基于声表面波的拉曼型声光移频器的优化设计与仿真

摘要

MEMS加速度传感器不仅在惯性导航、惯性制导等军事领域具有重要的应用,同时被广泛应用于医疗器械、消费电子、汽车安全等民用领域。声光MEMS加速度传感器是一种基于声光互作用原理检测加速度的新型加速度传感器。论文针对基于声光效应的MEMS加速度传感器的设计需求,开展一种基于单晶石英基底的SAW拉曼型声光移频器的设计与仿真,具有重要应用背景。
　　论文重点开展石英基SAW拉曼型声光移频器相应的基础理论、设计与仿真、加工工艺以及测试方法的研究。基于递归渐进法分析了SAW在ZnO-SiO2-Si多层结构中的传播特性,提出了石英基SAW拉曼型声光移频器的新结构;采用COM软件对石英基SAW谐振器进行了模拟仿真,优化了满足拉曼-奈斯声光衍射要求的谐振器结构参数;采用有效折射率法设计了单模埋入式矩形光波导,基于MEMS技术加工出Ⅰ型和Ⅱ型移频器原理样机,完成了相应的性能测试分析。论文主要研究工作是:
　　①分析声光移频器国内外研究现状及其发展中存在的问题,研究声光移频器的相关基础理论,分析实验室前期提出的ZnO-SiO2-Si多层结构声光移频器存在的问题基础上,提出由双端SAW谐振器和Y分支光波导构成的石英基SAW拉曼型声光移频器结构,以满足声光加速度传感器的要求;
　　②利用耦合模理论模拟双端SAW谐振器的性能:采用FEMSDA开源软件分析了SAW在金属栅阵中的相速度曲线和衰减色散曲线;基于COM软件对双端SAW谐振器的结构进行了设计与仿真,确定了双端SAW谐振器的优化结构参数;研究了平面光波导的设计方法,确定光波导的类型和材料,基于有效折射率法设计了单模埋入式矩形光波导;
　　③确定了移频器的主要加工工艺:在石英基片上制作出叉指换能器(IDT)和反射栅;采用PECVD法制备SiO2薄膜、干法反应离子刻蚀(RIE)制备出石英基光波导,研制出Ⅰ型和Ⅱ型石英基SAW拉曼型声光移频器原理样机;
　　④测试分析了石英基SAW拉曼型声光移频器样机性能:采用网络分析仪测试了SAW谐振器的谐振特性;搭建了声光移频器测试平台,测试分析了Ⅰ型和Ⅱ型石英基SAW拉曼型声光移频器原理样机的移频特性,并测试了应用移频器的声光加速度传感器原理样品,测试表明,研制出的移频器达到了声光加速度传感器的设计要求。