2017年底，歐洲微電子研究中心（imec）推出了基于MOMS（微型光機(jī)械系統(tǒng)）技術(shù)的壓力傳感器。本質(zhì)上來(lái)說(shuō)它是一種將膜片（微米級(jí)）的機(jī)械運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為光學(xué)信號(hào)的傳感器。其工作原理為：先在膜片上構(gòu)建光學(xué)電路，例如長(zhǎng)波導(dǎo)；膜片受到壓差刺激產(chǎn)生形變，改變光學(xué)電路的特性，例如從長(zhǎng)波導(dǎo)出射的光的相位；然后通過(guò)光學(xué)讀出該相移，從而確定最初施加到傳感器上的壓力。

承載光波導(dǎo)的膜的形變引起光波的相移，從而計(jì)算施加的壓力

MOMS傳感器有哪些應(yīng)用？

目前業(yè)內(nèi)主要有兩大類先進(jìn)的壓力傳感器：MEMS傳感器和光子傳感器。基于MEMS技術(shù)的壓力傳感器具有類似的機(jī)械檢測(cè)原理（膜的形變），但改變的是電學(xué)特性。憑借它們的小型化和性能，MEMS壓力傳感器在汽車、醫(yī)療、高度和深度測(cè)量以及流量傳感等領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)很成熟。

光子傳感器應(yīng)用了穿過(guò)被拉伸材料時(shí)光波的變化特性。由于其更高的靈敏度和更低的噪音，它們很受歡迎，但無(wú)法用于微型化和集成系統(tǒng)。憑借MOMS技術(shù)，imec開(kāi)發(fā)的傳感器具有與光子傳感器相同的性能以及MEMS傳感器的小尺寸，具有極高的精度、線性度和寬動(dòng)態(tài)范圍，結(jié)合了上述兩種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

可用于最苛刻的應(yīng)用

得益于MOMS技術(shù)的多方面優(yōu)勢(shì)，imec看到了應(yīng)用潛力。首先，傳感器中微小的機(jī)械形變可以引起大的光學(xué)效應(yīng)，從而帶來(lái)高靈敏度；其次，MOMS傳感器不含金屬，這使它們特別適合醫(yī)療應(yīng)用，例如，能夠與MRI等磁共振系統(tǒng)兼容；此外，它們的生物相容性已經(jīng)得到證實(shí)，因此它們可以用于人體植入，例如顱內(nèi)壓檢測(cè)等。

imec開(kāi)發(fā)的MOMS傳感器具有抗輻射和生物相容性，因此非常適合醫(yī)療應(yīng)用

MOMS傳感器的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是機(jī)械運(yùn)動(dòng)和光學(xué)讀出是分離的，并且與電流無(wú)關(guān)。這使得MOMS器件抗輻射并且對(duì)電磁干擾不敏感。至少同樣重要的是，這可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模多路復(fù)用：通過(guò)光學(xué)總線并行讀取數(shù)量空前的傳感器，而不需要集成的支持電子元件。imec正在對(duì)接產(chǎn)業(yè)界，共同尋找需要這種性能的殺手級(jí)應(yīng)用。例如，現(xiàn)在暢想的具有數(shù)千個(gè)集成MOMS傳感器的手術(shù)手套，可用于腫瘤的觸覺(jué)檢測(cè)。

日益普及

不過(guò)，MOMS技術(shù)并不是一項(xiàng)全新的技術(shù)。第一篇參考文獻(xiàn)甚至可以追溯到上個(gè)世紀(jì)九十年代。盡管如此，MOMS技術(shù)仍處于起步階段。主要是因?yàn)橄噍^傳統(tǒng)的光子傳感器，MOMS器件需要先進(jìn)的微型化和工藝技術(shù)才能發(fā)揮其全部潛力。因此，近年來(lái)MOMS的普及同步于光子學(xué)領(lǐng)域的加速發(fā)展并非巧合。

至少，在imec的情況確實(shí)如此，imec數(shù)年前開(kāi)始研究MOMS，結(jié)合了imec強(qiáng)大的氮化硅（SiN）光子學(xué)平臺(tái)和在MEMS技術(shù)領(lǐng)域的專業(yè)積累。同時(shí)，在imec試驗(yàn)產(chǎn)線中MOMS有自己的工藝，基于低溫SiN沉積（PECVD）和200 mm深紫外（UV）光刻。這種級(jí)別的工藝整合提高了傳感器的品質(zhì)，而且還可以對(duì)光學(xué)成像器進(jìn)行后處理。不過(guò)，imec的MOMS傳感器性能的最大提升源自其設(shè)計(jì)。

智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)

MOMS壓力傳感器設(shè)計(jì)通常是基于Mach-Zehnder干涉儀（MZI）或環(huán)形諧振器。imec的MZI設(shè)計(jì)采用了一種巧妙的方法，得益于環(huán)路的數(shù)量和形狀，它們的范圍更廣。

經(jīng)典MZI設(shè)計(jì)

imec的新設(shè)計(jì)（設(shè)計(jì)方案和實(shí)物照片），其中不同形狀的多個(gè)環(huán)路可以在很寬的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高靈敏度

添加環(huán)路可以提高傳感器的靈敏度，但會(huì)降低其明確的測(cè)量范圍。因此，imec的設(shè)計(jì)將短螺旋波導(dǎo)（單環(huán)）和長(zhǎng)螺旋波導(dǎo)整合在一個(gè)薄膜上。通過(guò)巧妙地整合來(lái)自兩個(gè)波導(dǎo)的信號(hào)，imec的MOMS傳感器能夠保持高靈敏度和寬范圍。首批測(cè)量表明，在超過(guò)100 kPa的范圍內(nèi)其標(biāo)準(zhǔn)偏差小于1 Pa，這與商用傳感器相近，但沒(méi)有MEMS傳感器的電磁敏感度，并且比典型的光子傳感器尺寸更小。

未來(lái)

對(duì)于imec，壓力傳感器只是MOMS技術(shù)如何補(bǔ)充MEMS和光子傳感器的第一個(gè)應(yīng)用案例。imec的目標(biāo)是最終開(kāi)發(fā)出具有各種傳感器的強(qiáng)大MOMS平臺(tái)。