李昕蔚，吳江波，閆 興，黃文逸，陳鼎威，李 建，黃勇軍，文光俊

(電子科技大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，四川成都 611731)

0 引言

加速度計是一種測量運動物體加速度大小的傳感器件，是慣性導(dǎo)航、慣性制導(dǎo)等系統(tǒng)中的關(guān)鍵慣性敏感元器件，也是各種工業(yè)設(shè)備、航空航天器中的機械故障和安全檢測的常用敏感器件，已廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、消費電子、工業(yè)自動化及機器人等領(lǐng)域。隨著微機電系統(tǒng)(micro electro mechanical system，MEMS)技術(shù)的出現(xiàn)，微加速度計技術(shù)隨之出現(xiàn)并得到快速發(fā)展，近年來基于MEMS技術(shù)的微加速度計技術(shù)研究及產(chǎn)品化已成為重點發(fā)展方向。微加速度計與常規(guī)加速度計相比，具有體積小、質(zhì)量輕、功耗低、成本低、可靠性好、易集成等優(yōu)點[1]，成為成熟和廣泛使用的MEMS設(shè)備之一。

常見的微加速度計按敏感原理可分為壓阻式、壓電式、電容式、隧道式、熱敏式、諧振式、光學(xué)式等多種經(jīng)典類型；按照加工工藝方法又可分為體硅工藝微加速度計和表面工藝微加速度計[2]。上述微加速度計在探測靈敏度、精度、測量范圍、穩(wěn)定性等性能指標(biāo)上，以及在加工成本、器件質(zhì)量和體積、環(huán)境適應(yīng)性等方面有著各自的優(yōu)缺點，且相互制約。然而，傳統(tǒng)的MEMS微加速度計受限于其本身存在的各種機械振子噪聲和電學(xué)類噪聲特性，難以獲得進一步的性能突破。同時，高精度MEMS微加速度計的制造工藝復(fù)雜、昂貴、耗時、不靈活、不容易定制或修改等缺點也將限制未來的進展[3]。

近年來，隨著微光機電系統(tǒng)(micro opto electro mechanical systems，MOEMS)技術(shù)的出現(xiàn)和快速發(fā)展，光學(xué)微加速度計方向取得許多顯著成就。MOEMS微加速度計結(jié)合光學(xué)測量和微機電系統(tǒng)的優(yōu)點，可實現(xiàn)高精度、高靈敏度、小體積和抗電磁干擾的加速度測量[4]。根據(jù)光學(xué)測量原理，可將MOEMS微加速度計分為幾何光學(xué)、波動光學(xué)和腔光力(cavity optomechanics)系統(tǒng)微加速度計等。其中，作為近年來被提出的一種新型微光機電系統(tǒng)，腔光力系統(tǒng)[5-6]是一種在微納尺度上同時存在高質(zhì)量光學(xué)腔體模式和機械振蕩模式，并且這兩種模式之間具有強耦合相互作用效應(yīng)的新型微納腔體結(jié)構(gòu)，其理論關(guān)鍵技術(shù)突破及應(yīng)用探索已成為國內(nèi)外重點和熱點研究發(fā)展方向。腔光力系統(tǒng)用于加速度和角速度傳感有巨大優(yōu)勢，使其在高精度慣性測量及慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中有很大應(yīng)用潛力[7]。

本文第1部分對傳統(tǒng)MEMS微加速度計進行綜述，簡要介紹各種MEMS微加速度計的工作原理，并分析其優(yōu)缺點；第2部分對近年來出現(xiàn)的MOEMS微加速度計進行回顧，簡要說明其基本工作原理，并討論其優(yōu)缺點；第3部分對前兩部分提到的所有微加速度計技術(shù)方案進行對比，分析其性能表現(xiàn)，并討論出可能最適用于高精度慣性測量及慣性導(dǎo)航應(yīng)用方向的微加速度計設(shè)計方案，給出該方案仍存在的諸多不足之處；第4部分對全文內(nèi)容進行總結(jié)和展望。

1 傳統(tǒng)MEMS微加速度計

1.1 壓阻式微加速度計

壓阻式微加速度計是較早提出和開發(fā)的一種微加速度計類型，其由懸臂和質(zhì)量塊以及沉積在懸臂上的壓阻材料構(gòu)成，如圖1(a)所示。由于懸臂發(fā)生形變時其固定端一側(cè)變形量最大，因此壓阻薄膜材料通常被沉積在懸臂固定端一側(cè)。該結(jié)構(gòu)在外加加速度作用下，懸臂在質(zhì)量塊受到的慣性力牽引下發(fā)生變形，導(dǎo)致固連的壓阻膜也隨之發(fā)生變形，其電阻值就會由于壓阻效應(yīng)而發(fā)生變化，導(dǎo)致壓阻兩端的檢測電壓值改變；通過確定的數(shù)學(xué)模型便可推導(dǎo)出加速度量值與輸出電壓值的關(guān)系[1]，并由測量的電壓值計算得到加速度量值。

圖1 壓阻式微加速度計工作原理圖及常見設(shè)計結(jié)構(gòu)

基于此工作原理，1979年斯坦福大學(xué)L. M. Roylance等率先提出了壓阻式硅基微加速度計技術(shù)及敏感結(jié)構(gòu)設(shè)計方法[8]。自2000年以后，為了提高壓阻式加速度計的靈敏度等性能，斯坦福大學(xué)提出將壓阻材料置于懸臂側(cè)面的改進結(jié)構(gòu)微加速度計[9-10]，其測試獲得的加速度探測精度可達0.25 mg/Hz1/2。2011年，美國韋恩州立大學(xué)Y. Li提出如圖1(b)所示在懸臂上方單獨設(shè)計壓阻材料的新型結(jié)構(gòu)微加速度計[11]，其測試獲得的加速度探測靈敏度達到0.36 mV/g。

國內(nèi)科研院所及高校也相繼研制出多種壓阻式微加速度計，如2005年中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所提出的軸向壓阻式加速度計結(jié)構(gòu)，其加速度探測靈敏度為106 mV/g[12]；2014年西安交通大學(xué)提出的多懸臂壓阻式加速度計結(jié)構(gòu)(如圖1(c)所示)，其測試加速度探測靈敏度達到1.045 mV/g[13]，這些設(shè)計均在一定程度上提升了加速度探測靈敏度等性能。同時，近年來研究者在進一步提升壓阻式微加速度計的交叉軸解耦性能，以及增加量程范圍等方面均已取得一定的突破[14-16]；而針對提高靈敏度及精度等方面，國內(nèi)外研究者也提出許多創(chuàng)新設(shè)計[17-20]。例如，2019年西安交通大學(xué)提出了一種新穎的三軸高g壓阻式加速度計結(jié)構(gòu)，測量靈敏度達到1.2 μV/g[17]，并在2020年又提出一種新型高性能壓阻加速度計，結(jié)構(gòu)如圖1(d)所示，加速度計傳感芯片的結(jié)構(gòu)采用壓阻式自支撐梁實現(xiàn)，壓敏電阻采用獨立于支撐梁的壓阻傳感微梁制成，該加速度計的探測靈敏度達到0.54 μV/g[18]。同年，陜西工業(yè)大學(xué)提出一種新型的開槽八梁結(jié)構(gòu)微機電硅壓阻加速度計，結(jié)構(gòu)如圖1(e)所示，圖中右側(cè)電阻表示感應(yīng)梁中的壓敏電阻。該加速度計的靈敏度達到2.03 mV/g[19]。此外，2021年印度中央電子工程研究所提出一種基于多晶硅的壓阻式微加速度計，靈敏度達到10 mV/g[20]。

壓阻式微加速度計具有結(jié)構(gòu)簡單、制作相對簡易等優(yōu)點，但其存在因壓阻材料的溫度系數(shù)較大導(dǎo)致加速度探測性能對溫度相對敏感，且靈敏度較低、蠕變和遲滯效應(yīng)較大等缺點，難以適用于對加速度探測靈敏度及精度要求較高的場景。

1.2 壓電式微加速度計

壓電式微加速度計與壓阻式微加速度計兩者在基本結(jié)構(gòu)上類似，其主要區(qū)別在于壓電式微加速度計結(jié)構(gòu)中懸臂固定端上沉積的敏感材料為壓電材料，如圖2(a)所示。壓電式微加速度計中當(dāng)有加速度作用時，壓電膜隨懸臂的變化而變形，薄膜中的電荷值因壓電效應(yīng)而產(chǎn)生改變，即可通過確定的數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)出待測加速度的量值與輸出電壓值的關(guān)系。

圖2 壓電式微加速度計工作原理圖及常見設(shè)計結(jié)構(gòu)

基于該工作原理，1997年加州大學(xué)伯克利分校D. L. Devoe等提出了一種新型壓電式微加速度計結(jié)構(gòu)，其采用平衡式多懸臂方法，測試獲得的加速度探測精度達到110 mg/Hz1/2，并提高了加速度探測線性動態(tài)范圍[21]。2013年，美國弗羅里達大學(xué)A. Koka等創(chuàng)新性地采用壓電金屬納米線陣列結(jié)構(gòu)，研制出高靈敏度壓電式加速度計，其測試探測靈敏度達到50 mV/g[22]。

2018年，Y. H. Wang等提出一種集成ZnO納米線的紙基壓電加速度計，結(jié)構(gòu)如圖2(b)所示，靈敏度達到16.3 mV/g[23]。2019年，國外學(xué)者繼續(xù)深入研究了基于氮化鋁等新型壓電薄膜材料的微加速度計[24]。

2021年，武漢大學(xué)提出一種帶有轉(zhuǎn)角的梯形懸臂梁式壓電微加速度計，結(jié)構(gòu)如圖2(c)所示，該結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)梯形結(jié)構(gòu)有更大的電壓靈敏度輸出，靈敏度可達7.95 mV/g[25]。同年，武漢大學(xué)又提出一種用于振動檢測的折疊梁式三軸壓電加速度計，結(jié)構(gòu)如圖2(d)所示，沿X、Y、Z軸的電荷靈敏度分別可達1.07 pC/g、0.66 pC/g和3.35 pC/g[26]。

壓電式微加速度計具有工作頻帶寬、功耗低、抗摔性好、溫度穩(wěn)定性高等優(yōu)點，但因壓電材料的DC漏電流效應(yīng)，這類微加速度計難以應(yīng)用于對低頻噪聲性能具有重要需求的慣性測量及慣性導(dǎo)航等應(yīng)用領(lǐng)域。

1.3 電容式微加速度計

電容式微加速度計是目前工業(yè)界最為常用的一種微加速度計。電容式微加速度計使用可變電容器作為敏感器件，電容器主要有平行板電極、橫向梳狀電極兩種結(jié)構(gòu)。平行板電容器結(jié)構(gòu)如圖3(a)所示，2個平行板之間形成電容器，其移動電極連接到質(zhì)量塊，固定電極連接到基板。隨著質(zhì)量塊的移動，移動電極和固定電極之間的間距發(fā)生變化，導(dǎo)致2個電極之間的電容值改變，測量電容變化量可計算得到加速度大小，這種電容式微加速度計常用于測量非共面加速度。橫向梳狀電容器結(jié)構(gòu)由質(zhì)量塊上的可移動的多電極組成，與固定多電極平行，質(zhì)量塊的位移將改變兩組電極之間的電容值。

圖3 電容式微加速度計工作原理圖及常見設(shè)計結(jié)構(gòu)

2004年，美國密西根大學(xué)安娜堡分校K. Najafi教授團隊提出了一種新型電容式微加速度計結(jié)構(gòu)，測試獲得的加速度探測分辨率達到1.6 μg/Hz1/2，提升了加速度探測性能[27]，隨后設(shè)計出一種三軸加速度計結(jié)構(gòu)[28]。2007年，美國佐治亞理工學(xué)院繼續(xù)采用增大質(zhì)量塊質(zhì)量并減小橫向梳狀電極間距的方法，測試獲得探測靈敏度為35 pF/g、偏置穩(wěn)定性為8 μg，提升了加速度計的各項性能指標(biāo)[29]。2013年，土耳其中東科技大學(xué)提出了差分交叉電極的電容式加速度計結(jié)構(gòu)[30-32]，如圖3(b)所示，其加速度探測精度達到11.5 μg/Hz1/2、偏置穩(wěn)定性為50 μg[30]。2019年，日本日立公司開發(fā)了一種可隔離部分電學(xué)噪聲源的低功耗低噪聲電容式微加速度計，其噪聲特性達到30 ng/Hz1/2[33]。隨著電容式微加速度計的快速發(fā)展，眾多三軸微加速度計相繼被提出[34-36]，其典型結(jié)構(gòu)如圖3(c)和圖3(d)所示。

與此同時，國內(nèi)北京大學(xué)、中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、西安交通大學(xué)、華中科技大學(xué)等也對電容式加速度計展開了相關(guān)研究工作，研制出多種結(jié)構(gòu)的電容式加速度計[37-40]。其中，西安交通大學(xué)測試獲得加速度探測噪聲性能可達到51.8 ng/Hz1/2[39]，性能達到同期國際水平，華中科技大學(xué)設(shè)計出一種帶有硅基彈簧質(zhì)量傳感元件的電容式加速度計，其結(jié)構(gòu)如圖3(e)所示，通過硅片刻蝕工藝來增加敏感結(jié)構(gòu)質(zhì)量以降低熱噪聲，其加速度探測噪聲性能可達到2 μg/Hz1/2，偏置不穩(wěn)定性可達4 μg[40]。

2021年，印度K. Gomathi等設(shè)計一種電容式加速度計，采用了電容面積變化技術(shù)來提高靈敏度，機械靈敏度達到0.350 6 μm/g[41]。同年，中科院半導(dǎo)體研究所提出一種基于玻璃硅復(fù)合晶片的新型電容式加速度計，其結(jié)構(gòu)如圖3(f)所示，有利于MEMS器件的垂直互連和小型化，噪聲水平達到11.28 μg/Hz1/2[42]。

電容式微加速度計具有結(jié)構(gòu)簡單、漂移率低、噪聲低和溫度敏感性低等優(yōu)點。然而，電容式微加速度計不能用于強電磁場環(huán)境，因為感測節(jié)點具有高阻抗特點。同時，電容式微加速度計結(jié)構(gòu)在大位移情況下非線性效應(yīng)較大，制約了這類微加速度計的加速度線性探測動態(tài)范圍。

1.4 隧道式微加速度計

隧道式微加速度計利用隧道針尖電極和連接到移動結(jié)構(gòu)的平板反電極之間的隧道電流的變化量來探測加速度大小，隧道式加速度計的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4(a)所示。當(dāng)尖端與反電極之間的間隙在10-10m量級時產(chǎn)生隧道電流，只要隧道電壓和分離間隙恒定，隧道電流不會改變。當(dāng)質(zhì)量塊由于施加的加速度而移動時，隧道尖端和電極之間的間距變化，隧道電流隨之改變[43]。1998年，美國密歇根大學(xué)安娜堡分校先后提出2種結(jié)構(gòu)的隧道式加速度計設(shè)計方案[44-45]，其加速度探測精度可達到2 μg/Hz1/2。2007年，國內(nèi)北京大學(xué)研制出的隧道式加速度計，測試獲得的探測精度為15 μg/Hz1/2[46]。2014年，印度理工學(xué)院提出一種用于高靈敏隧道式加速度計的PID控制建模設(shè)計，所用隧道式加速度計的結(jié)構(gòu)如圖4(b)所示[47]。2015年，美國德克薩斯大學(xué)研制出一種隧道式加速度計，結(jié)構(gòu)如圖4(c)所示，使用單掩模制作工藝，靈敏度高達6.5 μA/g[48]。2017年，俄羅斯南部聯(lián)邦大學(xué)設(shè)計了一種隧道式加速度計，并進行建模仿真[49]。

圖4 隧道式微加速度計工作原理圖及常見設(shè)計結(jié)構(gòu)

由于隧道電流對隧道間隙的變化高度敏感，隧道式微加速度計具有很高的靈敏度[43]。然而隧道電流和尖端電極間距具有指數(shù)關(guān)系，因此隧道式微加速度計須在閉環(huán)中工作以降低器件特性的非線性效應(yīng)[50]；同時，由于隧道電流隨溫度變化，導(dǎo)致這類微加速度計性能表現(xiàn)出很強的溫度依賴性[51]。隧道式微加速度計的制造工藝復(fù)雜、工作電壓高也限制其應(yīng)用和發(fā)展[43]。

1.5 熱敏式微加速度計

熱敏式微加速度計是一種加速度變化導(dǎo)致其熱力學(xué)特性改變的探測結(jié)構(gòu)，典型結(jié)構(gòu)如圖5(a)所示，其采用加熱板構(gòu)造質(zhì)量塊并放置在2個散熱片之間，并通過細長支撐臂連接到固定端。當(dāng)質(zhì)量塊因加速度作用而移動時，質(zhì)量塊和散熱片之間的間隙改變，間隙的變化導(dǎo)致加熱器和散熱器之間的熱通量變化，從而引起板之間的溫度改變，通過熱電堆測量出板的溫度變化量即可計算得到施加的加速度大小[52-53]。

圖5 熱敏式微加速度計工作原理圖及常見設(shè)計結(jié)構(gòu)

另一種熱敏式微加速度計是根據(jù)密封腔內(nèi)流體的自然對流來測量加速度大小[54-55]，其工作原理圖如圖5(b)所示。該器件由3個電阻條和1個刻蝕在條帶下方的硅襯底中的腔體組成，中間條帶當(dāng)作加熱器，側(cè)條帶用作溫度傳感器。當(dāng)無加速度作用時，加熱器產(chǎn)生對稱的溫度分布，差分輸出電壓值為零；當(dāng)施加加速度時，中間條帶周圍的溫度分布由于對流而改變，其產(chǎn)生的溫差與施加的加速度相關(guān)。2017年，印度理工學(xué)院總結(jié)了熱加速度計的最新研究進展，系統(tǒng)地分析評價了多種高性能加速度計設(shè)計方案的特點[56]。隨后，美國斯坦福大學(xué)及俄羅斯等研究單位相繼設(shè)計出了高靈敏度的熱敏式微加速度計[57]和三軸熱敏式微加速度計[58]，其靈敏度可達到0.054 ℃/g。

2019年，印度R. Mukherjee等設(shè)計了一種使用單軸結(jié)構(gòu)的雙軸熱敏式加速度計，在溫度610 K條件下，沿x軸加速時，其靈敏度為1.07 K/g，沿y軸加速時，其靈敏度為0.23 K/g[59]。同年，北京大學(xué)提出了一種新型微機電系統(tǒng)三軸熱敏加速度計，結(jié)構(gòu)如圖5(c)所示，有著更簡單的制作工藝和信號處理電路，2個正交方向的靈敏度分別為16.1 mV/g和18.4 mV/g[60]。2021年，印度提出一種采用十字形加熱器結(jié)構(gòu)的雙軸熱加速度計，結(jié)構(gòu)如圖5(d)所示，提高了靈敏度，615 K的峰值加熱器溫度下可達0.36 K/g[61]。

熱敏式微加速度計主要優(yōu)點是不需要大尺寸的運動質(zhì)量塊。然而，熱敏式微加速度計的感知特性與溫度相關(guān)，且靈敏度較低[56]、工作帶寬較窄。

1.6 諧振式微加速度計

諧振式微加速度計利用了機械諧振子的諧振頻率變化量與施加的加速度大小相關(guān)特性，主要有兩種方式獲得諧振響應(yīng)特性。第一種也是最常規(guī)的諧振式微加速度計是基于檢測質(zhì)量和諧振器之間的機械耦合傳導(dǎo)，結(jié)構(gòu)如圖6(a)所示。在這種諧振式微加速度計中，施加的加速度使質(zhì)量塊在慣性力作用下通過軸向力傳遞到機械耦合的諧振器，由于幾何效應(yīng)，諧振器中產(chǎn)生的軸向力導(dǎo)致諧振器的諧振頻率發(fā)生偏移。另一種諧振式微加速度計是基于質(zhì)量塊和諧振器的靜電耦合實現(xiàn)加速度探測，這在于質(zhì)量塊運動改變了質(zhì)量塊內(nèi)的靜電間隙，間隙的變化引起諧振器的靜電彈簧彈性系數(shù)的變化，導(dǎo)致諧振器的諧振頻率改變?；诘谝环N諧振式微加速度計工作原理，2010年意大利米蘭理工大學(xué)提出了一種新型諧振式微加速度計結(jié)構(gòu)，其測試計算獲得的加速度探測精度達到460 μg/Hz1/2[62]。2019年，英國劍橋大學(xué)提出了如圖6(b)所示的雙質(zhì)量塊架構(gòu)諧振式微加速度計，實驗測試獲得的噪聲極限達到98 ng/Hz1/2[63]。

圖6 諧振式微加速度計工作原理圖及常見設(shè)計結(jié)構(gòu)

2016年，國內(nèi)浙江大學(xué)提出了基于相同原理的雙軸諧振式微加速度計結(jié)構(gòu)，其加速度探測靈敏度達到275 Hz/g[64]。2018年至今，西安交通大學(xué)研制出了如圖6(c)所示的新型諧振式微加速度計，并利用單向電同步機制來提高該諧振式微加速度計的分辨率，其測試獲得的分辨率特性達到1.91 μg/Hz1/2[65-66]。2020年，國內(nèi)S. Wang等人提出了一種高性能的諧振式微加速度計，由一個六邊形質(zhì)量塊、6對微杠桿和6個相應(yīng)的雙端音叉組成，結(jié)構(gòu)如圖6(d)所示，分辨率約為6.6 μg[67]。2021年，西安交通大學(xué)提出了一種高穩(wěn)定的差動諧振式微加速度計，結(jié)構(gòu)如圖6(e)所示，實驗測得傳感器靈敏度為17.72 Hz/g，速度隨機游走為0.84 μg/Hz1/2，偏置不穩(wěn)定性為3.05 μg[68]。同年，清華大學(xué)提出一種靈敏的微機械諧振加速度計，其中2個雙端音叉諧振器對稱分布，形成輸入加速度的差分測量，可以使加速度計的比例因子加倍，結(jié)構(gòu)如圖6(f)所示，具有高達876 Hz/g的靈敏度、低至75 ng/Hz1/2的本底噪聲以及0.197 μg的零偏穩(wěn)定性[69]。

與典型壓阻和壓電式、電容式等微加速度計采用電壓或電流信號輸出相比，諧振式微加速度計的主要優(yōu)點是其測量諧振頻率信號的準(zhǔn)確度和精度更高，準(zhǔn)數(shù)字頻率輸出還可通過頻率計數(shù)技術(shù)解調(diào)信號，簡化其與數(shù)字信號處理系統(tǒng)的接口，可有效應(yīng)用于慣性測量及慣性導(dǎo)航領(lǐng)域。然而，諧振式加速度計只能應(yīng)用于隨時間緩慢變化的加速度量值測量，其探測加速度頻率上限在102Hz量級。

2 新型MOEMS微加速度計

2.1 光學(xué)微加速度計

光學(xué)微加速度計主要通過輸入加速度擾動產(chǎn)生的光波特性參量變化量來表征加速度大小，其可改變的光波特征參量包括光波強度、波長、相位等特性參數(shù)[70]，如圖7所示。使用強度調(diào)制的光學(xué)加速度計結(jié)構(gòu)如圖7(a)所示，其中質(zhì)量塊通過懸掛元件附接到基板，質(zhì)量塊的凸起部分位于輸入、輸出光纖之間。施加的加速度導(dǎo)致質(zhì)量塊發(fā)生位移，輸出光纖中光(透射光)強度隨之產(chǎn)生變化，據(jù)此通過測量透射光強度變化量可得到施加的加速度大小。

圖7 光學(xué)微加速度計工作原理圖及常見設(shè)計結(jié)構(gòu)

基于此原理，2008年美國桑迪亞國家實驗室N. A. Hall等提出了一種新型光學(xué)微加速度計結(jié)構(gòu)，其采用VCSEL激光源激勵連接有質(zhì)量塊的光柵，通過探測光柵反射光的強度來測量因加速度引起的光柵位移及加速度大小，其加速度探測精度理論可達到43.7 ng/Hz1/2[71]。2012年，加拿大蒙特利爾工程學(xué)院K. Zandi等通過集成法布里-珀羅腔(FP Cavity)以及片上光波導(dǎo)方式，實現(xiàn)了一種高性能光學(xué)加速度計，其測試獲得的加速度探測精度達到111μg/Hz1/2[72]。2016年，伊朗沙希德·貝赫什提大學(xué)A. Sheikhaleh等人利用一維(1D)光子晶體提出了一種基于強度調(diào)制的MOEMS加速度計的新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖7(b)所示，可用于從消費電子產(chǎn)品到慣性導(dǎo)航的各種應(yīng)用。具有119.21 nm/g的機械靈敏度，以及0.32%/g的光學(xué)靈敏度[73]。

此外，2017至今，國內(nèi)外研究者還提出了波長調(diào)制的光學(xué)微加速度設(shè)計結(jié)構(gòu)，當(dāng)加速度作用在質(zhì)量塊上時，其能引起透射波長的改變，通過檢測并計算透射波長的改變量即可計算出對應(yīng)的加速度大小。2017年，浙江大學(xué)Q. Lu等提出一種基于光柵干涉腔的MOEMS加速度計，并進行傳感結(jié)構(gòu)優(yōu)化，原理如圖7(c)所示，圖中包含一個光柵干涉測量腔和一個由檢測質(zhì)量、彈簧懸架和支撐結(jié)構(gòu)組成的機械傳感結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)超高靈敏度、低跨軸靈敏度和低頻應(yīng)用，噪聲為185.8 ng/Hz1/2[74]。2019年，伊朗沙希德·貝赫什提大學(xué)M. Ahmadian等基于波長調(diào)制，并利用石墨烯的特性，提出一種高靈敏度，寬帶寬，大線性測量范圍的石墨烯MOEMS加速度計，光學(xué)靈敏度為0.2111 nm/g，機械靈敏度為0.4617 nm/g[75]。同年，A. K. N. Shotorban等提出一種基于微環(huán)諧振器的MOEMS加速度計，如圖7(d)所示，具有0.002 5 nm/g的光學(xué)靈敏度、1.56 nm/g的機械靈敏度[76]。

2020年，中北大學(xué)K. Huang等提出基于一維光子晶體波長調(diào)制的新型MOEMS加速度計，如圖7(e)所示，其由4個彈簧連接的可移動檢測質(zhì)量塊感知振動信號,一維光子晶體系統(tǒng)則可以調(diào)制光信號，該加速度計靈敏度為2.06 nm/g[77]。2021年，伊朗沙希德·貝赫什提大學(xué)M. Taghavi等基于法布里-珀羅腔，提出一種雙軸MOEMS加速度計，如圖7(f)所示，得到的X和Y2個方向的分辨率分別為309 μg和313 μg[78]。同年，國內(nèi)Y. Yao等提出了一種基于光柵干涉腔的改進型MOEMS加速度計，并對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，得到加速度靈敏度約為60 V/g，噪聲為15 ng/Hz1/2[79]。

傳統(tǒng)光學(xué)微加速度計受到國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注，其主要原因是其具有抗電磁干擾能力強、探測靈敏度及精度高、環(huán)境適應(yīng)能力強等優(yōu)點[43]，但傳統(tǒng)光學(xué)微加速度計的制造封裝工藝、光學(xué)激勵及光學(xué)讀出檢測電路相對復(fù)雜，成本較高[80]。

2.2 腔光力系統(tǒng)微加速度計

基于微納加工技術(shù)實現(xiàn)的腔光力系統(tǒng)具有超強光-機械多模式耦合效應(yīng)，能在較低功耗激光激勵下產(chǎn)生超高Q值、超靈敏的機械振蕩信號[81-84]。而基于腔光力系統(tǒng)中機械振蕩模式對微弱力擾動高度靈敏的特點，以及機械振蕩頻率的高穩(wěn)定度特性[85]，國內(nèi)外學(xué)者已相繼提出基于腔光力系統(tǒng)的多種高性能微弱參量探測技術(shù)方案，包括微弱力和位移探測[86-88]、質(zhì)量探測[89-91]、磁場探測[92-96]、引力波探測[97]、加速度探測[98-105]，以及最近剛發(fā)表在Nature期刊上的原子力顯微鏡振動頻率檢測應(yīng)用[106]等。腔光力系統(tǒng)中特有的光彈性效應(yīng)可實現(xiàn)機械振子等效彈性系數(shù)的按需控制以及機械靈敏度的按需放大，這為設(shè)計實現(xiàn)高靈敏度、高精度、大動態(tài)范圍、高穩(wěn)定度的微加速度計提供了一種嶄新的技術(shù)解決方案，如圖8所示。

圖8 基于腔光力系統(tǒng)的高精度微加速度計

在微加速度探測技術(shù)方向，2012年美國加州理工學(xué)院對光子晶體腔光力系統(tǒng)深入研究基礎(chǔ)上，提出了基于一維納米梁結(jié)構(gòu)光子晶體腔光力系統(tǒng)的高精度微加速度計，其結(jié)構(gòu)(芯片)的SEM圖如圖8(a)所示[98]，其一維納米梁結(jié)構(gòu)光子晶體腔光力系統(tǒng)的上半部分被固定，下半部分與可移動的大尺寸硅薄膜層連接。該種結(jié)構(gòu)在激光激勵下工作在光機械諧振模式，當(dāng)x方向存在外加的加速度微擾時，等效于在x方向的力作用于可移動的大尺寸硅薄膜層，導(dǎo)致光子晶體腔光力系統(tǒng)的光機械耦合特性發(fā)生變化，通過光學(xué)讀出即可獲得作用加速度的大小，這種微加速度計探測分辨率能達到10 μg/Hz1/2。

2014年，美國馬里蘭大學(xué)采用尺寸更大的可移動機械結(jié)構(gòu)質(zhì)量塊，研制出探測精度為0.1 μg/Hz1/2的腔光力系統(tǒng)加速度計[99]。2016年，美國Y. Bao等設(shè)計一種具有半球形空腔的平均取向的腔光力系統(tǒng)加速度計，其采用法布里-珀羅干涉測量法和高精度光學(xué)腔來轉(zhuǎn)換加速度，實現(xiàn)優(yōu)于1 μg/Hz1/2的分辨率[100]。國內(nèi)浙江大學(xué)也提出了基于光柵的腔光力系統(tǒng)加速度計，如圖8(b)所示，該加速度計由一個基于光柵的腔體和一個由4個蟹形懸臂與1個質(zhì)量塊組成的加速度傳感芯片組成。光柵平行地安裝在傳感芯片的頂部,當(dāng)準(zhǔn)直激光束垂直入射光柵時,基于光柵的腔的輸出光強度隨腔的長度而變化,通過檢測其位置和入射光利用率,可計算出光柵和質(zhì)量塊之間的位移,進而得出輸入的外部加速度。實驗測試獲得探測分辨率達到1.325 μg/Hz1/2[101]。2018年，英國倫敦大學(xué)學(xué)院Y. L. Li等還提出了基于回音壁模式的腔光力系統(tǒng)微加速度計[102]，如圖8(c)所示，其探測分辨率可達到4.5 μg/Hz1/2，并于2019年提出該腔光力系統(tǒng)微加速度計的一種商業(yè)化路徑[103]。

2020年至今，電子科技大學(xué)Y. Huang等已設(shè)計研制出用于探測加速度的硅基腔光力系統(tǒng)芯片結(jié)構(gòu)，如圖8(d)所示，其在原始硅基二維光子晶體腔光力系統(tǒng)上連接了質(zhì)量較大的硅懸臂，因此可通過光學(xué)彈性效應(yīng)測量機械振蕩頻率的偏移來探測微弱加速度的變化量，實驗測試獲得了接近熱噪聲極限的8.2 μg/Hz1/2探測精度以及50.9 μg的零偏穩(wěn)定性指標(biāo)[104]。并于2021年運用于一種集成化的新型腔光力系統(tǒng)加速度計結(jié)構(gòu)中，如圖8(e)所示。Y. Huang等初步提出的腔光力系統(tǒng)微加速度計，是一種檢測機械振蕩頻率偏移的諧振式微加速度計，其具有創(chuàng)新的射頻讀出功能，有別于傳統(tǒng)的光學(xué)讀出式腔光力系統(tǒng)微加速度計架構(gòu)，因此更適合于慣性測量及慣性導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域[105]。

3 微加速度計技術(shù)方案對比分析

表1總結(jié)了基于不同加速度感知及讀出機制的各種微加速度計的典型性能(特性)。表中性能參數(shù)評價的標(biāo)準(zhǔn)是影響加速度計在定義的高性能應(yīng)用中的適用性。每個框中的負(fù)號與加號分別表示特定類型的加速度計在該標(biāo)準(zhǔn)下不具有與具有可接受的性能特性，雙加號表示性能優(yōu)越，圈號意味著表現(xiàn)適中。

表1 微加速度典型性能對比分析

從表1可以得出初步結(jié)論，電容式加速度計制造相對簡單，并且具有簡單的接口電路，是高性能應(yīng)用的常見和首選類型。光學(xué)和腔光力系統(tǒng)微加速度計具有較好的噪聲特性，但是傳統(tǒng)光學(xué)加速度計的接口電路以及加工封裝成本較高。近年來提出的腔光力系統(tǒng)微加速度計可以采用電學(xué)讀出電路，且可采用CMOS兼容工藝進行加工封裝，并與ASIC電路集成，因此有望成為未來高性能低成本的微加速度計設(shè)計優(yōu)選方案。

面向慣性測量及慣性導(dǎo)航應(yīng)用的微加速度計重點關(guān)注的性能指標(biāo)包括零偏穩(wěn)定性及速度隨機游走等。圖9總結(jié)了已報道的各種微加速度計的典型性能指標(biāo)，多數(shù)已報道的微加速度計在AC狀態(tài)下工作并且具有大的帶寬，但是其低頻噪聲性能各異。因此，本文總結(jié)對比了每類典型微加速度計最低工作頻率下的探測精度和噪聲性能。圖9顯示出腔光力系統(tǒng)微加速度計與其他高性能加速度計相比較，其在低頻直流附近具有較好的探測精度性能。

(a)微加速度計的探測精度

(b)微加速度計的零偏穩(wěn)定性圖9 各種微加速度計的典型性能指標(biāo)

綜上所述，基于腔光力系統(tǒng)的微弱參量探測原理實現(xiàn)的高精度加速度計的探測精度性能優(yōu)于目前已報道的大部分其他技術(shù)方案設(shè)計實現(xiàn)的微加速度計。然而，已報道的大部分基于腔光力系統(tǒng)的高精度微加速度計實現(xiàn)方案中僅采用了光學(xué)讀出技術(shù)[98-102]，難于與現(xiàn)行的ASIC電路集成，增加了系統(tǒng)集成的復(fù)雜度，極大地限制了腔光力系統(tǒng)在高精度微加速度計領(lǐng)域的廣泛推廣應(yīng)用；采用光學(xué)讀出技術(shù)并測量透射光譜的諧振波長、以及諧振幅度等變化特性無法抑制光電探測器引入的探測器噪聲；更為重要的是，為了實現(xiàn)高精度加速度探測，需適當(dāng)增加激光源功率，然而在較高功率激光作用下的腔光力系統(tǒng)微加速度計的散粒噪聲、量子反作用噪聲等噪聲源將急劇增加[104]，并成為主要的噪聲來源，從而影響最終加速度探測精度等性能指標(biāo)。

4 展望

為實現(xiàn)性能更好的新型高精度微加速度計，應(yīng)繼續(xù)探索基于新型架構(gòu)的微加速度計技術(shù)方案，從加速度探測新機理、噪聲抑制新途徑入手，在結(jié)構(gòu)設(shè)計、性能仿真、系統(tǒng)搭建、制備工藝及性能測試等方面展開系統(tǒng)深入的研究和創(chuàng)新。解決好新型高性能微加速度計的關(guān)鍵技術(shù)難題，才能有效地推動微加速度計技術(shù)發(fā)展，以滿足微加速度計在高精度慣性測量及慣性導(dǎo)航等重大領(lǐng)域的應(yīng)用。

已綜合分析了各種傳統(tǒng)及新架構(gòu)微加速度計的國內(nèi)外最新研究進展情況，并總結(jié)出了各類微加速度計的性能對比情況。其中，光學(xué)式和腔光力系統(tǒng)微加速度計具有較其他類型微加速度計更好的探測精度等性能。更為重要的是，隨著量子精密測量的快速突破和發(fā)展，基于光學(xué)激勵方式的微加速度計能有效利用量子壓縮光源實現(xiàn)高精度加速度測量。

早在1981年，研究者們已提出采用量子壓縮光源作為入射光源以提高光學(xué)干涉儀的測量精度[107]，并于2013年后成功應(yīng)用在激光干涉儀引力波探測(LIGO)[108]和腔光力系統(tǒng)中[109-110]。近年來使用量子壓縮光源技術(shù)以實現(xiàn)高精度傳感的應(yīng)用已十分廣泛，例如量子壓縮光源可用于穩(wěn)定激光功率[111]、光譜測量[112]、引力波探測[113]、光學(xué)頻率梳測量[114]、等離子體傳感[115]、磁場測量[116-117]等領(lǐng)域當(dāng)中。在已報道的各種基于量子壓縮光源的精密測量技術(shù)方案中，均是利用量子壓縮光源以抑制傳統(tǒng)激光源中存在的散粒噪聲等噪聲源，從而獲得接近標(biāo)準(zhǔn)量子極限的探測精度。

為此，借助該種基于壓縮光源的高精度測量思想，并基于光學(xué)及腔光力系統(tǒng)微加速度計的性能優(yōu)勢，未來可重點發(fā)展利用量子壓縮光源實現(xiàn)的超高精度光學(xué)及腔光力系統(tǒng)微加速度計設(shè)計方案。

5 結(jié)束語

本文回顧了近年來微加速度計方向的研究與進展，對壓阻式、壓電式、電容式、隧道式、熱敏式、諧振式、光學(xué)式、腔光力式微加速度計展開原理說明與性能分析比較，最終提出腔光力系統(tǒng)微加速度計架構(gòu)適合于慣性測量及慣性導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，但仍存在很大的改進空間。

具體地，壓阻式微加速度計結(jié)構(gòu)簡單，制作相對簡易，但其對溫度敏感，且靈敏度較低、蠕變和遲滯效應(yīng)較大。壓電式微加速度計工作頻帶寬、功耗低、抗摔性好、溫度穩(wěn)定性高，但低頻噪聲性能差。電容式微加速度計結(jié)構(gòu)簡單、漂移率低、溫度敏感性低，但抗電磁干擾性差。隧道式微加速度計靈敏度高，但溫度依賴性高，制造工藝復(fù)雜、工作電壓高。熱敏式微加速度計不需要大體積的運動質(zhì)量塊，但靈敏度較低、工作帶寬較窄。諧振式微加速度計測量諧振頻率信號的準(zhǔn)確度和精度高，但只能應(yīng)用于隨時間緩慢變化的加速度量值測量。光學(xué)微加速度計抗電磁干擾能力強、靈敏度及精度高、環(huán)境適應(yīng)能力強，但制造封裝工藝、光學(xué)激勵及光學(xué)讀出檢測電路相對復(fù)雜，成本較高。腔光力系統(tǒng)微加速度計具有靈敏度高、精度高、穩(wěn)定度高以及動態(tài)范圍大等優(yōu)點，但仍存在散粒噪聲、量子反作用噪聲等噪聲源。

為滿足超高精度微加速度計的尖端應(yīng)用及技術(shù)發(fā)展需求，須繼續(xù)深入探索基于新型架構(gòu)的腔光力系統(tǒng)微加速度計技術(shù)方案，研究其工作機理、設(shè)計方法、制備工藝，以及噪聲源產(chǎn)生機理及抑制技術(shù)、低噪聲探測靈敏度及精度性能測試方法等。為此，本文最后提出一種采用量子壓縮光源替代傳統(tǒng)激光源來激勵光學(xué)及腔光力系統(tǒng)微加速度計，從而進一步降低該類加速度計系統(tǒng)噪聲以提高其性能的設(shè)計構(gòu)想，這將會是未來重點研究和發(fā)展方向。