单片集成光子MEMS加速度计，兼具高灵敏度与宽动态范围
2026-08-02 09:46:35 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
研究人员提出了一种集成光子MEMS加速度计的设计、建模与实验表征方法。该加速度计通过引入相位展开技术，在实现高灵敏度的同时显著提升了动态范围。
集成光路（PIC）已经革新了光通信和信息处理领域，但其在高精度惯性传感方面的潜力仍未得到充分开发。迄今为止，光子加速度计的发展一直受到读出复杂性高、动态范围有限以及实验验证不足等因素的制约。
据麦姆斯咨询报道，近日，德克萨斯大学奥斯汀分校（University of Texas at Austin）的研究团队提出了一种集成光子MEMS加速度计的设计、建模与实验表征方法。该加速度计通过引入相位展开（phase-unwrapping）技术，在实现高灵敏度的同时显著提升了动态范围。实验测得该器件的噪声底为2.0 μg/√Hz，通过同步增加输入光功率以及悬臂梁上波导环路数量，有望进一步将噪声水平降低至约10 ng/√Hz。二者共同作用，预计可使输入等效散粒噪声限制灵敏度达到热机械噪声极限。通过结合基于椭圆拟合的相位展开算法，该加速度计能够在显著扩展的测量范围内实现精确的相位恢复。
这是首个在单片光子集成芯片中实现条纹计数（fringe-counting）功能的MEMS加速度计，也是首次针对该策略在集成光子惯性传感器中的应用开展系统性研究。这些研究结果表明，集成光子技术为实现高动态范围惯性传感提供了一种具有潜力的平台，并为发展超越现有芯片级技术的片上集成MEMS加速度计提供了一条新的技术路径。上述研究成果以“An integrated monolithic photonic accelerometer with on-chip fringe-counting”为题，发表于Microsystems & Nanoengineering期刊。
集成光子MEMS加速度计设计
该集成光子MEMS加速度计基于同一悬臂梁上的两个马赫–曾德尔干涉仪（MZI）构建而成。如图1a所示的三维CAD模型展示了该加速度计悬臂梁及光纤阵列的连接位置。光信号通过与光栅耦合器相连的光纤阵列耦合进入芯片。进入芯片后的光被分为三路：一路为参考臂，另外两路分别为两个独立的传感臂。图1b、1c中的CAD版图给出了参考臂和传感臂的位置布局。两个传感臂均位于柔性悬臂梁的上表面，并沿悬臂梁延伸。图1d为器件工作原理示意图，展示了输入光功率在各光路中的分配方式。参考臂输出的光进一步分为两路，分别与两条传感臂输出的光相干合束，从而构成两个相互独立的MZI。两个MZI的输出光分别通过光栅耦合器离开芯片。当加速度作用于光子芯片基底时，悬臂梁发生机械变形，使每个干涉仪中传感臂与参考臂之间产生光学相位差。该相位差进一步转化为输出光功率的变化，并由芯片外部的光纤耦合光电探测器进行检测。图1e为集成光子MEMS加速度计芯片实物照片，可见经刻蚀形成的机械悬臂梁结构；图1f为双MZI波导区域的显微照片。
图1 基于双MZI读出的集成光子MEMS加速度计（Z轴）设计原理与结构
集成光子MEMS加速度计制造
该光子芯片采用标准的SiN波导工艺进行制造。其中，SiN表示采用低压化学气相沉积（LPCVD）制备的化学计量比氮化硅波导层；SiO₂表示二氧化硅包层/缓冲层。光子芯片制造完成后，在大学洁净室设施中对其进行了后处理工艺。如图2所示，其中步骤a–e在德克萨斯大学奥斯汀分校洁净室完成，而步骤f–g则在德克萨斯农工大学洁净室完成。
图2 集成光子MEMS加速度计制造工艺流程
实验测试与性能评估
研究人员对完成封装的加速度计进行了实验测试与性能表征。芯片安装于激振器（Wilcoxon F4）上，并由Polytec公司PSV-500型扫描激光多普勒测振仪（SLDV）的数据采集系统（DAQ）产生的受控激励信号进行激励。采用PSV-500对芯片整个表面的振动响应进行非接触式测量，获取其在周期性测试信号激励下的表面振动分布，同时同步记录两个MZI的输出信号。图3b展示了PSV-500激光多普勒测振仪的激光测量头及激振器测试平台。图3c和图3d分别为不同放大倍率下的芯片照片。
图3 封装后的加速度计的振动测试与性能表征平台
为了获得鲁棒的椭圆拟合，两个MZI产生的相位信号应覆盖足够大的变化范围。为此，在接近悬臂梁一阶固有谐振频率（1315 Hz）处，向激振器施加正弦激励信号，以产生较大的相位变化。图4a给出了利用激光多普勒测振仪扫描得到的悬臂梁在一阶机械振动模态下的挠曲分布；图4b展示了两个MZI对应的光电探测器输出电压波形。对于所示的每一路波形，首先减去其静态偏置电压，再对信号进行归一化处理，使其取值范围为−1至+ 1之间。图4c中归一化处理后的电压信号轨迹呈现为清晰的椭圆，而图4d中展开后的相位呈现出规则的正弦波形，这与LDV测得的悬臂梁自由端位移一致。这证实了两路信号之间的底层映射关系正是预期的余弦和正弦函数对。
获得椭圆参数后，集成光子MEMS加速度计完成标定，随后的所有测量均可通过该方法获得展开后的相位信号。接下来，研究人员向激振器施加了一个持续时间为4 s、占空比为50%的突发正弦激励信号。该激励信号包含约2600个激励周期，足以使悬臂梁振动达到稳态振动状态。光电探测器1和2电压输出的快速傅里叶变换（FFT）如图4e所示，图4f为展开光学相位的FFT幅值。图4f中标注的1.61906 rad和0.00444 rad分别表示1315 Hz处基频信号分量和2630 Hz处最大幅值谐波分量（主导失真谐波）的幅值。两者的比值即对应于低于1%的总谐波失真（THD）。上述结果表明，所提出的方法能够显著提升动态范围，并有效抑制谐波失真。
图4 集成光子MEMS加速度计谐振响应与正交光学相位读出
最后，研究人员对集成光子MEMS加速度计的灵敏度与噪声特性进行了表征，结果如图5所示。在实验中，光电探测器处的光功率为33 μW。在平坦频带区域内，对应的散粒噪声为2.0 μg/√Hz。理论上，如果输出光功率提高至1 mW，则输入等效散粒噪声将降低至363 ng/√Hz。热机械噪声底与光学系统参数无关，因此也作为参考值绘制在图中。考虑到悬臂梁的19 mg有效质量，在平坦频带区域内，该噪声约为10 ng/√Hz。
图5 集成光子MEMS加速度计频率响应与噪声性能
结论
综上所述，这项研究工作提出了一种新型光机械加速度计，并对其设计、制造及性能表征进行了系统研究。该加速度计将柔性机械结构与光学检测所带来的高灵敏度相结合。两个具有不同静态相位偏置的MZI被集成于同一机械悬臂梁上，从而实现了一种基于椭圆拟合和相位展开的零差检测（homodyne detection）方案。该方法无需将加速度计偏置在固定工作点，并克服了噪声底与最大可测加速度之间的权衡限制。与传统的MZI结构相比，本文所提出的集成光子MEMS加速度计实现了动态范围的大幅提升。
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