基于MZI光波导MOEMS压力传感器的设计及特性研究

摘要

微光机电系统(MOEMS)是一门涉及微光学、微机械、微电子技术的新兴学科，由于采用了集成工艺制作技术，因此具有体积小、响应快、集成定位精确、大规模生产能力、价格低廉的特点，已成为当今科学技术的热点研究理论之一。
　　本文探讨了几种目前较为广泛研究的MOEMS压力传感器结构，针对当今MOEMS的发展方向，设计了一种基于MZI型波导MOEMS压力传感器。由于采用双臂式MZI结构，有效地减少了因环境噪声和温度带来的噪声与失真。
　　本文分析了ARROW波导传输原理和等臂式MZI型压力传感器的传感原理，并对弹性薄膜的受力性能和光机耦合进行了详细的研究。探讨了输出光强变化与相位变化的关系，并导出其表达式。
　　由于传输损耗对传感器的性能影响很大，因此本文研究了ARROW结构对传输损耗的影响。并依据前人实验结果，设计波导各层结构参数，完成了单模低损耗脊型波导的设计。MZI型Y分支角度为1°。
　　根据弹性力学和板壳理论并利用MATLAB数值仿真软件，分析了MZI型MOEMS压力传感器的力学敏感原件——弹性薄膜的应力分布，探讨了弹性薄膜尺寸对应力分布和传感臂中折射率的影响，得到了直观可靠的结果，为MZI型光波导的传感臂在弹性薄膜上的位置提供了理论依据；利用有限元分析方法和借助ANSYS仿真软件，对MZI型MOEMS压力传感器弹性薄膜进行了一系列的分析，模拟了光弹效应引起弹性薄膜上传感臂中光波相位变化与弹性薄膜的几何尺寸、传感臂不同位置以及外界压力之间的关系。经过以上分析，确定传感臂应置于弹性薄膜长边边缘；弹性薄膜的最佳尺寸为2800μm×1800μm×60μm；当输入光波长为0.6328μm时，其半波压力为0.6Mpa。
　　文章最后对所做的研究工作进行总结，并对将来研究工作进行了展望。

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第一章 绪论

1.1 MEMS和MOMES技术

1.2 MOEMS压力传感器的研究状况

1.3 选题依据

1.4 本文的主要研究内容

第二章 MOMES压力传感器结构和原理

2.1 ARROW光波导结构设计原理

2.2 等臂式MZI型压力传感器的传感原理

2.3 弹性薄膜性能分析

2.4 光机耦合原理

2.5 波导延长引起相移原理

2.6 相位灵敏度

第三章 MOMES压力传感器波导结构参数设计

3.1 单模脊形ARROW波导的设计

3.2 Y分支波导设计

第四章 MZI光波导压力传感器的模拟与优化设计

4.1 弹性薄膜结构尺寸设计

4.2 MATLAB的模拟计算

4.3 ANSYS的模拟仿真

4.4 MATLAB与ANSYS仿真结果差异的原因

第五章 总结

致谢

参考文献

附 录

硕士期间的研究成果