하였으며, 이는 이중 측정 방식이 단일 캐비티 시스템 대비 감도를 두 배로 증가시킴을 확인한다.
• 공진 주파수는 1372 Hz이며, 제작 허용 오차로 인해 시뮬레이션 결과와 약간의 차이를 보였다.
• 정적 및 동적 테스트 모두에서 ±1g 측정 범위 내에서 선형 응답을 보였다.
• 면적은 4 × 3 mm²이며, 벌크 마이크로메카니즘 공정을 활용한 완전 통합형, 소형, 대량 생산 가능한 설계를 구현하였다.