微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）加速度計(jì)以其體積小、功耗低、成本低等優(yōu)勢(shì)廣泛應(yīng)用在無(wú)人駕駛、地震檢測(cè)等領(lǐng)域。目前主流MEMS加速度計(jì)以電容式檢測(cè)為主，相較于電容式加速度計(jì)，光柵位移檢測(cè)極限要高于電容式1 ~ 2個(gè)數(shù)量級(jí)，因此基于光柵檢測(cè)的微光機(jī)電系統(tǒng)（MOEMS）加速度計(jì)具備精密光學(xué)檢測(cè)高精度和抗電磁干擾的優(yōu)勢(shì)，將其檢測(cè)方式用于MEMS加速度計(jì)中，可以實(shí)現(xiàn)更高精度的加速度檢測(cè)。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，中北大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)提出一種基于微納光柵泰伯效應(yīng)的MOEMS加速度計(jì)，通過(guò)對(duì)加速度計(jì)結(jié)構(gòu)和光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使其在20 g量程范圍內(nèi)獲得了較大的結(jié)構(gòu)靈敏度和衍射效應(yīng)靈敏度。通過(guò)采用溫度閉環(huán)反饋控制技術(shù)，使加速度計(jì)零偏穩(wěn)定性達(dá)到3.7 μg，相較于無(wú)溫控情況提升了近7倍。最終實(shí)現(xiàn)微納光柵MOEMS加速度計(jì)的靈敏度為5.23 V/g，線性相關(guān)系數(shù)為99.9%，分辨率為286.8 μg。相關(guān)研究成果以“微納光柵MOEMS加速度計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)與測(cè)試”為題發(fā)表在《微納電子技術(shù)》期刊上。

微納光柵MOEMS加速度計(jì)工作原理

這項(xiàng)研究設(shè)計(jì)的微納光柵MOEMS加速度計(jì)結(jié)構(gòu)模型及工作原理如圖1所示。加速度計(jì)主要由兩層結(jié)構(gòu)組成：上層結(jié)構(gòu)由玻璃基底和沉積在玻璃基底上的光柵構(gòu)成，下層結(jié)構(gòu)為可動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)，具體由一個(gè)質(zhì)量塊、四個(gè)蟹形懸臂梁、環(huán)形反饋導(dǎo)線和第二層光柵構(gòu)成。由于下層光柵是通過(guò)磁控濺射方式濺射于質(zhì)量塊表面，當(dāng)加速度計(jì)受到敏感軸方向的加速度作用時(shí)，下層光柵會(huì)隨著敏感質(zhì)量塊與上層光柵間形成相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而引起衍射光強(qiáng)強(qiáng)度的變化，通過(guò)光電探測(cè)器檢測(cè)光強(qiáng)的變化即可得到外部加速度。

圖1 微納光柵MOEMS加速度計(jì)結(jié)構(gòu)模型及工作原理

微納光柵MOEMS加速度計(jì)仿真設(shè)計(jì)

為了保證MOEMS加速度計(jì)量程范圍滿足導(dǎo)航領(lǐng)域的需求，研究人員針對(duì)量程為20 g的加速度計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并通過(guò)COMSOL多物理場(chǎng)仿真軟件對(duì)加速度計(jì)結(jié)構(gòu)尺寸和參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使其在20 g量程范圍內(nèi)獲得較大的結(jié)構(gòu)靈敏度和衍射效應(yīng)靈敏度，同時(shí)通過(guò)仿真分析了該結(jié)構(gòu)的交叉軸串?dāng)_情況。

圖2 微納光柵MOEMS加速度計(jì)力學(xué)分析

圖3 MOEMS加速度計(jì)模態(tài)分析

圖4 微納光柵參數(shù)仿真分析

圖5 MOEMS加速度計(jì)交叉軸串?dāng)_仿真結(jié)果

實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析

研究人員通過(guò)光刻、干法刻蝕、濕法刻蝕、陽(yáng)極鍵合等MEMS加工技術(shù)對(duì)光柵MOEMS加速度計(jì)進(jìn)行制備。為了評(píng)估光柵MOEMS加速度計(jì)性能，建立了加速度計(jì)靜態(tài)測(cè)試系統(tǒng)（測(cè)試系統(tǒng)依靠重力加速度施加，測(cè)試范圍為-1 g ~ 1 g）。為了減小由于溫度起伏對(duì)光柵加速度計(jì)零偏的影響，研究人員采用溫度閉環(huán)反饋控制技術(shù)將加速度計(jì)溫度變化控制在±10 mK范圍內(nèi)。加速度計(jì)在0 g狀態(tài)下，探測(cè)器輸出電壓經(jīng)過(guò)調(diào)理電路處理后，以0.02 s為采樣時(shí)間，長(zhǎng)時(shí)間（2000 s）記錄信號(hào)。通過(guò)Allan方差分析加速度計(jì)的零偏穩(wěn)定性，結(jié)果表明零偏穩(wěn)定性為3.7 μg，相比于未加溫控的情況，零偏穩(wěn)定性提升了近7倍。此外，對(duì)加速度計(jì)進(jìn)行靜態(tài)測(cè)試，測(cè)得加速度計(jì)靈敏度為5.23 V/g，線性相關(guān)系數(shù)為99.9%，分辨率為286.8 μg。

圖6 溫度控制電路原理圖

圖7 溫控閉環(huán)反饋電路效果對(duì)比結(jié)果

圖8 MOEMS加速度計(jì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

圖9 MOEMS加速度計(jì)零偏穩(wěn)定性

綜上所述，這項(xiàng)研究工作提出一種基于雙光柵泰伯效應(yīng)的MOEMS加速度計(jì)，通過(guò)對(duì)加速度計(jì)結(jié)構(gòu)尺寸和光柵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并采用溫度反饋控制技術(shù)，使得加速度計(jì)性能顯著提升。該研究為提升MEMS加速度計(jì)的零偏穩(wěn)定性提供了技術(shù)支撐。

論文信息：
DOI: 10.13250/j.cnki.wndz.24040403