基于波长调制的双端差分检测MOEMS加速度计

微光机电系统（MOEMS）加速度计综合了光学、微机械和电学等多种学科的特性，不仅具有一般MEMS传感器的体积小、低成本的优势，而且进一步拓宽了加速度计的应用范围，因此过去十几年得到了快速发展。根据光学原理，加速度计被分为光强调制、相位调制和波长调制等多种类型。基于光强调制原理设计的传感器发展较早，器件相对成熟，但其精度不高，光源稳定性直接影响加速度计的分辨率。相位调制型和波长调制型传感器基于其高精度、高稳定性和高可靠性等优点，成为MOEMS加速度计的主流趋势。

据麦姆斯咨询报道，为了进一步提升MOEMS加速度计性能，上海应用技术大学研究人员通过结合光学检测模块和加速度计微机械结构的优化分析，并综合微加工技术条件，设计了一种基于波长调制的双端差分检测MOEMS加速度计。该加速度计具有高灵敏度、高线性度、高稳定性和抗电磁干扰等优势。相关研究成果已发表于《应用技术学报》期刊。

该项工作中，为了设计一种高灵敏度、稳定性好、测试简便的光学加速度计，研究人员选择了对光源稳定性要求低、抗噪能力强的波长调制检测模块。基于建立的光学模型，通过改变活动光栅数、光栅间距、光栅厚度等影响透射光谱因子，分析了透射光谱变化对加速度计灵敏度、量程等性能影响。其中，活动光栅数增多，透射波的透射率变低，对加速度计检测部分要求变高；两光栅间距变小，透射波波长变化明显，加速度计的灵敏度提高，但量程变小；光栅厚度增加，透射光谱的禁带变窄，会影响加速度计的量程。通过研究这些影响因素，并总结透射光谱变化规律，研究人员完成了加速度计的优化设计。

不同活动光栅数的模型

综合光学检测模块的优化分析，并结合微加工技术条件，研究人员设计了一种具有双端差分检测结构的MOEMS加速度计。其质量块由4个Μ形梁支撑，2个活动光栅对称分布在质量块两边。当施加外部加速度时，连接在质量块上的活动光栅在传感方向中有相对位移，从而导致输出透射波长变化。通过检测波长变化，计算加速度的大小。该双端检测结构提高了器件的对称性，降低了交叉灵敏度的影响，同时在测试中能进行结果验证，使检测结果不受仪器连接等人为因素影响。

经仿真计算，该加速度计的机械灵敏度为3.83 µm/g，光学检测灵敏度为0.52 µm/g，分辨率为19×10⁻⁶ g，谐响应频率为471 Hz。

MOEMS加速度计结构

MOEMS加速度计的前二阶谐振模型

禁带中仿真11次的透射波示意图

加速度与透射波长特性曲线

该项研究提出的MOEMS加速度计具有高灵敏度、高线性度、高稳定性和抗电磁干扰等优势，将能够适用于强磁场、远程遥控等环境中的振动监测。

审核编辑：郭婷