微納光纖環(huán)MOEMS加速度傳感器理論與應(yīng)用研究.pdf

1、本文提出了一種基于微納光纖環(huán)形諧振腔的MOEMS加速度傳感器結(jié)構(gòu)。微納光纖是一種介觀量級(jí)的光波導(dǎo)線結(jié)構(gòu)，它既不同于普通光纖，也不同于集成光波導(dǎo)，這種微納光纖是利用大比例的倏逝波傳輸，具有高色散區(qū)、強(qiáng)倏逝波耦合、低彎曲損耗等特性。利用微納光纖所制作的光學(xué)器件，在一定程度上既解決普通光纖制作的光學(xué)器件尺寸很難縮小的問(wèn)題，同時(shí)又能彌補(bǔ)集成光波導(dǎo)器件制作難度高和損耗較大的缺點(diǎn)和不足，并且微納光纖的制作過(guò)程相對(duì)于集成光波導(dǎo)的制作工藝更為簡(jiǎn)單可行。

2、而由這種微納光纖構(gòu)成的環(huán)形諧振腔具有低損耗、品質(zhì)因素高的特點(diǎn)，因此微納光纖環(huán)形諧振腔可以作為一種高靈敏度的光學(xué)傳感器件。微納光纖環(huán)與硅MEMS傳感結(jié)構(gòu)相結(jié)合的MOEMS加速度傳感器是一種體積小、重量輕、功耗低、靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍大的加速度傳感器。本文的主要研究?jī)?nèi)容包括以下幾個(gè)方面： 1、對(duì)加速度傳感器的測(cè)量原理，發(fā)展歷史和主要分類作了簡(jiǎn)要介紹。并結(jié)合MEMS和MOEMS的概念，分析了目前一些典型的MEMS和MOEMS加速度傳感器

3、的工作原理及各自的優(yōu)缺點(diǎn)。提出了本文的主要研究?jī)?nèi)容，研究目標(biāo)以及主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)。 2、詳細(xì)介紹了亞微米直徑微納光纖的傳輸理論和制作方法，并分析了微納光纖的物理特性。深入研究了由微納光纖構(gòu)成的環(huán)形諧振腔的傳輸特性，以及影響諧振腔Q值的主要因素。 3、結(jié)合微納光纖環(huán)形諧振腔高Q值、高靈敏度的特點(diǎn)，我們首次提出了一種將微納光纖環(huán)形諧振腔與硅MEMS傳感結(jié)構(gòu)相結(jié)合的加速度傳感理論，并建立了基于該MOEMS加速度傳感結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，分

4、析了其探測(cè)靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍，并根據(jù)該傳感結(jié)構(gòu)的輸出特性，提出了信號(hào)檢測(cè)的方法。 4、圍繞硅MEMS加速度傳感結(jié)構(gòu)的參數(shù)設(shè)計(jì)、有限元仿真、制作工藝等展開(kāi)詳細(xì)研究，確定了該MEMS傳感結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)、制作方法以及工藝流程，最后通過(guò)雙面環(huán)氧樹(shù)脂聚合物保護(hù)的深度體硅濕法刻蝕工藝完成該MEMS傳感結(jié)構(gòu)的制作。 5、結(jié)合該MOEMS傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，我們構(gòu)建了微納光纖環(huán)與MEMS傳感結(jié)構(gòu)相粘接的微操作裝置，并詳細(xì)介紹了MOEMS加速

5、度傳感器的制作過(guò)程。通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)制作完成的MOEMS加速度傳感器的輸出光譜特性，模擬高g值的光譜檢測(cè)、低頻動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，重力場(chǎng)翻轉(zhuǎn)輸出光強(qiáng)的靈敏度檢測(cè)以及溫度效應(yīng)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明我們制作的MOEMS加速度傳感器采用光譜檢測(cè)的方式可以實(shí)現(xiàn)超過(guò)30g大動(dòng)態(tài)范圍的測(cè)量，重力場(chǎng)翻轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)中輸出光強(qiáng)的探測(cè)靈敏度為624．7mV/g，為普通商用MEMS加速度傳感器實(shí)際輸出靈敏度的6～10倍。而相關(guān)研究表明微光纖環(huán)形諧振腔的Q值還有較大的提升空間