面向加速度检测的MEMS微环谐振腔传感关键技术研究

微光机电系统（MOEMS）是近几年在MEMS技术中发展起来的一种新技术系统，它相比于传统的微机电器件可实现高度的集成化和功能一体化，目前已成为全球的最热门的技术系统之一。其中，光学微环谐振腔凭借其突出的光学性能、可靠的稳定性以及极高的灵敏度，已成为构建新型MOEMS器件的新途径。本论文将微环谐振腔耦合系统与悬臂梁作为传感单元，以微环谐振腔在微纳尺度下的力光耦合效应和应力双折射效应为传感机理，开展面向加速度检测的传感应用研究。由于传感性能主要由微环谐振腔的光学特性来决定，因此对耦合系统开展了深入研究；进行了微悬臂梁设计分析，并对其工艺制备进行了初步研究。通过研究微环谐振腔的光学特性，设计了基于MEMS微环谐振腔的悬臂梁式微加速度计。以力光耦合效应和应力双折射效应为原理，建立了传感器理论模型，分析了微环谐振腔尺寸参数、悬臂梁尺寸以及传感器灵敏度之间的关系。分别运用有效折射率法和有限时域差分方法（FDTD），针对不同参数的基于SOI材料的微环谐振腔耦合系统进行了光学仿真，并结合以往设计经验进行了耦合系统的优化设计；运用有限元分析法（ANSYS）对悬臂梁结构进行优化设计，提出了切实可行的设计方案，通过MEMS工艺实现了结构制备，尤其对含耦合光栅的系统结构的工艺流程进行了详细介绍，并对悬臂梁的工艺进行了初步研究。测试过程中应用窄线宽（30GHz）连续可调谐激光器作为光源，NewFocus 25GHz光电探测器作为信号接收器，分别针对端面耦合法和平面耦合法搭建了耦合系统测试平台。实验发现应用垂直耦合光栅可以实现光纤与波导间的高效耦合，所测实验结果显示：微环谐振腔品质因数可达9·104，所设计的加速度传感器理论灵敏度为35.4mv/g，为实现高灵敏微加速度传感器提供了坚实基础。