高g光学微腔加速度计的结构设计*

王晓倩，李 鹏，孟祥然，徐鹏飞，冯薪霖，薛晨阳，闫树斌*

(1.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，电子测试技术国家重点实验室，太原030051;2.山西大学物理电子工程学院，太原030006)

近年来基于MEMS技术的微惯性器件具有可靠性高、易于大规模集成、固有频率高等优点，集成和微加工技术广泛应用于构建大规模集成系统。针对惯性载荷场合测量的迫切需要，其加速度测量值可以高达104gn，这就要求加速度计不仅需要高的灵敏度，还要具有高的谐振频率与抗冲击能力。高g值加速度计主要用于高速运动载体在启动和着靶过程中速度变化的测量与控制，例如在航空航天领域以及导弹和侵彻引信的精确控制方面已经得到了广泛应用［1－6］。

微纳光波导与硅微机械传感结构相结合的MOEMS加速度传感器具有体积小、重量轻、功耗低、灵敏度高、动态范围大等特点，在军民用两方面如惯性系统、导弹系统、汽车安全、工业机器人和生物检测［7－8］等领域有着广泛的应用前景。文中所研究的是通过光弹效应并基于SOI(Silicon-On-Insulator)材料的高g值集成光学微结构加速度传感器［9］;通过对光学微结构和悬臂梁的尺寸进行优化设计分析，并运用ANSYS和FDTD软件模拟分析，得到的加速度计具有较高的灵敏度、谐振频率和较大的抗冲击能力。

1 加速度计原理概述

该加速度传感器的原理为在加速度作用下，结构受到的惯性力使悬臂梁发生弯曲，根据光弹效应，光在光波导和环形谐振腔倏逝场耦合时的传输特性发生变化;通过探测由于MEMS结构形变而引起的光学信号变化，可以得到高精度的悬臂梁位移变化，从而测定加速度值。……