柔性光波导加速度计的设计与制备

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加速度计是惯性导航、惯性制导和检测设备的重要测试元件,广泛应用于航空、航海、宇航、精确制导、地震检测和地质勘探等领域。随着微机械加工技术与集成光学技术的发展,将MEMS技术与光学测量技术相结合的微光机电(MOEMS)加速度计由于具有精度高、抗电磁干扰、耐腐蚀等显著优势,近年来得到了越来越多的关注。本文主要研究了一种基于马赫—曾德尔(Mach-Zehnder,MZ)干涉式柔性光波导结构的MOEMS加速度计,包括柔性光波导结构的设计与制备、加速度计传感性能的测试等一系列工作。  MZ干涉式柔性光波导加速度计的工作原理是:传感器敏感轴方向的加速度会引起光波导的弹性形变,在波导的弹光效应和弹性伸缩的共同影响下,MZ干涉式光波导结构中测量臂的光场传输相位随着待测加速度发生线性变化,而加速度值将由MZ干涉的输出光强进行表征。文中详细推导了该加速度计的传感数学模型,分析了悬臂梁参数对加速度计自然振荡频率和灵敏度的影响。针对MZ干涉式柔性光波导结构的实现进行了仿真分析以及实验制备工作。由于Y分支的设计对器件插入损耗有着较大的影响,因而对其进行了仿真分析,结果表明Y分支的过渡波导应选择抛物线型锥形波导,分支张角应设计为3.5°。研究中分别以FPI和SU-8作为芯层进行了波导结构和工艺流程的设计,并以两种波导为基础进行MZ干涉式柔性光波导结构的制备实验,得出以SU-8作为波导芯层材料制备出的器件具有更好的通光效果和更高的成品率。在制备出MZ干涉式柔性光波导结构的基础上,进行了器件传感性能的测试,实验结果表明测量臂中的传输相位敏感位移和加速度的灵敏度分别为104.72 rad/mm、120.77 rad/g,与理论分析值相当,验证了传感模型的正确性,输出光强传感加速度的灵敏度为15.058μw/g、噪声为7.7 nw、线性度约为7.02%,在此基础上分析了样机在制备中尚存在的不足之处。本文的研究内容为光波导加速度计的进一步研究提供了参考。
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