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1、. . . .光学MEMS（MOMES）加速度传感器摘要：自从MEMS加速度传感器面世以来，由于其具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量生产、易于集成等优点，因而发展迅速，一直作为最重要的惯性仪表之一。随着MOEMS技术的发展，为了解决现有的MEMS加速度传感器普遍存在的精度较低的问题，利用光学测量精度高的优势与MEMS技术相结合的MOEMS加速度传感器的研究成为了一个重要的发展方向。本文先简要介绍了MOMES的概念及发展应用，然后介绍了五种目前典型的MOMES加速度传感器，并分别介绍了它们的原理、构造及优缺点。最后对MOMES加速度传感器的未来进行了展望。关键词：MEMS M
2、OMES 加速度传感器一、引言自从MEMS加速度传感器面世以来,由于其具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量生产、易于集成等优点，因而发展迅速，一直作为最重要的惯性仪表之一，用于惯性导航与惯性制导系统中，尤其与航空、航海与航天领域中的运载体的自动驾驶及高技术武器的高精度制导联系在一起而倍受重视,，此需求量大大被激发，各种新型加速度计应运而生，其性能和精度等各项参数也有了很大的完善和提高。随着MOEMS技术的发展，为了解决现有的MEMS加速度传感器普遍存在的精度较低的问题，利用光学测量精度高的优势与MEMS技术相结合的MOEMS加速度传感器的研究成为了一个重要的发展方向。二、MO
3、MES概念及发展2.1 MOMES的概念 MOEMS (Micro-opto-electro-mechanical Systems)是指微光机电系统，也可称为光学MEMS (Optical MEMS)，是微光学技术与MEMS技术结合的微系统技术，如图2.1示。MOEMS是当前性能最佳、精度最高、知识密集度最高的微系统。图2.1 MOMES的构成2.2 MOMES的发展及应用 将MEMS技术引入光学领域在近十年来越来越多，而且由于引入微光学体现了MOEMS的先进性、高技术性和多功能性，因此将会是MEMS未来的发展方向。随着集成光学的急速发展，半导体激光、光波导、微反射镜、微透镜、微光栅、微干涉也
4、得到了快速发展。同时基于固态非线性光学、无需运动部件的光扫描和光调制微器件的产生以及只要很小的力就可以移动反射镜及改变光路形成微执行器的产生，使光学MEMS可以应用在通信网络、存储器、传感器、生物化学分析等各个方面。图2.2所示是MEMS中微光学的应用。图 2.2 MEMS中的光学技术MOEMS的新进展主要体现在通过微加工工艺使光学器件小型化，目前的应用研究主要集中在以下方面：一是研究如何通过反射面的物理运动对光进行空间调制，比如基于MOEMS的显示、投影设备，其成果以数字微镜阵列(DMD)和光栅光阀(GLV)为代表；二是在通信系统中的应用,主要研究如何通过器件的物理运动来控制光路发生预期的改
5、变，其研究成果主要有光开关、光栅、光滤波器以及波分复用器等;第三是在光学平台和光扫描数据存储等方面的研究，主要研究成果有各种微铰链、微透镜,以及基于MEMS技术的光学扫描仪器，可应用与排版印刷、质量检测、条形码阅读、医学成像等方面。2.3 MOMES的优势 MOEMS器件能够把各种MEMS结构与微光学器件完整地集成在一起，形成一种全新的功能器件或系统，与普通光学器件相比，MOEMS具有很大的优势，主要体现在： 1.体积小，重量轻，响应速度快 MOEMS器件的尺寸主要由微加工工艺水平及采用的加工方法决定，大都在微米量级。这样小的器件通常可以通过光刻、离子刻蚀等技术经一次或多次加工完成。MOEMS
6、器件的响应速度在100 ns 1 S范围内，有的甚至可以达到20ns，这是普通光学器件所无法达到的。 2.驱动电压低,能耗低 MOEMS器件可以在很低的驱动电压下工作，一般的工作电压是几伏到几十伏。 3.成本低，可实现批量生产基于MEMS技术制造的器件，依赖于成熟的桂加工技术，可以实现大批量的生产。并且由于采用了集成电路芯片的生产技术,芯片本身的封装已经达到了高度的集成化,使其生产成本也大大降低。三、MOMES加速度传感器3.1MOMES加速度传感器概述随着MOEMS技术的发展，为了解决现有的MEMS加速度传感器普遍存在的精度较低的问题，因此，利用光学测量精度高的优势与MEMS技术相结合的MO
7、EMS加速度传感器的研究成为了一个重要的发展方向，与MEMS加速度传感器相比，MOEMS的加速度传感器具有抗干扰能力强，适宜于强电磁干扰及强腐姓环境，灵敏度高，体积小重量轻，适合于航空航天及狭窄空间的应用，并且成本相对较低等诸多优点。3.2目前典型的MOEMS加速度传感器 目前MOEMS的加速度传感器大多数都还处于实验室研究阶段，国内外对MOEMS加速度传感器的研究主要有以下一些类型：3.2.1 基于微纳光纤环的MOEMS加速度传感器 基于微纳光纤环的加速度传感器的传感原理是基于微纳光纤环传输光的特性以及环内形成的谐振效应。其基本方法为：通过二步拉伸法将普通光纤拉至直径只有微纳量级的光纤，将微
8、纳光纤打结形成微纳光纤环，通入的光源以倏逝波的形式在连接处輔合，从而在环内传输形成谐振，将环固定在连接基底量块的悬臂梁上如图3.1所示。当有加速度施加时，会引起悬臂梁的形变，从而导致光纤环的直径发生改变，以及光纤的折射率等发生改变，进而导致输出光谱发生移动，通过探测光谱的移动即可得到加速度的大小。图3.1 基于微纳光纤环的MOEMS加速度传感器原理示意图此方案建立在光纤传感的基础上，不仅抗电磁干扰而且加工成本低，由于光纤的特殊性质，在具有高精度的同时具有很大的动态范围，但是由于该方案中的微纳光纤环的谐振效应易受温度影响，且集成化也较难以实现，再加上目前高分辨率的光谱探测仪价格昂贵，因而此方案未
9、能得到广泛应用，有待日后研究人员持续不断的改进和研究。3.2.2 基于亚波长谐振传感的MOEMS加速度传感器 该方案的核心光学传感部件是两个交错的亚波长光栅，如图3.2所示。该亚波长光栅的结构特点有：(1)光栅周期d设计在波长尺度；(2)两个垂直交叉的光栅之前存在一个的空气间隙S，也设计在波长尺度。 当两个光栅的位置处于谐振区时，有单色光入射到上光栅表面时，透射光强和两个光栅的相对位移成线性关系，当两个光栅之间的相对位置有一点非常微小的变化时，透射光强会出现剧增。该加速度传感器包括两块垂直分离的亚波长光栅分别和两个传感部分结合。上面一块光栅与一个电容式静电駆动器相连接，其作用主要有两点：一是通
10、过静电力，精确的控制上面一块光栅，从而可以使两块光栅的初始位置处于谐振区；二是在加速度过大时，可以起到一个反馈的作用，行成一个闭环调制器，从而更进一步的增大加速度传感器的动态范围。另一方面，下面的一块亚波长光栅与加速度传感的MEMS质量块相连，传感加速度。图3.2 基于亚波长谐振传感的ng加速度传感器原理示意图该方案的MOEMS加速度传感器灵敏度很高，分辨率可达，且体积小，集成度高。但由于亚波长光栅需与质量块加工在一起，这就使得整个加工工艺过程非常复杂，不易实现；另外，本方案的加速度传感器系统的低频噪声比较难去除，信号检测与处理的难度也较高。3.2.3 光波导光强检测的MOEMS加速度传感器
11、这种结构的加速度传感器是将光纤、光波导和MEMS技术集成在一起，传感质量块和悬臂梁的结构依然是釆用双面的体桂刻烛方法制做而成，四个直角悬臂梁分布在质量块的两侧，在质量块的表面集成了由SbN4和Si02构成的直线光波导结构作为传感器件。如图3.3（a）所示。在周围的固定桂基底上，传感质量块上直线光波导的两端也分别集成了输入和输出光波导，传输光通过光纤导入和接收。图3.3 光波导结构的MOEMS加速度传感结构示意图(a)俯视图(b)原理图 当Z轴方向上的加速度作用到传感结构上时，质量块会带动传感的光波导沿Z轴方向移动，这时，传感光波导和输入输出波导端面就会产生相对位移，使输入波导祸合进入传感光波导
12、的光强发生变化。同样，由传感光波导耦合到输出波导的光强也会发生相应的变化。通过探测输出光纤的光强就能反映出传感质量块所受Z轴方向上加速度的大小，如图3.3(b)所示。该结构的MOEMS加速度传感器采用了硅基底与光波导一体化的结构，并且四个直角悬臂梁接收使得其自然谐振频率比普通悬臂梁结构要高，但是在实用化过程中，输入和输出端的光纤和基底光波导之间的插入损耗、以及光波导本身的传输损耗都是需要解决的问题，而且由于光波导端面尺寸的限制，传感质量块上集成的光波导在Z轴方向上能移动距离非常有限，这使得该结构的MOEMS加速度传感器测量范围和精度都很难做高。3.2.4 微结构光栅的MOEMS加速度传感器 这
13、种类型的MOEMS加速度传感器是利用MEMS加工工艺，在同一基底上加工出可动光栅和固定光栅两种结构，如图3.4所示。在一个基底上通过双面刻蚀制作出传感质量块和可动光栅一体的微结构，该结构包括了四个折叠的悬臂梁、传感质量块以及一组可动光栅组成，而固定光栅则制作在固定基底上。光源照射在光栅上,这样一组可动光栅和定光栅形成衍射相位光栅。当垂直于质量块的表面方向上的加速度作用到质量块上时，质量块会带动可动光栅发生上下移动，形成明暗相间的衍射条纹。当可动光栅与固定光栅的高度差发生变化时，由光栅反射形成的衍射条纹的各级衍射光强将发生变化，这样探测器上所探测到光强就会发生变化，从而达到测量加速度大小的目的。
14、图3.4 衍射光栅式的MOEMS加速度传感结构示意图衍射光栅式的MOEMS加速计体积很小，整个结构在同一基底上制作完成，有很高的集成度，而且在理论上有着很高的分辨率，可以达到g量级。但是，为了获得较高的分辨率，就必须提高光栅周期数，即在有限的尺寸下减小光栅间距，但是光栅间距的减小给加工工艺提出了更高的要求。由于传感质量块的厚度较大，因此需要在反面质量块的制作过程中釆用深度反应离子束刻蚀，这样的设备非常昂贵，而且深反离子刻蚀的过程中需对正面制作好的光栅结构进行保护，由于光栅线条很细，因此在最后的结构释放时由于保护层残佘应力的作用，很容易造成微光栅结构的变形和断裂，制作难度非常大，成品率很低。普通
15、的设备和工艺很难满足该结构的加工要求。3.2.5 光纤Fabry - Perot ( F-P )腔的MOEMS加速度传感器 光纤F-P腔的MOEMS加速度传感器是利用加速度传感质量块的一个端面与固定的光纤端面平行形成F-P腔，其结构如图3.5所示。通过干法刻蚀或湿法腐蚀工艺在硅基底上刻蚀出传感质量块和悬臂梁结构，传感质量块的一个端面与光纤的端面在加速度敏感轴方向上相互平行，形成一个F-P腔，光纤固定在硅基底上制作出的V形槽内。光纤同时作为光信号的出射和接收端，宽谱光源入射的光通过光纤端面进入F-P腔，光在质量块和光纤端面之间多次反射，形成多光束干涉，干涉信号同样由光纤端面接收输出到探测器。如图所示，当外界加速度作用时，传感质量块会沿垂直于光纤端面的方向移动，由于质量块移动引起F-P腔的腔长变化，将导致F-P反射谱漂移。通过探测输出光谱的漂移，就能反映出加速度的变化。图3.5 光纤F-P腔的MOEMS加速度传感结构示意图目前这种结构的MOEMS加速度传感器实际分辨率可达1 mg，但是光纤F-P腔的MOEMS加速度传感器对质量块反射端面与光纤端面的平行度和反射率要求都非常高，F-P腔的装调难度大，并
