中國電子元件行業(yè)協(xié)會
China Electronic Components Association
高精度檢波器在石油和天然氣勘探以及地震監(jiān)測等陸地應(yīng)用中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。光機(jī)械精密測量的發(fā)展為檢波器提供了一種新的設(shè)計(jì)方法，與傳統(tǒng)的檢波器相比，它具有更高的靈敏度和更小的尺寸。
近日，華中科技大學(xué)劉驊鋒教授團(tuán)隊(duì)提出了一種基于平凹型（plano-concave）法布里-珀羅（F-P）微腔的光機(jī)械MEMS檢波器，其靈敏度高達(dá)146 V/g。該F-P微腔包括一個(gè)傳感元件上的可移動(dòng)反射鏡和一個(gè)固定半球形微鏡，由絕緣體上硅（SOI）和單晶硅晶圓制造而成。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該光機(jī)械MEMS檢波器在100~200 Hz頻率范圍內(nèi)具有2.5?ng/√Hz的低本底噪聲（位移本底噪聲為6.2?fm/√Hz）、500?Hz（-3 dB）的寬帶寬、±4?mg的測量范圍。為了降低來自激光源和溫度、空氣波動(dòng)等環(huán)境因素產(chǎn)生的共模噪聲，研究人員采用了平衡檢測方法。該方法顯著降低了本底噪聲，幾乎達(dá)到了熱噪聲極限（2.5?ng/√Hz）。此外，該研究還展示了一種直徑為40 mm的緊湊型封裝的光機(jī)械MEMS檢波器，其高性能和魯棒特性在石油和天然氣勘探等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。上述研究成果以“An optomechanical MEMS geophone with a 2.5?ng/√Hz noise floor for oil/gas exploration”為題發(fā)表于Microsystems & Nanoengineering期刊。
本項(xiàng)研究所開發(fā)的光機(jī)械MEMS檢波器直徑為40 mm，高度為45 mm，重量為75 g，由三個(gè)主要部件構(gòu)成：MEMS傳感芯片、光纖準(zhǔn)直器和對準(zhǔn)調(diào)節(jié)器。對準(zhǔn)調(diào)節(jié)器確保高斯光從光纖以垂直入射的方式精確準(zhǔn)直進(jìn)入微腔（圖1a）。平凹F-P微腔的設(shè)計(jì)特點(diǎn)是傳感元件上有一個(gè)可移動(dòng)的反射鏡和一個(gè)固定的半球形微鏡（圖1b）。傳感元件包括一個(gè)校準(zhǔn)質(zhì)量塊和懸掛梁，并且校準(zhǔn)質(zhì)量塊能夠進(jìn)行平面外運(yùn)動(dòng)。
圖1 光機(jī)械MEMS檢波器概念示意圖
該光機(jī)械MEMS檢波器的原理分為兩個(gè)部分：一是通過傳感元件將加速度轉(zhuǎn)化為位移，二是通過F-P微腔進(jìn)行光干涉位移測量。傳感元件被概念化為一個(gè)理想的二階響應(yīng)系統(tǒng)，其特征由其基頻???決定（如圖1c所示）。光機(jī)械MEMS檢波器工作時(shí)，入射光穿過半球形微鏡，被傳感元件反射。激光波長λ被鎖定在諧振波長（~1550 nm）的邊帶上（圖1d）。
考慮到硅材料對紅外光的透明特性，研究人員利用SOI和單晶硅晶圓通過體硅工藝制造平凹F-P微腔。MEMS制造工藝和制得的光機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 光機(jī)械檢波器的MEMS制造工藝
光學(xué)讀出系統(tǒng)采用平衡檢測法，可有效抑制光噪聲（圖3a）。1550 nm激光器發(fā)出的光通過1?×?2光纖耦合器被分為兩路：傳感光路和參考光路。為了確保兩光路的強(qiáng)度一致，采用了兩個(gè)可變光衰減器。傳感光穿過光纖環(huán)形器（CIR）到達(dá)F-P微腔。然后，來自微腔的干涉光返回CIR，最終到達(dá)帶有5 Hz高通濾波器的平衡光電探測器（Thorlabs：PDB435C-AC）。同時(shí)，參考光直接從PDB收集。此外，MEMS芯片安裝在PZT激振器上，使傳感元件在動(dòng)態(tài)測試期間能夠?qū)崿F(xiàn)納米級位移。為了評估所提出的光機(jī)械MEMS檢波器的性能，研究人員進(jìn)行了校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)、動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)和噪聲性能實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3、圖4和圖5所示。
圖3 光機(jī)械MEMS檢波器的校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)
圖4 光機(jī)械MEMS檢波器的動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)
圖5 光機(jī)械MEMS檢波器的噪聲性能實(shí)驗(yàn)
綜上所述，這項(xiàng)研究提出了一種基于平凹F-P微腔的緊湊型封裝的光機(jī)械MEMS檢波器，其本底噪聲低至2.5?ng/√Hz，帶寬為500?Hz，測量范圍為±4?mg。等效位移噪聲達(dá)到6.2?fm/√Hz，證實(shí)了F-P腔干涉術(shù)在精密測量中的潛力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過使用平衡檢測方法，可將源自激光源和溫度/空氣波動(dòng)的共模噪聲從15?ng/√Hz抑制到2.5?ng/√Hz的機(jī)械熱噪聲極限。因此，所提出的光機(jī)械MEMS檢波器具有高性能和魯棒性，適合應(yīng)用于石油和天然氣勘探。
