微纳光栅MOEMS加速度计的工作原理及仿真设计

微机电系统（MEMS）加速度计以其体积小、功耗低、成本低等优势广泛应用在无人驾驶、地震检测等领域。目前主流MEMS加速度计以电容式检测为主，相较于电容式加速度计，光栅位移检测极限要高于电容式1 ~ 2个数量级，因此基于光栅检测的微光机电系统（MOEMS）加速度计具备精密光学检测高精度和抗电磁干扰的优势，将其检测方式用于MEMS加速度计中，可以实现更高精度的加速度检测。

据麦姆斯咨询报道，近期，中北大学研究团队提出一种基于微纳光栅泰伯效应的MOEMS加速度计，通过对加速度计结构和光栅结构参数进行优化，使其在20 g量程范围内获得了较大的结构灵敏度和衍射效应灵敏度。通过采用温度闭环反馈控制技术，使加速度计零偏稳定性达到3.7 μg，相较于无温控情况提升了近7倍。最终实现微纳光栅MOEMS加速度计的灵敏度为5.23 V/g，线性相关系数为99.9%，分辨率为286.8 μg。相关研究成果以“微纳光栅MOEMS加速度计优化设计与测试”为题发表在《微纳电子技术》期刊上。

微纳光栅MOEMS加速度计工作原理

这项研究设计的微纳光栅MOEMS加速度计结构模型及工作原理如图1所示。加速度计主要由两层结构组成：上层结构由玻璃基底和沉积在玻璃基底上的光栅构成，下层结构为可动机械结构，具体由一个质量块、四个蟹形悬臂梁、环形反馈导线和第二层光栅构成。由于下层光栅是通过磁控溅射方式溅射于质量块表面，当加速度计受到敏感轴方向的加速度作用时，下层光栅会随着敏感质量块与上层光栅间形成相对运动，从而引起衍射光强强度的变化，通过光电探测器检测光强的变化即可得到外部加速度。

图1 微纳光栅MOEMS加速度计结构模型及工作原理

微纳光栅MOEMS加速度计仿真设计

为了保证MOEMS加速度计量程范围满足导航领域的需求，研究人员针对量程为20 g的加速度计结构进行设计，并通过COMSOL多物理场仿真软件对加速度计结构尺寸和参数进行优化，使其在20 g量程范围内获得较大的结构灵敏度和衍射效应灵敏度，同时通过仿真分析了该结构的交叉轴串扰情况。

图2 微纳光栅MOEMS加速度计力学分析

图3 MOEMS加速度计模态分析

图4 微纳光栅参数仿真分析

图5 MOEMS加速度计交叉轴串扰仿真结果

实验测试与分析

研究人员通过光刻、干法刻蚀、湿法刻蚀、阳极键合等MEMS加工技术对光栅MOEMS加速度计进行制备。为了评估光栅MOEMS加速度计性能，建立了加速度计静态测试系统（测试系统依靠重力加速度施加，测试范围为-1 g ~ 1 g）。为了减小由于温度起伏对光栅加速度计零偏的影响，研究人员采用温度闭环反馈控制技术将加速度计温度变化控制在±10 mK范围内。加速度计在0 g状态下，探测器输出电压经过调理电路处理后，以0.02 s为采样时间，长时间（2000 s）记录信号。通过Allan方差分析加速度计的零偏稳定性，结果表明零偏稳定性为3.7 μg，相比于未加温控的情况，零偏稳定性提升了近7倍。此外，对加速度计进行静态测试，测得加速度计灵敏度为5.23 V/g，线性相关系数为99.9%，分辨率为286.8 μg。

图6 温度控制电路原理图

图7 温控闭环反馈电路效果对比结果

图8 MOEMS加速度计实验测试结果

图9 MOEMS加速度计零偏稳定性

综上所述，这项研究工作提出一种基于双光栅泰伯效应的MOEMS加速度计，通过对加速度计结构尺寸和光栅参数进行优化设计，并采用温度反馈控制技术，使得加速度计性能显著提升。该研究为提升MEMS加速度计的零偏稳定性提供了技术支撑。

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

 

 

 

 

审核编辑：刘清