向右滑动:上一篇 向左滑动:下一篇 我知道了
广告

兼具MEMS和光子传感器优势的微光机械(MOMS)技术

时间:2019-06-21 阅读:
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。aqnednc

039ednc20190621aqnednc

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aqnednc

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。aqnednc

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。aqnednc

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。aqnednc

040ednc20190621aqnednc

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aqnednc

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。aqnednc

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。aqnednc

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。aqnednc

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。aqnednc

041ednc20190621aqnednc
aqnednc

经典MZI设计aqnednc

042ednc20190621aqnednc
aqnednc

038ednc20190621aqnednc
aqnednc

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aqnednc

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。aqnednc

(来源:微迷)aqnednc

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”
您可能感兴趣的文章
  • 人工智能时代不断变化的工业格局 尽管AI技术并不是什么新鲜事物,但数据的爆炸式增长促使AI以惊人的速度发展,例如在百度和谷歌等数十亿次的搜索提供了相当大的实时数据集,支持了AI的蓬勃发展。
  • 一种降低烟感产品误报率的解决方案 现有的烟感方案如电离传感器,光电传感器构成的产品,可以很好的测量烟雾。一般电离传感器方案,会比较快的对传统烟雾进行报警,这取决于烟腔迷宫的设计。而光电传感器,可以更早的对阴燃物体产生的烟雾进行报警,从而提前预防火灾的发生。但这两种方式,对烧焦的汉堡或水蒸气干扰情况的辨识度较差,容易发生误报,需要很有经验的软件人员将其与真实的烟雾区分出来。
  • 技术开发生态系统对持续提升自动驾驶安全至关重要 自动驾驶汽车(AV)正迅速从炒作走向现实。Emerj最近的报告记载了11家最大的汽车厂商计划,其中本田、丰田和雷诺日产最早将于明年开展计划。然而,很明显,部署批量生产的自动驾驶汽车比传统汽车有更多的要求。
  • 揭开隐藏140年的霍尔效应秘密 IBM研究人员发现了一个与霍尔效应相关的140年的秘密,这个之前不为人所知的特性可望为改善半导体性能开辟一个新的途径。
  • 搭建物理与数字世界的桥梁,推动创新进入快车道 不管信号多么小、多么快、多么复杂,或者在多么强的干扰下,都能找到一种方法,把它从模拟世界中提炼,然后在数字中体现出来,即建立一个从物理世界到数字世界的桥梁。
  • 设计小巧、高效和高性能的多参数患者监护仪 连续测量如心率、呼吸频率和血氧饱和度(SpO2)等患者生命指征对于提供有效护理来说至关重要,而同时测量这些体征的能力也使得多参数患者监护仪变得日益重要。
相关推荐
    广告
    近期热点
    广告
    广告
    广告
    可能感兴趣的话题
    广告