【導讀】近些年，MEMS加速度計因其體積小
、功耗低、易於與互補金屬氧化物半導體晶體管集成電路（CMOS IC）整合而受到持續關注。目前已經開發了電容、壓阻、壓電、guangxuedengyuanlidejiasuduji，yijianceshurujiasuduyinqidejiancezhiliangkuaiweiyi。zaizhexiejishuzhong，guangxuefanganyibeizhengmingjuyougenggaodejingduhewendingxing，bingqiebuhuishoudaodianciganrao（EMI）。

近些年


，MEMS加速度計因其體積小
、功耗低
、易於與互補金屬氧化物半導體晶體管集成電路（CMOS IC）整合而受到持續關注。目前已經開發了電容、壓阻、壓電
、guangxuedengyuanlidejiasuduji，yijianceshurujiasuduyinqidejiancezhiliangkuaiweiyi。zaizhexiejishuzhong，guangxuefanganyibeizhengmingjuyougenggaodejingduhewendingxing

，bingqiebuhuishoudaodianciganrao（EMI）。

憑借高精度的位移測量，光柵幹涉結構和法布裏-珀羅結構已被證明是構建高性能MEMS加(jia)速(su)度(du)計(ji)的(de)有(you)效(xiao)方(fang)案(an)。通(tong)常(chang)
，由(you)兩(liang)層(ceng)或(huo)端(duan)麵(mian)組(zu)成(cheng)的(de)腔(qiang)體(ti)結(jie)構(gou)對(dui)於(yu)有(you)效(xiao)的(de)光(guang)學(xue)幹(gan)涉(she)是(shi)必(bi)要(yao)的(de)，這(zhe)通(tong)常(chang)需(xu)要(yao)一(yi)定(ding)的(de)空(kong)間(jian)和(he)相(xiang)對(dui)精(jing)確(que)的(de)組(zu)裝(zhuang)。最(zui)近(jin)，人(ren)們(men)正(zheng)努(nu)力(li)將(jiang)光(guang)子(zi)晶(jing)體(ti)結(jie)構(gou)應(ying)用(yong)於(yu)加(jia)速(su)度(du)計(ji)。通(tong)過(guo)利(li)用(yong)超(chao)強(qiang)的(de)光(guang)學(xue)約(yue)束(shu)特(te)性(xing)，基(ji)於(yu)光(guang)子(zi)晶(jing)體(ti)的(de)MEMS加速度計已有報道。

由you於yu需xu要yao周zhou期qi性xing結jie構gou
，所suo以yi通tong常chang需xu要yao在zai封feng裝zhuang中zhong精jing心xin設she計ji並bing製zhi造zao波bo導dao或huo腔qiang體ti。考kao慮lv到dao業ye界jie近jin來lai對dui開kai發fa集ji成cheng光guang子zi器qi件jian和he電dian路lu的de興xing趣qu
，開kai發fa具ju有you超chao緊jin湊cou結jie構gou且qie易yi於yu組zu裝zhuang的deMEMS加jia速su度du計ji需xu求qiu很hen高gao。矽gui納na米mi波bo導dao為wei光guang學xue傳chuan感gan方fang案an提ti供gong了le卓zhuo越yue的de平ping台tai。由you於yu其qi緊jin密mi的de光guang學xue約yue束shu特te性xing
，可ke以yi在zai納na米mi波bo導dao周zhou圍wei觀guan察cha到dao強qiang的de倏shu逝shi場chang

，這zhe些xie特te性xing已yi經jing被bei用yong於yu超chao連lian續xu譜pu源yuan、諧振器和耦合器等應用。

據麥姆斯谘詢介紹

，中北大學儀器與電子學院的辛晨光等研究人員近期在Scientific Reports上發表了一篇題為“Ultracompact single-layer optical MEMS accelerometer based on evanescent coupling through silicon nanowaveguides”的文章，他們通過矽納米波導之間的倏逝場耦合展示了一種超緊湊型光學式MEMS加速度計。該加速度計由單片絕緣體上矽（SOI）晶圓上設計的一個檢測質量塊、彈簧和矽納米波導組成。當輸入加速度時

，附著在檢測質量塊上的矽納米波導相對於固定在加速度計支撐結構上的矽納米波導移動。

它們之間的耦合長度相應改變，從而導致耦合效率的變化。然後，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的測量範圍內
，該加速度計的位移傳感靈敏度為32.83%/μm。此外，納米波導之間測量範圍內幾個微米的最大耦合長度
，表明傳感器可以設計得非常緊湊。

通過檢測波導中光功率變化實現加速度檢測，具有免疫電磁幹擾和外界環境光幹擾的特點；genjuweinabodaoshushichangouheyuanli
，jiqiweixiaodeweiyijianghuiyinqiouhexiaolvdejuliebianhua
，yinci，juyouhengaodecelianglingmindu。shiyanjieguobiaoming，gaijiasudujizaijichengguanxingqijianhedianludengyingyongzhongjuyoujudadeyingyongqianli。

本研究光學式MEMS加速度計的檢測原理

該光學式加速度計設計由兩部分組成：光學位移傳感部分和機械部分，如下圖a和c所示。具體來說
，底層是機械部分
，包括蛇形彈簧（如下圖b所示）和檢測質量塊。二氧化矽層作為襯底。矽層上具有相同截麵尺寸【例如，厚度（Ta）和波導寬度（D）】的三個矽納米波導。

本研究所提出的光學式MEMS加速度計結構

如上圖d和e所示，輸入波導和輸出波導位於支撐結構上，而傳輸波導位於檢測質量塊上。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）。

將輸入加速度轉換為輸出光功率

本研究所提出的加速度計的機械特性，（a）集總模型；（b）前四種諧振模式；（c）頻率響應
，插圖顯示了機械靈敏度

簡化的工藝製造流程，（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構建矽納米波導；（d）通過DRIE構建包括彈簧和檢測質量塊的機械部件
，檢驗質量塊與支撐結構之間的間隙小於10 μm

總結

本文提出了一種新型光學式MEMS加速度計，在1.68 g範圍內其光學靈敏度可達32.83%/μm。該(gai)加(jia)速(su)度(du)計(ji)基(ji)於(yu)三(san)個(ge)矽(gui)納(na)米(mi)波(bo)導(dao)之(zhi)間(jian)的(de)倏(shu)逝(shi)場(chang)耦(ou)合(he)。這(zhe)些(xie)納(na)米(mi)波(bo)導(dao)分(fen)別(bie)位(wei)於(yu)檢(jian)測(ce)質(zhi)量(liang)塊(kuai)和(he)支(zhi)撐(cheng)結(jie)構(gou)上(shang)，在(zai)傳(chuan)感(gan)方(fang)向(xiang)上(shang)彼(bi)此(ci)重(zhong)疊(die)
，並(bing)具(ju)有(you)亞(ya)波(bo)長(chang)尺(chi)度(du)的(de)恒(heng)定(ding)間(jian)隙(xi)。當(dang)輸(shu)入(ru)加(jia)速(su)度(du)時(shi)，納(na)米(mi)波(bo)導(dao)之(zhi)間(jian)的(de)耦(ou)合(he)長(chang)度(du)因(yin)檢(jian)測(ce)質(zhi)量(liang)塊(kuai)引(yin)起(qi)的(de)相(xiang)對(dui)位(wei)移(yi)而(er)改(gai)變(bian)，從(cong)而(er)導(dao)致(zhi)耦(ou)合(he)效(xiao)率(lv)的(de)改(gai)變(bian)。

最zui終zhong通tong過guo檢jian測ce輸shu出chu端duan納na米mi波bo導dao的de輸shu出chu功gong率lv實shi現xian對dui加jia速su度du的de檢jian測ce。研yan究jiu人ren員yuan通tong過guo仿fang真zhen研yan究jiu了le所suo提ti出chu加jia速su度du計ji的de光guang學xue和he機ji械xie特te性xing。其qi納na米mi波bo導dao的de截jie麵mian尺chi寸cun為wei300 nm x 220 nm，檢測質量和支撐結構之間的間隙為50 nm。得益於超緊湊的單層結構，研究人員相信這款設計在集成光學慣性器件和電路中具有巨大的應用潛力。

（來源：MEMS，作者： 麥姆斯谘詢殷飛  ）

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