[论文解读] Compact fully monolithic optomechanical accelerometer

Felipe Guzmán, Lee Kumanchik+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2018

Mechanical and Optical Resonators参考文献 11被引用 9

一句话总结

本文介绍了一款紧凑的全单片式光机电加速度计，由单片熔融石英晶圆制成，体积小于 2 cm³，质量约 4 g。其通过单片集成的法布里-珀罗干涉仪实现高灵敏度，该干涉仪利用加速度计的证明质量作为反射镜，实现约 10⁻¹² m/√Hz 的位移分辨率和 1 Hz 以上频率范围内 100 ng/√Hz 至 1 μg/√Hz 的加速度灵敏度，mQ 乘积达前所未有的 50 kg。

ABSTRACT

We present a highly compact and fully monolithic optomechanical accelerometer fabricated of a single wafer of fused-silica with a total volume of less than 2cc and a total mass of approximately 4 grams. This sensor demonstrates an unprecedented mQ-product of 50kg, highlighting its unique capabilities for reaching high sensitivity in acceleration sensing. The sensor includes a monolithically co-fabricated Fabry-Perot interferometer that uses the accelerometer test mass as a mirror to measure its displacement in orders of 10-12 m/rtHz, reaching acceleration sensitivities to the order of 100 ng/rtHz - 1 ug/rtHz above 1 Hz.

研究动机与目标

• 开发一种高度紧凑、全单片式光机电加速度计，用于高灵敏度加速度传感。
• 通过单片晶圆制造工艺，克服传统加速度计在尺寸、质量与集成度方面的局限。
• 通过将法布里-珀罗干涉仪直接与证明质量集成作为反射镜，实现高灵敏度。
• 展示 50 kg 的创纪录 mQ 乘积，实现超低噪声加速度测量。

提出的方法

• 利用精密蚀刻和微纳加工技术，从单片熔融石英晶圆上制造加速度计。
• 通过证明质量作为其中一个反射镜，形成单片集成的法布里-珀罗谐振腔，实现光学位移传感。
• 通过干涉测量技术，以亚纳米级分辨率测量因证明质量位移引起的光程差变化。
• 传感器在真空环境中运行，以最小化热噪声和机械噪声，从而提升灵敏度。
• 设计利用了熔融石英的高 Q 因子以及单片集成结构，降低机械损耗和环境耦合。
• 整个系统，包括证明质量、悬挂结构和光学谐振腔，均通过单一工艺步骤共同制造。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过单片晶圆制造实现全单片式光机电加速度计，以实现高灵敏度与高紧凑性？
• RQ2 在紧凑的单片式光机电加速度计设计中，可实现的 mQ 乘积是多少？
• RQ3 在体积小于 2 cm³、质量为 4 g 的器件中，能否实现约 10⁻¹² m/√Hz 的位移灵敏度？
• RQ4 与混合组装结构相比，单片集成在稳定性与噪声性能方面有何改善？
• RQ5 在如此紧凑、全集成的系统中，高于 1 Hz 频率范围可实现多高的加速度灵敏度？

主要发现

• 该器件实现了约 10⁻¹² m/√Hz 的位移分辨率，支持高精度加速度传感。
• 加速度计在 1 Hz 以上频率范围内表现出 100 ng/√Hz 至 1 μg/√Hz 的加速度灵敏度。
• 传感器总体积小于 2 cm³，质量约为 4 克，具有高度紧凑性。
• mQ 乘积达到 50 kg，代表光机电传感器性能的重大进步。
• 法布里-珀罗谐振腔与证明质量的单片集成确保了高机械稳定性和低噪声耦合。
• 传感器在真空环境中运行良好，有效抑制了热扰动和机械干扰。