新型微加速度計研究進展

李昕蔚，吳江波，閆 興，黃文逸，陳鼎威，李 建，黃勇軍，文光俊

(電子科技大學信息與通信工程學院，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，是慣性導航、慣性制導等系統中的關鍵慣性敏感元器件，也是各種工業設備、航空航天器中的機械故障和安全檢測的常用敏感器件，已廣泛應用于航空航天、汽車、消費電子、工業自動化及機器人等領域。隨著微機電系統(micro electro mechanical system，MEMS)技術的出現，微加速度計技術隨之出現并得到快速發展，近年來基于MEMS技術的微加速度計技術研究及產品化已成為重點發展方向。微加速度計與常規加速度計相比，具有體積小、質量輕、功耗低、成本低、可靠性好、易集成等優點[1]，成為成熟和廣泛使用的MEMS設備之一。

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、光學式等多種經典類型；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、穩定性等性能指標上，以及在加工成本、器件質量和體積、環境適應性等方面有著各自的優缺點，且相互制約。然而，傳統的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(micro opto electro mechanical systems，MOEMS)技術的出現和快速發展，光學微加速度計方向取得許多顯著成就。MOEMS微加速度計結合光學測量和微機電系統的優點，可實現高精度、高靈敏度、小體積和抗電磁干擾的加速度測量[4]。根據光學測量原理，可將MOEMS微加速度計分為幾何光學、波動光學和腔光力(cavity optomechanics)系統微加速度計等。其中，作為近年來被提出的一種新型微光機電系統，腔光力系統[5-6]是一種在微納尺度上同時存在高質量光學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的新型微納腔體結構，其理論關鍵技術突破及應用探索已成為國內外重點和熱點研究發展方向。腔光力系統用于加速度和角速度傳感有巨大優勢，使其在高精度慣性測量及慣性導航系統中有很大應用潛力[7]。

本文第1部分對傳統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，并分析其優缺點；第2部分對近年來出現的MOEMS微加速度計進行回顧，簡要說明其基本工作原理，并討論其優缺點；第3部分對前兩部分提到的所有微加速度計技術方案進行對比，分析其性能表現，并討論出可能最適用于高精度慣性測量及慣性導航應用方向的微加速度計設計方案，給出該方案仍存在的諸多不足之處；第4部分對全文內容進行總結和展望。

1 傳統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的一種微加速度計類型，其由懸臂和質量塊以及沉積在懸臂上的壓阻材料構成，如圖1(a)所示。由于懸臂發生形變時其固定端一側變形量最大，因此壓阻薄膜材料通常被沉積在懸臂固定端一側。該結構在外加加速度作用下，懸臂在質量塊受到的慣性力牽引下發生變形，導致固連的壓阻膜也隨之發生變形，其電阻值就會由于壓阻效應而發生變化，導致壓阻兩端的檢測電壓值改變；通過確定的數學模型便可推導出加速度量值與輸出電壓值的關系[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計結構

基于此工作原理，1979年斯坦福大學L. M. Roylance等率先提出了壓阻式硅基微加速度計技術及敏感結構設計方法[8]。自2000年以后，為了提高壓阻式加速度計的靈敏度等性能，斯坦福大學提出將壓阻材料置于懸臂側面的改進結構微加速度計[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Y. Li提出如圖1(b)所示在懸臂上方單獨設計壓阻材料的新型結構微加速度計[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與信息技術研究所提出的軸向壓阻式加速度計結構，其加速度探測靈敏度為106 mV/g[12]；2014年西安交通大學提出的多懸臂壓阻式加速度計結構(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，國內外研究者也提出許多創新設計[17-20]。例如，2019年西安交通大學提出了一種新穎的三軸高g壓阻式加速度計結構，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，結構如圖1(d)所示，加速度計傳感芯片的結構采用壓阻式自支撐梁實現，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，陜西工業大學提出一種新型的開槽八梁結構微機電硅壓阻加速度計，結構如圖1(e)所示，圖中右側電阻表示感應梁中的壓敏電阻。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構簡單、制作相對簡易等優點，但其存在因壓阻材料的溫度系數較大導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構上類似，其主要區別在于壓電式微加速度計結構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而產生改變，即可通過確定的數學模型推導出待測加速度的量值與輸出電壓值的關系。

圖2 壓電式微加速度計工作原理圖及常見設計結構

基于該工作原理，1997年加州大學伯克利分校D. L. Devoe等提出了一種新型壓電式微加速度計結構，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范圍[21]。2013年，美國弗羅里達大學A. Koka等創新性地采用壓電金屬納米線陣列結構，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，結構如圖2(b)所示，靈敏度達到16.3 mV/g[23]。2019年，國外學者繼續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，武漢大學提出一種帶有轉角的梯形懸臂梁式壓電微加速度計，結構如圖2(c)所示，該結構比傳統梯形結構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，結構如圖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、溫度穩定性高等優點，但因壓電材料的DC漏電流效應，這類微加速度計難以應用于對低頻噪聲性能具有重要需求的慣性測量及慣性導航等應用領域。

1.3 電容式微加速度計

電容式微加速度計是目前工業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構。平行板電容器結構如圖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量塊，固定電極連接到基板。隨著質量塊的移動，移動電極和固定電極之間的間距發生變化，導致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。橫向梳狀電容器結構由質量塊上的可移動的多電極組成，與固定多電極平行，質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計結構

2004年，美國密西根大學安娜堡分校K. Najafi教授團隊提出了一種新型電容式微加速度計結構，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]，隨后設計出一種三軸加速度計結構[28]。2007年，美國佐治亞理工學院繼續采用增大質量塊質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、偏置穩定性為8 μg，提升了加速度計的各項性能指標[29]。2013年，土耳其中東科技大學提出了差分交叉電極的電容式加速度計結構[30-32]，如圖3(b)所示，其加速度探測精度達到11.5 μg/Hz1/2、偏置穩定性為50 μg[30]。2019年，日本日立公司開發了一種可隔離部分電學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展，眾多三軸微加速度計相繼被提出[34-36]，其典型結構如圖3(c)和圖3(d)所示。

與此同時，國內北京大學、中科院上海微系統與信息技術研究所、西安交通大學、華中科技大學等也對電容式加速度計展開了相關研究工作，研制出多種結構的電容式加速度計[37-40]。其中，西安交通大學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，華中科技大學設計出一種帶有硅基彈簧質量傳感元件的電容式加速度計，其結構如圖3(e)所示，通過硅片刻蝕工藝來增加敏感結構質量以降低熱噪聲，其加速度探測噪聲性能可達到2 μg/Hz1/2，偏置不穩定性可達4 μg[40]。

2021年，印度K. Gomathi等設計一種電容式加速度計，采用了電容面積變化技術來提高靈敏度，機械靈敏度達到0.350 6 μm/g[41]。同年，中科院半導體研究所提出一種基于玻璃硅復合晶片的新型電容式加速度計，其結構如圖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構簡單、漂移率低、噪聲低和溫度敏感性低等優點。然而，電容式微加速度計不能用于強電磁場環境，因為感測節點具有高阻抗特點。同時，電容式微加速度計結構在大位移情況下非線性效應較大，制約了這類微加速度計的加速度線性探測動態范圍。

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構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構示意圖如圖4(a)所示。當尖端與反電極之間的間隙在10-10m量級時產生隧道電流，只要隧道電壓和分離間隙恒定，隧道電流不會改變。當質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，美國密歇根大學安娜堡分校先后提出2種結構的隧道式加速度計設計方案[44-45]，其加速度探測精度可達到2 μg/Hz1/2。2007年，國內北京大學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，印度理工學院提出一種用于高靈敏隧道式加速度計的PID控制建模設計，所用隧道式加速度計的結構如圖4(b)所示[47]。2015年，美國德克薩斯大學研制出一種隧道式加速度計，結構如圖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，俄羅斯南部聯邦大學設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計結構

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關系，因此隧道式微加速度計須在閉環中工作以降低器件特性的非線性效應[50]；同時，由于隧道電流隨溫度變化，導致這類微加速度計性能表現出很強的溫度依賴性[51]。隧道式微加速度計的制造工藝復雜、工作電壓高也限制其應用和發展[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致其熱力學特性改變的探測結構，典型結構如圖5(a)所示，其采用加熱板構造質量塊并放置在2個散熱片之間，并通過細長支撐臂連接到固定端。當質量塊因加速度作用而移動時，質量塊和散熱片之間的間隙改變，間隙的變化導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計結構

另一種熱敏式微加速度計是根據密封腔內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，中間條帶當作加熱器，側條帶用作溫度傳感器。當無加速度作用時，加熱器產生對稱的溫度分布，差分輸出電壓值為零；當施加加速度時，中間條帶周圍的溫度分布由于對流而改變，其產生的溫差與施加的加速度相關。2017年，印度理工學院總結了熱加速度計的最新研究進展，系統地分析評價了多種高性能加速度計設計方案的特點[56]。隨后，美國斯坦福大學及俄羅斯等研究單位相繼設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等設計了一種使用單軸結構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，北京大學提出了一種新型微機電系統三軸熱敏加速度計，結構如圖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構的雙軸熱加速度計，結構如圖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點是不需要大尺寸的運動質量塊。然而，熱敏式微加速度計的感知特性與溫度相關，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特性，主要有兩種方式獲得諧振響應特性。第一種也是最常規的諧振式微加速度計是基于檢測質量和諧振器之間的機械耦合傳導，結構如圖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，諧振器中產生的軸向力導致諧振器的諧振頻率發生偏移。另一種諧振式微加速度計是基于質量塊和諧振器的靜電耦合實現加速度探測，這在于質量塊運動改變了質量塊內的靜電間隙，間隙的變化引起諧振器的靜電彈簧彈性系數的變化，導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提出了一種新型諧振式微加速度計結構，其測試計算獲得的加速度探測精度達到460 μg/Hz1/2[62]。2019年，英國劍橋大學提出了如圖6(b)所示的雙質量塊架構諧振式微加速度計，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計結構

2016年，國內浙江大學提出了基于相同原理的雙軸諧振式微加速度計結構，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，由一個六邊形質量塊、6對微杠桿和6個相應的雙端音叉組成，結構如圖6(d)所示，分辨率約為6.6 μg[67]。2021年，西安交通大學提出了一種高穩定的差動諧振式微加速度計，結構如圖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，偏置不穩定性為3.05 μg[68]。同年，清華大學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，結構如圖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點是其測量諧振頻率信號的準確度和精度更高，準數字頻率輸出還可通過頻率計數技術解調信號，簡化其與數字信號處理系統的接口，可有效應用于慣性測量及慣性導航領域。然而，諧振式加速度計只能應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 光學微加速度計

光學微加速度計主要通過輸入加速度擾動產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[70]，如圖7所示。使用強度調制的光學加速度計結構如圖7(a)所示，其中質量塊通過懸掛元件附接到基板，質量塊的凸起部分位于輸入、輸出光纖之間。施加的加速度導致質量塊發生位移，輸出光纖中光(透射光)強度隨之產生變化，據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 光學微加速度計工作原理圖及常見設計結構

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微加速度計結構，其采用VCSEL激光源激勵連接有質量塊的光柵，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院K. Zandi等通過集成法布里-珀羅腔(FP Cavity)以及片上光波導方式，實現了一種高性能光學加速度計，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A. Sheikhaleh等人利用一維(1D)光子晶體提出了一種基于強度調制的MOEMS加速度計的新拓撲結構，如圖7(b)所示，可用于從消費電子產品到慣性導航的各種應用。具有119.21 nm/g的機械靈敏度，以及0.32%/g的光學靈敏度[73]。

此外，2017至今，國內外研究者還提出了波長調制的光學微加速度設計結構，當加速度作用在質量塊上時，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的加速度大小。2017年，浙江大學Q. Lu等提出一種基于光柵干涉腔的MOEMS加速度計，并進行傳感結構優化，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量、彈簧懸架和支撐結構組成的機械傳感結構，可實現超高靈敏度、低跨軸靈敏度和低頻應用，噪聲為185.8 ng/Hz1/2[74]。2019年，伊朗沙希德·貝赫什提大學M. Ahmadian等基于波長調制，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的光學靈敏度、1.56 nm/g的機械靈敏度[76]。

2020年，中北大學K. Huang等提出基于一維光子晶體波長調制的新型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量塊感知振動信號,一維光子晶體系統則可以調制光信號，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，并對結構進行優化設計，得到加速度靈敏度約為60 V/g，噪聲為15 ng/Hz1/2[79]。

傳統光學微加速度計受到國內外研究者的廣泛關注，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、環境適應能力強等優點[43]，但傳統光學微加速度計的制造封裝工藝、光學激勵及光學讀出檢測電路相對復雜，成本較高[80]。

2.2 腔光力系統微加速度計

基于微納加工技術實現的腔光力系統具有超強光-機械多模式耦合效應，能在較低功耗激光激勵下產生超高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定度特性[85]，國內外學者已相繼提出基于腔光力系統的多種高性能微弱參量探測技術方案，包括微弱力和位移探測[86-88]、質量探測[89-91]、磁場探測[92-96]、引力波探測[97]、加速度探測[98-105]，以及最近剛發表在Nature期刊上的原子力顯微鏡振動頻率檢測應用[106]等。腔光力系統中特有的光彈性效應可實現機械振子等效彈性系數的按需控制以及機械靈敏度的按需放大，這為設計實現高靈敏度、高精度、大動態范圍、高穩定度的微加速度計提供了一種嶄新的技術解決方案，如圖8所示。

圖8 基于腔光力系統的高精度微加速度計

在微加速度探測技術方向，2012年美國加州理工學院對光子晶體腔光力系統深入研究基礎上，提出了基于一維納米梁結構光子晶體腔光力系統的高精度微加速度計，其結構(芯片)的SEM圖如圖8(a)所示[98]，其一維納米梁結構光子晶體腔光力系統的上半部分被固定，下半部分與可移動的大尺寸硅薄膜層連接。該種結構在激光激勵下工作在光機械諧振模式，當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，導致光子晶體腔光力系統的光機械耦合特性發生變化，通過光學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，美國馬里蘭大學采用尺寸更大的可移動機械結構質量塊，研制出探測精度為0.1 μg/Hz1/2的腔光力系統加速度計[99]。2016年，美國Y. Bao等設計一種具有半球形空腔的平均取向的腔光力系統加速度計，其采用法布里-珀羅干涉測量法和高精度光學腔來轉換加速度，實現優于1 μg/Hz1/2的分辨率[100]。國內浙江大學也提出了基于光柵的腔光力系統加速度計，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,當準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，英國倫敦大學學院Y. L. Li等還提出了基于回音壁模式的腔光力系統微加速度計[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微加速度計的一種商業化路徑[103]。

2020年至今，電子科技大學Y. Huang等已設計研制出用于探測加速度的硅基腔光力系統芯片結構，如圖8(d)所示，其在原始硅基二維光子晶體腔光力系統上連接了質量較大的硅懸臂，因此可通過光學彈性效應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的零偏穩定性指標[104]。并于2021年運用于一種集成化的新型腔光力系統加速度計結構中，如圖8(e)所示。Y. Huang等初步提出的腔光力系統微加速度計，是一種檢測機械振蕩頻率偏移的諧振式微加速度計，其具有創新的射頻讀出功能，有別于傳統的光學讀出式腔光力系統微加速度計架構，因此更適合于慣性測量及慣性導航技術應用領域[105]。

3 微加速度計技術方案對比分析

表1總結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)。表中性能參數評價的標準是影響加速度計在定義的高性能應用中的適用性。每個框中的負號與加號分別表示特定類型的加速度計在該標準下不具有與具有可接受的性能特性，雙加號表示性能優越，圈號意味著表現適中。

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，是高性能應用的常見和首選類型。光學和腔光力系統微加速度計具有較好的噪聲特性，但是傳統光學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微加速度計可以采用電學讀出電路，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計優選方案。

面向慣性測量及慣性導航應用的微加速度計重點關注的性能指標包括零偏穩定性及速度隨機游走等。圖9總結了已報道的各種微加速度計的典型性能指標，多數已報道的微加速度計在AC狀態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定性圖9 各種微加速度計的典型性能指標

綜上所述，基于腔光力系統的微弱參量探測原理實現的高精度加速度計的探測精度性能優于目前已報道的大部分其他技術方案設計實現的微加速度計。然而，已報道的大部分基于腔光力系統的高精度微加速度計實現方案中僅采用了光學讀出技術[98-102]，難于與現行的ASIC電路集成，增加了系統集成的復雜度，極大地限制了腔光力系統在高精度微加速度計領域的廣泛推廣應用；采用光學讀出技術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，為了實現高精度加速度探測，需適當增加激光源功率，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。

4 展望

為實現性能更好的新型高精度微加速度計，應繼續探索基于新型架構的微加速度計技術方案，從加速度探測新機理、噪聲抑制新途徑入手，在結構設計、性能仿真、系統搭建、制備工藝及性能測試等方面展開系統深入的研究和創新。解決好新型高性能微加速度計的關鍵技術難題，才能有效地推動微加速度計技術發展，以滿足微加速度計在高精度慣性測量及慣性導航等重大領域的應用。

已綜合分析了各種傳統及新架構微加速度計的國內外最新研究進展情況，并總結出了各類微加速度計的性能對比情況。其中，光學式和腔光力系統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展，基于光學激勵方式的微加速度計能有效利用量子壓縮光源實現高精度加速度測量。

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干涉儀的測量精度[107]，并于2013年后成功應用在激光干涉儀引力波探測(LIGO)[108]和腔光力系統中[109-110]。近年來使用量子壓縮光源技術以實現高精度傳感的應用已十分廣泛，例如量子壓縮光源可用于穩定激光功率[111]、光譜測量[112]、引力波探測[113]、光學頻率梳測量[114]、等離子體傳感[115]、磁場測量[116-117]等領域當中。在已報道的各種基于量子壓縮光源的精密測量技術方案中，均是利用量子壓縮光源以抑制傳統激光源中存在的散粒噪聲等噪聲源，從而獲得接近標準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，并基于光學及腔光力系統微加速度計的性能優勢，未來可重點發展利用量子壓縮光源實現的超高精度光學及腔光力系統微加速度計設計方案。

5 結束語

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微加速度計架構適合于慣性測量及慣性導航技術應用領域，但仍存在很大的改進空間。

具體地，壓阻式微加速度計結構簡單，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、溫度穩定性高，但低頻噪聲性能差。電容式微加速度計結構簡單、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，制造工藝復雜、工作電壓高。熱敏式微加速度計不需要大體積的運動質量塊，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確度和精度高，但只能應用于隨時間緩慢變化的加速度量值測量。光學微加速度計抗電磁干擾能力強、靈敏度及精度高、環境適應能力強，但制造封裝工藝、光學激勵及光學讀出檢測電路相對復雜，成本較高。腔光力系統微加速度計具有靈敏度高、精度高、穩定度高以及動態范圍大等優點，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用及技術發展需求，須繼續深入探索基于新型架構的腔光力系統微加速度計技術方案，研究其工作機理、設計方法、制備工藝，以及噪聲源產生機理及抑制技術、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激光源來激勵光學及腔光力系統微加速度計，從而進一步降低該類加速度計系統噪聲以提高其性能的設計構想，這將會是未來重點研究和發展方向。