电泵浦氮化镓LED光机械加速度计构筑与传感特性研究.pdf

摘要

微光机电系统(MOEMS,Micro-OpticalElectro-MechanicalSystem)加速度计凭借高分辨率、

抗电磁干扰能力和环境适应性被广泛应用于汽车、航空航天、电子消费等领域，但MOEMS

加速度计在高精度和大量程上很难做到兼顾，且大多数的MOEMS加速度计都采用Si或SiN

材料，这些材料本身不能发光，需要引入外在光源，这在很大程度上限制了加速度计的集成

与发展，针对上述问题，本文结合GaN良好的光学、电学和机械特性，设计并制备了一种电

泵浦GaNLED梁加速度计，光源和传感部件合二为一，避免了外在光源的引入，可实现高密

度的光电集成。本文的研究内容分为三部分：

1.光泵浦GaN光学微盘的光机械传感特性研究。利用微纳加工工艺设计并制备了直径10

μm-25μm光泵浦LED悬空圆盘，采用COMSOL仿真软件进行力学分析，讨论不同尺寸器件

在重力及旋转条件下应力应变及水平和竖直方向上器件的位移形变，结合实验光谱，发现了

器件的光泵激光峰与微盘机械应变的对应关系，建立机械应变与光谱移动量的传感机制。

2.在光泵浦微盘加速度计的研究基础上，设计并制备了半径75μm的电泵浦InGaN量子

阱悬浮车轮状微盘LED器件，在上述同样的力学场条件下，对器件进行COMSOL仿真，综

合对比发现竖直方向(Z方向)上器件的位移形变规律明显，结合器件的电致发光(EL)光谱，找

到了器件Z方向位移与EL光谱峰值中心蓝移之间的传感关系，并讨论其中的机制。

3.为了提高加速度计的灵敏度，设计并制备了InGaN量子阱LED梁光机械加速度计，梁

结构微腔的光机械应变比圆形微腔更加灵敏，更适合加速度的高精度测量，在实验中设计并

制备了两种基于梁结构的电泵浦GaNLED机械传感元件(I型和II型)，并对器件的光电特性

进行了测试。基于InGaN量子阱结构的量子限制斯塔克效应，引入额外的质量块，研究了电

致发光光谱的蓝移与GaN梁结构变形之间的关系。实验表明，在等效加速度条件下，除了

GaNLED的弹性变形外，LED的光谱峰值中心位移与加速度大小之间存在直接关系。此外，

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还获得了带有额外质量块(重力为75.5×10N)的加速度计EL光谱的蓝移规律，并将聚合物

球(聚苯乙烯微球PS，重力为3.427pN)放置在GaNLED梁结构的中心，在0.5mA的注入电

流下，EL光谱中观察到峰值中心0.061nm的蓝移。依据上述实验测得加速度计的最大灵敏

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度为0.02m/s，最大测量范围可计算为1.8×10m/s，这表明本研究同时实现了加速度计高灵

敏度和宽测量范围的要求，制备出的加速度计实现了光机电一体化，可用于高密度光电集成。

这项工作对片上加速度计具有重要意义，包括光力测量和具有高集成能力的惯性导航系统。

关键词:MOEMS，电泵浦，GaNLED，量子限制斯塔克效应，梁结构，COMSOL

Abstract

Micro-OpticalElectro-MechanicalSystem(MOEMS)accelerometersarewidelyusedinfields

suchasautomobiles,aerospace,andelectronicconsumptionduetotheirhighresolution,

electromagneticinterferenceresistance,andenvironmentaladaptability.However,MOEMS

accelerometersaredifficulttobalancehighprecisionandlargerange,andmostMOEMS

accelerometersuseSiorSiNmaterials,wh