MEMS+光子:感測器領域的下一件大事?

作者 : Bill Schweber,EE Times/EDN/Planet Analog資深技術編輯

除了基礎發射器(例如LED和雷射二極體)和光探測器之外,您是否有過使用光子元件的經驗?光子+MEMS元件呢?您是否認為MEMS和光子的融合可能會是「下一件大事」?

微機電系統(MEMS)自從幾十年前推出用於取代安全氣囊觸發器的管中球式(ball-in-tube)設計以來,已經真正徹底改變了感測換能器。如今,我們看到基於MEMS的裝置已經廣泛地應用在麥克風、聲源、動作和壓力感測器、天線調諧器等等。

在感測領域中,加速度計或許可說是最得益於MEMS技術的元件了。加速度計已經從因應安全氣囊所需的相對較低準確度轉變為性能更高好幾十倍的裝置了。當搭配迷人的MEMS陀螺儀共同使用時,這些加速度計對於無人機、無人航空載具(UAV)、自動駕駛車、導彈等慣性測量單元(IMU)更具關鍵性。MEMS驅動的加速度計革命——我通常不太願意使用「革命」一詞,但在此情況下還算適用——為我們帶來的裝置有著極高準確度、小尺寸、超低功耗和極低成本的驚人組合。

還有另一項技術正在取得重大進展,而且也是利用類似MEMS的製造和處理——使用矽晶和光學友善的基板來固定、雕刻或製造雷射、感測器、光柵、干涉儀和光譜儀之光電子學。由於處理上的限制,這些光子元件中有許多主要是電子含量較少的光學元件,但這種情況也在發生變化。研究人員現在正成功地將MEMS技術與光子相結合,打造出以前不可能實現的裝置,而且他們也在使用這一配對途徑以實現多個參數的出色性能。

例如,美國國家標準技術研究所(NIST)的一支團隊已經打造了一款基於MEMS的加速度計。該加速度計的核心是兩個相互面對的鏡像晶片,從而創建了一個光諧振腔。可自由移動的檢測質量支撐其中一個鏡面,而另一個鏡面則是固定參考面。

然後,他們使用與諧振腔諧振波長鎖定的固定頻率雷射,以諧振腔的諧振波長將紅外光注入該諧振腔中。如果檢測質量因加速度而移動,腔體共諧振的波長也會發生變化。最後,研究人員使用光梳——另一種驚人的光子結構——作為可調諧濾波器以評估腔體諧振的變化。

儘管似乎有很多技術致力於解決MEMS和其他加速度計似乎業已解決的問題,但仍存在顯著的好處。首先,無需校準即可實現全部的性能。其次,其性能令人震驚:研究人員表示,該元件可以感測檢測質量小於氫原子直徑十萬分之一的位移——畢竟,他們在此處使用的是光波長——從而在1kHz至20kHz的頻寬內加速小至320億分之一克(g)。

NIST團隊在此專案上發表了兩篇相關論文:「以光機械加速度計進行寬頻熱機械有限感測」(Broadband thermomechanically limited sensing with an optomechanical accelerometer)涵蓋了加速度計的設計、製造以及廣泛的測試和性能結果;而「用於腔體光機械快速詢問的電光頻率梳」(Electro-optic frequency combs for rapid interrogation in cavity optomechanics)則針對光梳進行探討。此外,還有一段2分鐘的視訊介紹「以光測量加速度」(Measuring Acceleration with Light)。

除了基礎發射器(例如LED和雷射二極體)和光探測器之外,您是否有過使用光子元件的經驗?光子和MEMS元件呢?您是否認為MEMS和光子的這種融合可能會是「下一件大事」?

編譯:Susan Hong

(參考原文:Is MEMS plus photonics the next big thing in sensors?,by Bill Schweber)

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