[发明专利]一种基于微纳波导倏逝场耦合的单片式光学MEMS加速度计

说明书

本发明属于微机电系统和微惯性器件技术领域，具体涉及一种基于微纳波导倏逝场耦合的单片式光学MEMS加速度计，包括输入硅纳米线、弯曲硅纳米线、输出硅纳米线、质量块、悬臂梁、支撑结构，所述弯曲硅纳米线固定在质量块上，所述弯曲硅纳米线的一端与输入硅纳米线耦合，所述弯曲硅纳米线的另一端与输出硅纳米线耦合，所述质量块通过悬臂梁与支撑结构连接，所述输入硅纳米线、弯曲硅纳米线均固定在支撑结构上。本发明基于光学原理，通过检测波导中光功率变化实现加速度检测，具有免疫电磁干扰和外界环境光干扰的特点；根据微纳波导倏逝场耦合原理，极其微小的位移将会引起耦合效率的剧烈变化，具有很高的测量灵敏度。

技术领域

本发明属于微机电系统和微惯性器件技术领域，具体涉及一种基于微纳波导倏逝场耦合的单片式光学MEMS加速度计。

背景技术

受益于体积小、成本低等特点，MEMS加速度计被广泛应用于航空航天、民用消费、汽车导航等多个领域。目前，传统的MEMS加速度计主要以压阻式和电容式为主。压阻式MEMS加速度计利用半导体的压阻效应实现加速度的检测。受原理限制，此类加速度计灵敏度较低，通常用于中低精度测量应用。电容式加速度计基本原理为质量块与固定结构之间极板间距的改变引起加速度计输出电容的变化。此类加速度计，具有功耗小、灵敏度高的优点，但是易受到外界电磁干扰，且受限于寄生电容影响，灵敏度等性能受限。除此之外，电容式加速度计基于双层极板结构，要求极板间严格的装配参数。综上所述，目前传统基于压阻效应、电容效应等电学原理的MEMS加速度计，面临灵敏度难以进一步提高、易受电磁干扰、装配难度大等挑战。

发明内容

针对上述目前MEMS加速度计检测灵敏度低、抗电磁干扰能力差、装配难度大的问题，本发明提供了一种基于微纳波导倏逝场耦合的单片式光学MEMS加速度计，基于硅纳米线倏逝场效应，实现不同硅纳米线间的光学能量转移。利用不同耦合结构参数下，纳米线耦合效率不同的特点，将加速度引起的质量块位移转变为不同硅纳米线间重叠长度改变量，最终通过检测输出端纳米线输出功率实现对加速度的检测。本发明基于光学原理，通过检测波导中光功率变化实现加速度检测，具有免疫电磁干扰和外界环境光干扰的特点。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种基于微纳波导倏逝场耦合的单片式光学MEMS加速度计，包括输入硅纳米线、弯曲硅纳米线、输出硅纳米线、质量块、悬臂梁、支撑结构，所述弯曲硅纳米线固定在质量块上，所述弯曲硅纳米线的一端与输入硅纳米线耦合，所述弯曲硅纳米线的另一端与输出硅纳米线耦合，所述质量块通过悬臂梁与支撑结构连接，所述输入硅纳米线、弯曲硅纳米线均固定在支撑结构上；所述输入硅纳米线的端面输入泵浦光，所述泵浦光耦合入输入硅纳米线中以导波方式传输，然后通过倏逝场耦合的方式导波能量从输入硅纳米线耦合入位于质量块上的弯曲硅纳米线中，在弯曲硅纳米线中传输一段距离后，同样经由倏逝场耦合入输出硅纳米线中，当输入加速度量，所述质量块与支撑结构发生相对位移，带动弯曲硅纳米线相对输入硅纳米线、输出硅纳米线发生轴向位移，弯曲硅纳米线和输出硅纳米线的位移引发重叠长度改变，从而导致耦合效率变化，通过检测输出硅纳米线输出光功率变化推算出弯曲硅纳米线位移量，进而计算出输入加速度量大小。

所述输入硅纳米线的一侧设置有半导体激光器，所述输入硅纳米线与半导体激光器之间设置有透镜，所述输出硅纳米线的一侧设置有光电探测器。

所述泵浦光的中心波长范围为1100nm至2200nm，所述泵浦光的光谱半高宽小于10nm。

所述泵浦光输入输入硅纳米线的耦合方式采用光栅衍射耦合、透镜聚焦或端面对准直接耦合，所述泵浦光输入输入硅纳米线的耦合效率50％。

所述悬臂梁采用T形梁结构或蛇形弹簧结构，所述质量块、悬臂梁、支撑结构的材料均采用Si。

所述输入硅纳米线、弯曲硅纳米线、输出硅纳米线的截面面积小于(1/20)λ²，所述λ为泵浦光的中心波长，所述弯曲硅纳米线与输入硅纳米线、输出硅纳米线的间距小于(1/3)λ。