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光学MEMS（MOMES）加速度传感器

摘要：

自从MEMS加速度传感器面世以来，由于其具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量生产、易于集成等优点，因而发展迅速，一直作为最重要的惯性仪表之一。随着MOEMS技术的发展，为了解决现有的MEMS加速度传感器普遍存在的精度较低的问题，利用光学测量精度高的优势与MEMS技术相结合的MOEMS加速度传感器的研究成为了一个重要的发展方向。本文先简要介绍了MOMES的概念及发展应用，然后介绍了五种目前典型的MOMES加速度传感器，并分别介绍了它们的原理、构造及优缺点。最后对MOMES加速度传感器的未来进行了展望。

关键词：MEMS MOMES 加速度传感器

一、引言

自从MEMS加速度传感器面世以来,由于其具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量生产、易于集成等优点，因而发展迅速，一直作为最重要的惯性仪表之一，用于惯性导航与惯性制导系统中，尤其与航空、航海与航天领域中的运载体的自动驾驶及高技术武器的高精度制导联系在一起而倍受重视,，此需求量大大被激发，各种新型加速度计应运而生，其性能和精度等各项参数也有了很大的完善和提高。

随着MOEMS技术的发展，为了解决现有的MEMS加速度传感器普遍存在的精度较低的问题，利用光学测量精度高的优势与MEMS技术相结合的MOEMS加速度传感器的研究成为了一个重要的发展方向。

二、MOMES概念及发展

2.1 MOMES的概念

MOEMS (Micro-opto-electro-mechanical Systems)是指微光机电系统，也可称为光学MEMS (Optical MEMS)，是微光学技术与MEMS技术结合的微系统技术，如图2.1示。MOEMS是当前性能最佳、精度最高、知识密集度最高的微系统。

图2.1 MOMES的构成

2.2 MOMES的发展及应用

将MEMS技术引入光学领域在近十年来越来越多，而且由于引入微光学体现了MOEMS的先进性、高技术性和多功能性，因此将会是MEMS未来的发展方向。随着集成光学的急速发展，半导体激光、光波导、微反射镜、微透镜、微光栅、微干涉也得到了快速发展。同时基于固态非线性光学、无需运动部件的光扫描和光调制微器件的产生以及只要很小的力就可以移动反射镜及改变光路形

成微执行器的产生，使光学MEMS可以应用在通信网络、存储器、传感器、生物化学分析等各个方面。图2.2所示是MEMS中微光学的应用。

图 2.2 MEMS中的光学技术

MOEMS的新进展主要体现在通过微加工工艺使光学器件小型化，目前的应用研究主要集中在以下方面：一是研究如何通过反射面的物理运动对光进行空间调制，比如基于MOEMS的显示、投影设备，其成果以数字微镜阵列(DMD)和光栅光阀(GLV)为代表；二是在通信系统中的应用,主要研究如何通过器件的物理运动来控制光路发生预期的改变，其研究成果主要有光开关、光栅、光滤波器以及波分复用器等;第三是在光学平台和光扫描数据存储等方面的研究，主要研究成果有各种微铰链、微透镜,以及基于MEMS技术的光学扫描仪器，可应用与排版印刷、质量检测、条形码阅读、医学成像等方面。 2.3 MOMES的优势

MOEMS器件能够把各种MEMS结构与微光学器件完整地集成在一起，形成一种全新的功能器件或系统，与普通光学器件相比，MOEMS具有很大的优势，主要体现在：

1.体积小，重量轻，响应速度快

MOEMS器件的尺寸主要由微加工工艺水平及采用的加工方法决定，大都在微米量级。这样小的器件通常可以通过光刻、离子刻蚀等技术经一次或多次加工完成。MOEMS器件的响应速度在100 ns~ 1 S范围内，有的甚至可以达到20ns，

这是普通光学器件所无法达到的。 2.驱动电压低,能耗低

MOEMS器件可以在很低的驱动电压下工作，一般的工作电压是几伏到几十伏。

3.成本低，可实现批量生产

基于MEMS技术制造的器件，依赖于成熟的桂加工技术，可以实现大批量的生产。并且由于采用了集成电路芯片的生产技术,芯片本身的封装已经达到了高度的集成化,使其生产成本也大大降低。

三、MOMES加速度传感器

3.1MOMES加速度传感器概述

随着MOEMS技术的发展，为了解决现有的MEMS加速度传感器普遍存在的精度较低的问题，因此，利用光学测量精度高的优势与MEMS技术相结合的MOEMS加速度传感器的研究成为了一个重要的发展方向，与MEMS加速度传感器相比，MOEMS的加速度传感器具有抗干扰能力强，适宜于强电磁干扰及强腐姓环境，灵敏度高，体积小重量轻，适合于航空航天及狭窄空间的应用，并且成本相对较低等诸多优点。

3.2目前典型的MOEMS加速度传感器

目前MOEMS的加速度传感器大多数都还处于实验室研究阶段，国内外对MOEMS加速度传感器的研究主要有以下一些类型： 3.2.1 基于微纳光纤环的MOEMS加速度传感器

基于微纳光纤环的加速度传感器的传感原理是基于微纳光纤环传输光的特性以及环内形成的谐振效应。其基本方法为：通过二步拉伸法将普通光纤拉至直径只有微纳量级的光纤，将微纳光纤打结形成微纳光纤环，通入的光源以倏逝波的形式在连接处輔合，从而在环内传输形成谐振，将环固定在连接基底量块的悬臂梁上如图3.1所示。当有加速度施加时，会引起悬臂梁的形变，从而导致光纤环的直径发生改变，以及光纤的折射率等发生改变，进而导致输出光谱发生移动，通过探测光谱的移动即可得到加速度的大小。