研究背景

高精度位移传感作为一种基础的几何测量手段，可以用于位置、长度、加速度、角速度、振动等多种物理量的精密测量，在机械加工、半导体制造等工业生产领域及光力测量、光声光谱等科学研究领域均具有重要意义。近年来，微光机电系统 (MOEMS) 的快速发展为微型化高精密位移传感技术的开发提供了新的平台。二者的结合使得兼顾高精度、小体积、高集成、低成本的位移传感器件成为可能，并有望在精密定位、惯性导航等众多领域实现广泛应用。过去十几年中，基于波导式、空间式等不同结构的MOEMS位移传感技术得到了广泛关注与深入研究。来自中北大学 (North University of China, China) 的辛晨光副教授团队系统总结了MOEMS高精密位移传感技术的发展情况，对不同技术原理、器件结构、典型指标等进行了讨论分析，并强调了MOEMS高精密位移传感技术未来发展过程中可能的挑战与机遇。

研究内容

• MOEMS位移传感技术介绍

图1. MOEMS位移传感技术分类。

受益于非接触、高精度、大量程等特点，光学测量方式成为高精密位移传感技术的主流技术之一。近年来，随着MOEMS技术的快速发展，超紧凑、低功耗、高集成的MOEMS位移传感技术收到广泛关注与快速发展。从结构角度，现有MOEMS位移传感技术可分为导波式与空间式两大类 (见图1)。其中，导波式可细分为倏逝场耦合式、干涉式、能带调控式等三类；空间式可细分为透射式、反射式两类。导波式MOEMS位移传感技术通常基于条形波导、光纤、光子晶体波导等结构，基于倏逝场耦合、导波模式调控等原理实现位移测量功能，已经实现0.1-10 fm/Hz^1/2量级的位移测量。空间式MOEMS位移传感器件采用自由空间光路设计，通常由一个包括光源和探测器的读数头，以及一个用于将位移信号转化为光信号的位移敏感芯片构成。输入位移改变传感器间隙、重叠面积等几何参数，导致反射率或透射率变化。相较于波导式，空间式MOEMS位移传感器件通常具有相对较大的量程 (0.1-1 mm级)。其典型的位移分辨率在亚pm/Hz^1/2至nm/Hz^1/2量级。

• 典型指标分析

图2. 几种不同MOEMS位移测量技术 (包括：倏逝场耦合式、导波Fabry-perot (FP) 谐振式、几何遮光式、反射Fabry-perot谐振式等) 测量分辨率与量程对应关系。

位移测量的核心指标包括：分辨率、灵敏度、精度、量程等。其中，分辨率表征可探测的最小输入量，通常由传感系统的本征噪声所决定，单位通常为m/Hz^1/2；灵敏度为输出输入之比，典型单位为V/nm，nm/nm或 %/nm等；精度定义为测量位移与真实位移数值之差，其大小通常由各类误差所决定；量程为所能测量的最大的位移值，对于MOEMS传感器而言，通常不超过10 mm。值得一提的是，对于位移传感器件而言，其各个核心指标彼此具有很强的关联性。通常在相同的量程范围下，可以对不同传感器的精度、分辨率等指标进行对比分析。鉴于位移传感可用于多种物理参量的测量，因此本文对MOEMS加速度计、MOEMS陀螺等基于位移检测的MOEMS传感器件亦有涉及。图2给出了几种不同MOEMS位移测量技术的分辨率与量程关系，由图可知，近年来MOEMS位移传感已经可以实现亚fm/Hz^1/2量级的高分辨位移测量。

• 总结与展望

本文系统地总结了过去一段时间MOEMS位移传感技术的发展情况，并讨论了不同种类传感技术的工作原理、传感结构、典型参数等。综上所述，尽管近年来MOEMS位移传感技术得到了快速发展，其未来的研究依然面临着以下可能的挑战与机遇：

(1) 如何实现全集成设计。目前，大部分MOEMS位移传感器件采用位移敏感芯片和分立式光源、探测器结合的工作方式，尚无法实现全系统集成。考虑到近期异质集成技术的快速发展，结合优化设计以进一步降低MOEMS位移传感系统对输入/读出结构的要求，有望实现MOEMS位移传感器件的全集成化设计与制备。

(2) 如何提高传感参数。尽管微小量程 (亚微米级) 下，MOEMS传感器已经可以实现亚fm/Hz^1/2量级的位移测量，但面向实际应用，如何实现大量程 (mm级) 下的精密位移测量依然是一个难题。利用超构表面或表面等离子体激元等新结构、新原理，可以产生更强的光场束缚与物光相互作用，进而提高灵敏度、集成度等性能参数。此外，利用人工智能技术完善位移传感标定与线性化过程，有望进一步提高测量精度等指标。

(3) 如何实现智能化传感。随着信息技术的快速发展，对智能化传感器的需求日益迫切。为此，需要在单个传感器件上集成更多的数据处理、逻辑控制等功能模块。除此之外，超精密传感所需要的庞大数据量同样对数据处理方法提出了挑战。为此，可以借助深度学习等技术来提高MOEMS位移传感器件的智能化水平。

原文出自 Micromachines 期刊：https://www.mdpi.com/2901940

进入期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/micromachines

Micromachines 期刊介绍

主编：

Ai-Qun Liu, Nanyang Technological University, Singapore; The Hong Kong Polytechnic University, China;

Nam-Trung Nguyen, Griffith University, Australia;

Mehmet Remzi Dokmeci, Terasaki Institute for Biomedical Innovation, USA;

Igor Medintz, US Naval Research Laboratory, USA

期刊研究内容涉及微/纳米结构、材料、器件、系统及与微纳技术相关的基础研究和应用。

2023 Impact Factor：3.0

2023 CiteScore：5.2

Time to First Decision：17.7 Days

Acceptance to Publication：2.5 Days