8月7日消息，高精度MEMS加速度计是惯性导航、工业测控、航空航天、智能感知领域的核心底层器件。长期以来，传统芯片级加速度计始终陷入技术矛盾：高灵敏度器件普遍动态范围受限，而大动态范围产品又难以兼顾微弱信号检测精度，成为制约高端惯性传感技术迭代的关键瓶颈。

针对这一行业痛点，德克萨斯大学奥斯汀分校研究团队完成技术突破，创新性提出集成光子MEMS加速度计的全套设计、建模与实验表征方案。依托相位展开核心算法与片上光子集成架构，该器件成功打破“灵敏度与动态范围相互制衡”的固有难题，为下一代超高精度、大动态片上惯性传感器开辟全新技术路径。

核心创新

本次研究的核心突破，是将相位展开技术创新性应用于光子MEMS加速度检测，彻底解决传统干涉式传感的相位模糊问题。常规光子干涉传感仅能捕捉有限区间内的相位变化，一旦超出阈值便会出现信号失真、计数失效，最终导致动态范围大幅受限，无法同时满足高精度检测与大场景量程覆盖需求。该新型加速度计搭载基于椭圆拟合的相位展开算法，可对大范围相位变化进行精准、稳定的相位恢复；在大幅拓展测量量程、拓宽动态范围的同时，完整保留微弱振动信号的识别能力，实现了高灵敏度与超大动态范围的双向兼容，攻克长期困扰行业的性能悖论。

性能测试数据展现出极强的技术优势，器件实测噪声底低至2.0μg/√Hz。同时研究团队验证了极致降噪的优化路径，通过同步提升输入光功率、增加悬臂梁波导环路数量，可将器件噪声水平进一步降至10 ng/√Hz，逼近器件热机械噪声物理极限，让输入等效散粒噪声灵敏度达到理论最优水平。值得关注的是，这是全球首个在单片光子集成芯片上实现条纹计数功能的MEMS加速度计，也是业内首次针对该技术策略在集成光子惯性传感领域的系统性研究，填补了高端光子惯性传感领域的技术空白。

架构原理

这款新型加速度计采用一体化片上集成架构，核心基于同一悬臂梁搭载两组独立的马赫–曾德尔干涉仪（MZI）构建而成，结构设计精简且抗干扰性强，适配芯片级小型化、集成化发展趋势。器件光信号采用标准化片上耦合方案，外部光源通过光纤阵列、光栅耦合器接入芯片内部，入射光束被精准分为三路，分别构成一条参考臂与两条独立传感臂。其中，参考臂输出光束再次分流，分别与两条传感臂光束相干合束，最终形成两套互不干扰的MZI检测通路，实现双通道同步传感、交叉校验，大幅提升信号检测稳定性。在实际工作场景中，当芯片基底受到加速度作用产生位移时，悬臂梁会发生微量机械形变，直接改变两条传感臂的光程长度，使传感臂与参考臂之间产生精准的光学相位差，这一细微相位差会实时转化为输出光功率的动态变化，最终由外接光纤耦合光电探测器完成高精度信号采集与解析，实现加速度信号的精准传感。

实验验证

为精准验证器件的实际工作性能与环境适配性，研究团队搭建了全套标准化实验测试平台，对封装完成的集成光子MEMS加速度计进行系统性性能表征。测试硬件采用行业主流高精度设备，将传感芯片固定于Wilcoxon F4激振器，通过Polytec PSV-500扫描激光多普勒测振仪（SLDV）配套数据采集系统，输出可控、稳定的激励信号；同时利用激光非接触式测量方式，实时捕捉芯片表面全域振动响应，同步记录双MZI通道的输出数据，规避接触式测试带来的信号干扰与误差。本次实验精准标定了器件的灵敏度、噪声特性等核心性能参数，为技术迭代与产业化落地提供了完善的数据支撑；实验工况下，光电探测器接收光功率为33μW，器件平坦频带内散粒噪声底稳定达到2.0μg/√Hz。

根据理论仿真推演，该器件具备极大的性能提升空间：当输出光功率提升至1mW时，输入等效散粒噪声可降至363 ng/√Hz；而器件的热机械噪声与光学系统参数无关，仅由结构物理特性决定，结合悬臂梁19mg的有效质量，其热机械噪声底可低至10 ng/√Hz，这也是该款芯片级加速度计可逼近的物理性能极限。相较于传统MEMS加速度计，该技术彻底摆脱了电学传感的噪声束缚，依托光子传感天然高精度、抗电磁干扰、高稳定性的优势，结合相位展开算法的动态范围突破，实现了精度、量程、稳定性的三重升级。  （来源：传感器技术）