南方科技大学研发芯片级光学式气流传感器
发布时间:2022-07-07 19:57:15
  摘要:近日,南方科技大学深港微电子学院助理教授李携曦课题组在Microsystems & Nanoengineering上发表了一篇关于芯片级光学式气流传感器的研究成果,提出了一种集成柔性PDMS

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  摘要:近日,南方科技大学深港微电子学院助理教授李携曦课题组在Microsystems & Nanoengineering上发表了一篇关于芯片级光学式气流传感器的研究成果,提出了一种集成柔性PDMS膜的新型紧凑GaN基气流传感器,能够在不需要外部光耦合组件的情况下感应气流。这种GaN芯片具有发射和探测双重功能,通过晶圆级制造工艺在GaN/蓝宝石模板上制造而成,其PDMS膜则通过低成本的液滴成型工艺制得。

  气流速度测量与分布分析在大气环境监测、空气动力学研究、涡轮检测、导航控制、生物医学工程等领域具有重要意义。

  目前已经开发出采用热阻、压阻、电阻、电容、磁致弹性以及力致发光原理的各种传感器用于气流检测。然而,开发同时具有快速响应和宽测量范围的气流传感器仍然存在挑战。近些年,基于光纤的光学式气流传感器以其重量轻、灵敏度高、光学响应快等独特优势吸引了人们的广泛关注。

  基于氮化镓(GaN)的光学和电子元件在芯片级平台上的单片集成,已被证明可用于片上可见光通信、心率检测以及照明和成像应用。不过,到目前为止,关于使用集成GaN基器件进行气流检测的报道仍然非常有限。其主要限制在于刚性生长衬底(如蓝宝石和硅)的存在,限制了器件在气流作用下的形变。

  近日,南方科技大学深港微电子学院助理教授李携曦课题组在Microsystems & Nanoengineering上发表了一篇关于芯片级光学式气流传感器的研究成果,提出了一种集成柔性PDMS膜的新型紧凑GaN基气流传感器,能够在不需要外部光耦合组件的情况下感应气流。这种GaN芯片具有发射和探测双重功能,通过晶圆级制造工艺在GaN/蓝宝石模板上制造而成,其PDMS膜则通过低成本的液滴成型工艺制得。

  GaN芯片通过光刻、蚀刻、金属和氧化物层沉积等晶圆级微加工工艺制造而成,PDMS膜结构通过低成本的液滴成型工艺制得,由于PDMS表面的高粘性,铝膜可以牢固地粘附在PDMS膜上。然后用PDMS凝胶粘合薄膜边缘,加上固化处理,将PDMS膜固定在GaN芯片上。通过铝印刷电路板(PCB)封装建立与片上器件的电气连接,亦即可以通过电流源对LED进行偏置,通过电流表读出光电流信号。

  这款气流传感器的工作原理如上图(a)所示。在电流注入下,限制在InGaN有源区的载流子辐射重组,LED发光。底部分布的布拉格反射镜(DBR)使发射的光向上辐射。从透明蓝宝石中提取的光向铝膜传播。当气流通过时,PDMS膜与铝膜一起形变,并调节到达光电探测器的反射光量。反射光被光电探测器中InGaN层吸收,转换后的光电流信号可用于指示气流变化。

  研究人员开发的这款气流传感器具有体积小、响应快、检测范围宽等优点,在现场测量中具有很高的应用潜力。例如,从鼻子和嘴巴呼出的气流被认为是评估人体健康的有效参数。为了实验证明其性能,研究人员将这款气流传感器放置在距离人体鼻子5 cm的位置,

  而在快速深呼吸的情况下,可以获得0.8 A的密集周期性光电流信号。除了正常的呼吸模式,确定一个人呼气的峰值流速可以表明空气是如何从肺部排出的,从而判断哮喘的状况。

  南方科技大学研究团队提出了一种GaN芯片与PDMS膜以可控和可扩展方式集成的光学式气流传感器。对气流高度敏感的柔性PDMS膜可以在无需外部光学元件的情况下调节芯片发出的光,通过检测到的光电流信号反映气流的变化。并且,这种气流传感器在响应时间和可检测范围方面展现了优异的性能,使其适合在广泛的实际应用中进行现场测量。

  7月1日,由中国制造强国论坛组委会、中共宜兴市委员会、宜兴市人民政府联合主办,中制智库、中共官林镇委员会、官林镇人民政府承办的“新材料与新技术的强国之路国家新材料与新技术产业创新发展大会暨第三届宜兴太湖湾国际青年精英科创挑战赛上海城市赛”在宜兴隆重举行。

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