高精度检波器在石油和天然气勘探以及地震监测等陆地应用中发挥着至关重要的作用。光机械精密测量的发展为检波器提供了一种新的设计方法，与传统的检波器相比，它具有更高的灵敏度和更小的尺寸。
据麦姆斯咨询报道，近日，华中科技大学刘骅锋教授团队提出了一种基于平凹型（plano-concave）法布里-珀罗（F-P）微腔的光机械MEMS检波器，其灵敏度高达146 V/g。该F-P微腔包括一个传感元件上的可移动反射镜和一个固定半球形微镜，由绝缘体上硅（SOI）和单晶硅晶圆制造而成。实验结果表明，该光机械MEMS检波器在100~200 Hz频率范围内具有2.5 ng/√Hz的低本底噪声（位移本底噪声为6.2 fm/√Hz）、500 Hz（-3 dB）的宽带宽、±4 mg的测量范围。为了降低来自激光源和温度、空气波动等环境因素产生的共模噪声，研究人员采用了平衡检测方法。该方法显著降低了本底噪声，几乎达到了热噪声极限（2.5 ng/√Hz）。此外，该研究还展示了一种直径为40 mm的紧凑型封装的光机械MEMS检波器，其高性能和鲁棒特性在石油和天然气勘探等领域具有巨大的应用潜力。上述研究成果以“An optomechanical MEMS geophone with a 2.5 ng/√Hz noise floor for oil/gas exploration”为题发表于Microsystems & Nanoengineering期刊。
本项研究所开发的光机械MEMS检波器直径为40 mm，高度为45 mm，重量为75 g，由三个主要部件构成：MEMS传感芯片、光纤准直器和对准调节器。对准调节器确保高斯光从光纤以垂直入射的方式精确准直进入微腔（图1a）。平凹F-P微腔的设计特点是传感元件上有一个可移动的反射镜和一个固定的半球形微镜（图1b）。传感元件包括一个校准质量块和悬挂梁，并且校准质量块能够进行平面外运动。
图1 光机械MEMS检波器概念示意图
该光机械MEMS检波器的原理分为两个部分：一是通过传感元件将加速度转化为位移，二是通过F-P微腔进行光干涉位移测量。传感元件被概念化为一个理想的二阶响应系统，其特征由其基频𝑤₀决定（如图1c所示）。光机械MEMS检波器工作时，入射光穿过半球形微镜，被传感元件反射。激光波长λ被锁定在谐振波长（~1550 nm）的边带上（图1d）。
考虑到硅材料对红外光的透明特性，研究人员利用SOI和单晶硅晶圆通过体硅工艺制造平凹F-P微腔。MEMS制造工艺和制得的光机械结构如图2所示。
图2 光机械检波器的MEMS制造工艺
光学读出系统采用平衡检测法，可有效抑制光噪声（图3a）。1550 nm激光器发出的光通过1 × 2光纤耦合器被分为两路：传感光路和参考光路。为了确保两光路的强度一致，采用了两个可变光衰减器。传感光穿过光纤环形器（CIR）到达F-P微腔。然后，来自微腔的干涉光返回CIR，最终到达带有5 Hz高通滤波器的平衡光电探测器（Thorlabs：PDB435C-AC）。同时，参考光直接从PDB收集。此外，MEMS芯片安装在PZT激振器上，使传感元件在动态测试期间能够实现纳米级位移。为了评估所提出的光机械MEMS检波器的性能，研究人员进行了校准实验、动态实验和噪声性能实验，实验结果如图3、图4和图5所示。
图3 光机械MEMS检波器的校准实验
图4 光机械MEMS检波器的动态实验
图5 光机械MEMS检波器的噪声性能实验
综上所述，这项研究提出了一种基于平凹F-P微腔的紧凑型封装的光机械MEMS检波器，其本底噪声低至2.5 ng/√Hz，带宽为500 Hz，测量范围为±4 mg。等效位移噪声达到6.2 fm/√Hz，证实了F-P腔干涉术在精密测量中的潜力。实验结果表明，通过使用平衡检测方法，可将源自激光源和温度/空气波动的共模噪声从15 ng/√Hz抑制到2.5 ng/√Hz的机械热噪声极限。因此，所提出的光机械MEMS检波器具有高性能和鲁棒性，适合应用于石油和天然气勘探。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41378-024-00802-5
