[论文解读] 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 34

一句话总结

本论文提出了一种基于体微加工技术在绝缘层上硅（SOI）衬底上制造的差分微光学电子机械系统（MOEMS）加速度计，采用双Fabry-Pérot（FP）微腔结构。该器件通过光学干涉测量质量块的位移，差分检测方法使灵敏度加倍。实验结果表明，在±1g量程内，光学灵敏度为6.52 nm/g，分辨率可达153 µg，动态模式下电学灵敏度为49.6 mV/g，谐振频率为1372 Hz。

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.

研究动机与目标

• 为克服基于FP的MOEMS加速度计中灵敏度与量程之间的权衡问题。
• 通过使用两个相对的FP腔的差分测量方法提升灵敏度。
• 开发一种紧凑、集成化且可大规模生产的加速度计，具备高光学与电学灵敏度。
• 在±1g量程内，实现静态与动态特性测试中的高线性度与高分辨率。

提出的方法

• 加速度计采用由四根弹簧悬挂的质量块，使其可在Y轴方向移动。
• 在质量块侧壁与光纤端面之间形成两个Fabry-Pérot微腔（C1和C2）。
• 通过差分检测比较C1与C2的光谱漂移，两者在加速度作用下变化方向相反，从而实现有效灵敏度加倍。
• 光学传感采用1550 nm波长的强度监测，可调滤波器选择中心波长（1547.2 nm与1551.9 nm）以实现线性响应。
• 有限元时域（FDTD）仿真用于模拟光传播并优化腔体参数。
• 传感器采用在绝缘层上硅（SOI）衬底上进行的简单体微加工工艺制造。

实验结果

研究问题

• RQ1 差分FP腔结构是否能够使MOEMS加速度计的灵敏度超越单腔结构设计？
• RQ2 差分测量方法在±1g加速度范围内如何影响光学与电学灵敏度？
• RQ3 传感器在静态与动态模式下的可实现分辨率与线性度如何？
• RQ4 所制备传感器的性能在灵敏度与芯片面积方面相较于现有MOEMS加速度计有多大提升？

主要发现

• 在静态模式下，传感器的光学灵敏度达到6.52 nm/g，为单腔MOEMS加速度计的两倍。
• 分辨率可达153 µg，由BraggMETER的精度（1 pm）与光学灵敏度计算得出。
• 在动态模式下，电学灵敏度达到49.6 mV/g，证实差分方法使灵敏度相比单腔系统加倍。
• 谐振频率为1372 Hz，与仿真结果略有差异，原因在于制造公差。
• 在±1g测量范围内，传感器在静态与动态测试中均表现出线性响应。
• 芯片面积为4 × 3 mm²，具有完全集成、紧凑且可大规模生产的结构，采用体微加工工艺。