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MEMS + 光子会是传感器领域的下一个大趋势吗?

时间:2021-07-30 作者:Bill Schweber 阅读:
您是否有过使用光学器件的经验?除了基础发射器(例如LED和激光二极管)和光电探测器之外,光子和MEMS器件呢?您是否认为MEMS和光子的这种融合可能会是“next big thing”?
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自从几十年前开发出微机电系统(MEMS)用于替代汽车安全气囊触发器的管中球(ball-in-tube)设计以来,MEMS已经彻底改变了传感换能器。如今,我们看到基于MEMS的器件已经广泛应用到麦克风、声源、运动和压力传感器,以及天线调谐器等等。

在传感领域中,加速度计或许可说是从MEMS技术受益最大的器件了。加速度计已经从安全气囊所需的低准确度发展到性能提高几十倍的先进器件了。当加速度计与MEMS陀螺仪结合使用时,就构成了无人机、无人航空器(UAV)、自动驾驶车辆,甚至导弹等先进设备的惯性测量单元(IMU)。由MEMS驱动的加速度计革命——我通常不太愿意使用“革命”一词,但在此情况下还算适用——让现今的电子设备有着极高准确度、小尺寸、超低功耗和极低成本等诸多优异特性。

还有另一项技术正在取得重大进展,而且也是采用类似MEMS的制造技术和工艺,就是采用光学特性比较好的硅基衬底的光电器件,可以制造激光器、传感器、光栅、干涉仪和光谱仪等。由于工艺上的限制,许多光子器件主要以光学组件为主,电子组件较少,但这种局面正在发生变化。研究人员现在将MEMS技术用于光器件,成功研制出以前不可能实现的器件,而且使用这种融合技术开发出的光电器件在多个参数上都表现出了优异的性能。

例如,美国国家标准技术研究所(NIST)的一支研究团队已经开发出一款基于MEMS的加速度计,其核心是两个镜像芯片,它们相互面对,形成一个光谐振腔。一种可自由移动的惯性质量块用来支撑其中一个镜面,而另一个镜面则作为固定参考面。

然后,他们用固定频率的激光器将红外光注入谐振腔,该激光器的波长锁定在谐振腔的谐振波长上。如果惯性质量块由于加速度而移动,谐振腔的波长也会发生变化。最后,他们使用一个光学梳子(另一个惊人的光子结构)作为可调谐滤波器,以测量谐振腔的变化。

尽管已经有很多技术致力于解决MEMS和其它加速度计似乎业已解决的问题,但这一技术还是有其显著的好处。首先,无需校准即可获得全面的性能。其次,其性能令人震惊,研究人员表示,该器件可以感应到惯性质量块小于氢原子直径十万分之一的位移——毕竟,他们在此处使用的是光波长——从而在1kHz至20kHz的频宽内加速小至320亿分之一克(g)。

NIST团队已经就此发表了两篇相关论文:《以光机械加速度计进行宽频热机械有限传感》( Broadband thermomechanically limited sensing with an optomechanical accelerometer ),该论文涵盖了加速度计的设计、制造以及广泛的测试和性能结果;而《用于腔体光机械快速询问的电光频率梳》( Electro-optic frequency combs for rapid interrogation in cavity optomechanics )则针对光梳进行了探讨。此外,还有一段2分钟的视频介绍:“以光测量加速度”(Measuring Acceleration with Light)。

您是否有过使用光学器件的经验?除了基础发射器(例如LED和激光二极管)和光电探测器之外,光子和MEMS器件呢?您是否认为MEMS和光子的这种融合可能会是“next big thing”?

(参考原文: Is MEMS plus photonics the next big thing in sensors?

责编:Amy Guan

本文为《电子工程专辑》2021年8月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。点击申请免费杂志订阅 

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Bill Schweber
EE Times/EDN/Planet Analog资深技术编辑。Bill Schweber是一名电子工程师,他撰写了三本关于电子通信系统的教科书,以及数百篇技术文章、意见专栏和产品功能介绍。在过去的职业生涯中,他曾担任多个EE Times子网站的网站管理者以及EDN执行编辑和模拟技术编辑。他在ADI公司负责营销传播工作,因此他在技术公关职能的两个方面都很有经验,既能向媒体展示公司产品、故事和信息,也能作为这些信息的接收者。在担任ADI的marcom职位之前,Bill曾是一名备受尊敬的技术期刊副主编,并曾在其产品营销和应用工程团队工作。在担任这些职务之前,他曾在英斯特朗公司(Instron Corp., )实操模拟和电源电路设计以及用于材料测试机器控制的系统集成。他拥有哥伦比亚大学电子工程学士学位和马萨诸塞大学电子工程硕士学位,是注册专业工程师,并持有高级业余无线电执照。他还在计划编写和介绍了各种工程主题的在线课程,包括MOSFET基础知识,ADC选择和驱动LED。
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