广告

兼具MEMS和光子传感器优势的微光机械(MOMS)技术

2019-06-21 阅读:
兼具MEMS和光子传感器优势的微光机械(MOMS)技术
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。

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。SfMednc

039ednc20190621SfMednc

承载光波导的膜的形变引起光波的相移,从而计算施加的压力SfMednc

MOMS传感器有哪些应用?

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。SfMednc

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。SfMednc

可用于最苛刻的应用

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。SfMednc

040ednc20190621SfMednc

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SfMednc

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。SfMednc

日益普及

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。SfMednc

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。SfMednc

智能系统设计

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。SfMednc

041ednc20190621SfMednc
SfMednc

经典MZI设计SfMednc

042ednc20190621SfMednc
SfMednc

038ednc20190621SfMednc
SfMednc

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SfMednc

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。SfMednc

(来源:微迷)SfMednc

本文为EDN电子技术设计 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
  • 微信扫一扫
    一键转发
  • 最前沿的电子设计资讯
    请关注“电子技术设计微信公众号”
  • 热敏电阻 – 近观 对多数应用设备来说都有对温度监控与控制的基本要求,而这一应用在全球有高达 60 亿美元的全球市场,并以每年5%的速度增长。然而,尽管它们在这些设备中发挥着至关重要的作用,许多工程师却都认为使用这类微小的装置是理所当然的,并且往往会产生误解。为了帮助解决这一问题,本文描述了主要类型的温度传感器,并且重点关注了负温度系数 (NTC) 热敏电阻,因为该装置在温度传感应用中的使用最普遍。
  • 楼宇烟雾探测技术:关于各种规范和认证 本文总结介绍了一些烟雾探测技术、其定义、烟雾探测器测试,以及它们与5项国际标准的关系。文中并没有将一个标准与另一个进行详细对比分析。而是使用一些示例,说明满足烟雾探测法规要求的过程有多严格和复杂。
  • 面向智能交通基础设施的模块化边缘计算技术 专为边缘应用打造的系统要求具备高度灵活性。这需要可扩展的处理能力,而采用嵌入式计算机模块是最为高效的实现方式。从智慧城市LoRa网关到智能充电基础设施和视频监控服务器,三种实际应用均搭配可选AI技术,以展现这种模块化设置的优势。
  • LIDAR有哪些主要设计考量? 本文将介绍与LIDAR有关的主要设计考量,LIDAR是一种传感器,为各种自动驾驶解决方案提供大量数据。
  • 纳米供电集成电路可实现智能能耗 工业设计工程师希望提高楼宇的能源效率,以降低公用事业成本并减少碳足迹。为真正提高效率,设计师必须同时关注新建筑和现有楼宇,扩建以及运营和维护带来的持续上涨的成本。
  • 从ADAS到驱动器更换:实际雷达性能是否足够好? 雷达不仅必须能够进行物体检测,还必须能够进行物体分类。这就要求雷达图像的分辨率比目前先进系统的分辨率更高。
广告
热门推荐
广告
广告
EE直播间
在线研讨会
广告
广告
面包芯语
广告
向右滑动:上一篇 向左滑动:下一篇 我知道了