基于镜像异质三周期结构光子晶体“介观压光”效应加速度计仿真设计

【摘要】随着微传感器件研究以及MEMS技术的不断深入，微加速度计的应用领域已经从军事领域扩展到民用领域。但是随着MEMS技术与其他学科的不断交叉融合，人们对加速度计的灵敏度、量程以及稳定性等指标有了更高的要求，如何解决传统硅微加速度计量程与灵敏度的矛盾，制备出具有高稳定性、高灵敏度、宽测量范围的新型加速度计成为了亟待解决的问题。本文主要提出一种结合MEMS加工技术以及光子晶体的新型加速度的设计。该加速度计利用光子晶体具有的介观压光效应取代传统的压阻效应，通过理论研究拟合出应力与光子晶体透射峰之间的力光耦合现象，并仿真验证其可行性，成功的制备出一种高灵敏度、高稳定性的新型微加速度计。本文所进行的具体工作如下：（1）回顾了关于MEMS方面的概念性知识以及长久以来MEMS的国内外发展历程，据此重点解释了新型MEMS技术、MOEMS技术与传统微电子技术的主要区别，并在此基础上进行了展望。（2）介绍了几种常用的MEMS微机械加工技术，并分别分析其特点和优缺点。总结以前不同微传感器的工作原理以及加工方法后，重点研究了微加速度计这一目前受到军用、民用广泛关注的功能仪器。并对其核心部件“质量块—弹簧—阻尼系统”进行了原理分析，得到了一系列关于灵敏度以及品质因数的计算公式。最后对常见的微加速度计进行了分类。（3）总结光子晶体的概念以及构成提出，并根据光子晶体的理论研究总结几个重要的特性如光子禁带、局域化等等，并简要概述了光子晶体的制备方法如机械加工法等以及常用的分析计算方法如传输矩阵法等。这些方法各有优势且适用于不同的应用场合。最后概括性的说明几种目前广泛应用的光子晶体器件如：光子晶体光波导、光纤、超棱镜、隐身衣、微波发射装置等一系列材料。（4）分析介观压阻效应与介观压光效应的区别与联系。并详细说明本文提出的一种基于镜像异质三周期光子晶体的加速度计的设计原理以及模拟仿真过程。简要的分析该类型光子晶体的光学特性。经过MATLAB仿真发现缺陷态透射峰位置仅在1655nm，这样的特性使其几乎不会受到其他入射光波的干扰。其次在实验中首次设计了“四悬臂梁-质量块”的模型并将光子晶体置于悬臂梁根部完成结构的搭建，同时进行了理论计算以及数据拟合，发现其在万分之一到万分之四十的应力变化下，其测量敏感量程就能达到0137gn，最后利用ANSYS软件在静态与模态下进行了模拟仿真，结果得出加速度计在量程内具有良好的稳定性与灵敏度。同时进一步说明了利用光子晶体介观压光效应替代传统压阻材料来设计微加速度计具有广泛的应用空间。
【作者】冯瑞婷；
【导师】温廷敦；
【作者基本信息】中北大学，测试计量技术及仪器，2014，硕士
【关键词】光子晶体；介观压光；异质三周期；加速度计；

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