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潮科技 | 集成纳米光机械传感器，使纳米计量“片上实验室”触手可及

晰数塔互联网快讯
2020-06-04 16:53

图 | MEMS

编者按：本文来自微信公众号“MEMS”（ID：MEMSensor），作者麦姆斯咨询，原文题目《集成纳米光机械传感器，使纳米计量“片上实验室”触手可及》，36氪经授权发布，略有删减。

据麦姆斯咨询报道，荷兰埃因霍温理工大学（Eindhoven University of Technology）的研究人员开发出了一种微型集成光学传感器，能够提供更高的分辨率，使超紧凑光学器件成为可能，包括用于“片上实验室（lab-on-chip）”平台的激光器和探测器。该研究成果已发表于Nature Communications。

“基于光机械系统的光学读出传感器在传感领域已经很常见，例如原子力显微镜（atomic force microscope, AFM）。”埃因霍温理工大学的开发人员说，“原子力显微镜将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固定，另一端有一微小的针尖，针尖与样品表面轻轻接触。带有针尖的微悬臂将对应于针尖与样品表面原子间作用力的等位面，而在垂直于样品的表面方向起伏运动。然后，利用激光束聚焦在微悬臂背面，通过测量悬臂在感兴趣表面上反射偏转的激光束变化，可以获得亚纳米分辨率的图像。”

凭借紧凑的光学传感器，“片上纳米计量实验室”触手可及

然而，原子力显微镜等传统基于激光的方案往往体积庞大，加上对低成本和高分辨率的要求，推动了替代方案的开发。

得益于纳米光机械系统的发展，现在已经可以利用紧凑型光学传感器来测量纳米尺度的运动、力和质量。不过，其中存在的一个限制因素是需要具有窄线宽的可调谐激光器，这类器件的集成还存在挑战。

为了解决这个问题，埃因霍温理工大学光子集成研究所的Tianran Liu、Andrea Fiore和同事们设计了一种新的光机械器件，其分辨率可达45飞米（45 x 10⁻¹⁵米），测量时间仅为几分之一秒。开发人员补充道：“关键是，该器件具有80纳米的超宽光学带宽，从而消除了对可调谐激光器的要求。”

四个波导和大波长范围

在该传感器结构的设计中，来自一个输入波导的光激发对称和反对称超模态的叠加，在定向耦合器中经过一个拍长后，在“交叉”输出端口处产生相长干涉。一个悬置波导的位移，改变了超模态的传播常数，产生相消干涉，从而增加了另一个波导的传输。作者解释称，两个输出波导的相对传输的变化是垂直和水平倏逝波耦合（evanescent coupling）共同作用的结果。

驱动悬置波导位移前（上）、后（下）通过定向耦合器的光

该研究中理想器件在悬置波导位移前、后（55纳米）的模拟电场分布（|E|）

这款传感器基于磷化铟（InP）硅上薄膜（membrane-on-silicon）平台，可用于激光器或探测器等无源器件。传感器本身由四个波导组成，两个波导悬置在两个输出波导上方。

器件堆栈的剖面示意图

当悬置波导被推向InP膜上的输出波导时，输出波导上的相对信号量会发生变化。其制造通过一系列光刻步骤来定义波导和悬臂，最终的传感器由传感器、执行器和光电二极管组成。

这款传感器的一个重要优点是可以在很宽的波长范围内工作，从而消除了对器件上昂贵激光器的要求。在悬臂梁挠度方面，该传感器还复制了传统原子力显微镜悬臂梁的分辨率。研究人员计划以这款新器件为基础，在可移动波导的顶部构建一个尖端，在一颗集成芯片上开发完整的“纳米计量实验室”，用于半导体计量测试，为下一代微芯片和纳米电子设计提供帮助。