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兼具MEMS和光子传感器优势 应对苛刻应用的微光机

作者:菠菜导航网    发布时间:2021-01-22 07:09    

  2017年底,欧洲微电子研究中心(imec)推出了基于MOMS(微型光机械系统)技术的压力传感器。本质上来说它是一种将膜片(微米级)的机械运动转换为光学信号的传感器。其工作原理为:先在膜片上构建光学电路,例如长波导;膜片受到压差刺激产生形变,改变光学电路的特性,例如从长波导出射的光的相位;然后通过光学读出该相移,从而确定最初施加到传感器上的压力。

  目前业内主要有两大类先进的压力传感器:MEMS传感器和光子传感器。基于MEMS技术的压力传感器具有类似的机械检测原理(膜的形变),但改变的是电学特性。凭借它们的小型化和性能,MEMS压力传感器在汽车、医疗、高度和深度测量以及流量传感等领域的应用已经很成熟。

  光子传感器应用了穿过被拉伸材料时光波的变化特性。由于其更高的灵敏度和更低的噪音,它们很受欢迎,但无法用于微型化和集成系统。凭借MOMS技术,imec开发的传感器具有与光子传感器相同的性能以及MEMS传感器的小尺寸,具有极高的精度、线性度和宽动态范围,结合了上述两种技术的优势。

  得益于MOMS技术的多方面优势,imec看到了应用潜力。首先,传感器中微小的机械形变可以引起大的光学效应,从而带来高灵敏度;其次,MOMS传感器不含金属,这使它们特别适合医疗应用,例如,能够与MRI等磁共振系统兼容;此外,它们的生物相容性已经得到证实,因此它们可以用于人体植入,例如颅内压检测等。

  imec开发的MOMS传感器具有抗辐射和生物相容性,因此非常适合医疗应用

  MOMS传感器的另一个优势是机械运动和光学读出是分离的,并且与电流无关。这使得MOMS器件抗辐射并且对电磁干扰不敏感。至少同样重要的是,这可以实现大规模多路复用:通过光学总线并行读取数量空前的传感器,而不需要集成的支持电子元件。imec正在对接产业界,共同寻找需要这种性能的杀手级应用。例如,现在畅想的具有数千个集成MOMS传感器的手术手套,可用于肿瘤的触觉检测。

  不过,MOMS技术并不是一项全新的技术。第一篇参考文献甚至可以追溯到上个世纪九十年代。尽管如此,MOMS技术仍处于起步阶段。主要是因为相较传统的光子传感器,MOMS器件需要先进的微型化和工艺技术才能发挥其全部潜力。因此,近年来MOMS的普及同步于光子学领域的加速发展并非巧合。

  至少,在imec的情况确实如此,imec数年前开始研究MOMS,结合了imec强大的氮化硅(SiN)光子学平台和在MEMS技术领域的专业积累。同时,在imec试验产线中MOMS有自己的工艺,基于低温SiN沉积(PECVD)和200 mm深紫外(UV)光刻。这种级别的工艺整合提高了传感器的品质,而且还可以对光学成像器进行后处理。不过,imec的MOMS传感器性能的最大提升源自其设计。

  MOMS压力传感器设计通常是基于Mach-Zehnder干涉仪(MZI)或环形谐振器。imec的MZI设计采用了一种巧妙的方法,得益于环路的数量和形状,它们的范围更广。

  imec的新设计(设计方案和实物照片),其中不同形状的多个环路可以在很宽的范围内实现高灵敏度

  添加环路可以提高传感器的灵敏度,但会降低其明确的测量范围。因此,imec的设计将短螺旋波导(单环)和长螺旋波导整合在一个薄膜上。通过巧妙地整合来自两个波导的信号,imec的MOMS传感器能够保持高灵敏度和宽范围。首批测量表明,在超过100 kPa的范围内其标准偏差小于1 Pa,这与商用传感器相近,但没有MEMS传感器的电磁敏感度,并且比典型的光子传感器尺寸更小。

  对于imec,压力传感器只是MOMS技术如何补充MEMS和光子传感器的第一个应用案例。imec的目标是最终开发出具有各种传感器的强大MOMS平台。


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