基于波長調(diào)制的雙端差分檢測MOEMS加速度計

微光機電系統(tǒng)（MOEMS）加速度計綜合了光學、微機械和電學等多種學科的特性，不僅具有一般MEMS傳感器的體積小、低成本的優(yōu)勢，而且進一步拓寬了加速度計的應用范圍，因此過去十幾年得到了快速發(fā)展。根據(jù)光學原理，加速度計被分為光強調(diào)制、相位調(diào)制和波長調(diào)制等多種類型?；诠鈴娬{(diào)制原理設計的傳感器發(fā)展較早，器件相對成熟，但其精度不高，光源穩(wěn)定性直接影響加速度計的分辨率。相位調(diào)制型和波長調(diào)制型傳感器基于其高精度、高穩(wěn)定性和高可靠性等優(yōu)點，成為MOEMS加速度計的主流趨勢。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，為了進一步提升MOEMS加速度計性能，上海應用技術(shù)大學研究人員通過結(jié)合光學檢測模塊和加速度計微機械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化分析，并綜合微加工技術(shù)條件，設計了一種基于波長調(diào)制的雙端差分檢測MOEMS加速度計。該加速度計具有高靈敏度、高線性度、高穩(wěn)定性和抗電磁干擾等優(yōu)勢。相關(guān)研究成果已發(fā)表于《應用技術(shù)學報》期刊。

該項工作中，為了設計一種高靈敏度、穩(wěn)定性好、測試簡便的光學加速度計，研究人員選擇了對光源穩(wěn)定性要求低、抗噪能力強的波長調(diào)制檢測模塊。基于建立的光學模型，通過改變活動光柵數(shù)、光柵間距、光柵厚度等影響透射光譜因子，分析了透射光譜變化對加速度計靈敏度、量程等性能影響。其中，活動光柵數(shù)增多，透射波的透射率變低，對加速度計檢測部分要求變高；兩光柵間距變小，透射波波長變化明顯，加速度計的靈敏度提高，但量程變??；光柵厚度增加，透射光譜的禁帶變窄，會影響加速度計的量程。通過研究這些影響因素，并總結(jié)透射光譜變化規(guī)律，研究人員完成了加速度計的優(yōu)化設計。

不同活動光柵數(shù)的模型

綜合光學檢測模塊的優(yōu)化分析，并結(jié)合微加工技術(shù)條件，研究人員設計了一種具有雙端差分檢測結(jié)構(gòu)的MOEMS加速度計。其質(zhì)量塊由4個Μ形梁支撐，2個活動光柵對稱分布在質(zhì)量塊兩邊。當施加外部加速度時，連接在質(zhì)量塊上的活動光柵在傳感方向中有相對位移，從而導致輸出透射波長變化。通過檢測波長變化，計算加速度的大小。該雙端檢測結(jié)構(gòu)提高了器件的對稱性，降低了交叉靈敏度的影響，同時在測試中能進行結(jié)果驗證，使檢測結(jié)果不受儀器連接等人為因素影響。

經(jīng)仿真計算，該加速度計的機械靈敏度為3.83 μm/g，光學檢測靈敏度為0.52 μm/g，分辨率為19×10?? g，諧響應頻率為471 Hz。

MOEMS加速度計結(jié)構(gòu)

MOEMS加速度計的前二階諧振模型

禁帶中仿真11次的透射波示意圖

加速度與透射波長特性曲線

該項研究提出的MOEMS加速度計具有高靈敏度、高線性度、高穩(wěn)定性和抗電磁干擾等優(yōu)勢，將能夠適用于強磁場、遠程遙控等環(huán)境中的振動監(jiān)測。

審核編輯：郭婷