作者@@：麦姆斯咨询殷飞@@，文章来源@@： MEMS
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@@@@188足彩外围@@app 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@@。
据麦姆斯咨询报道@@，南方科技大学深港微电子@@学院助理教授李携曦课题组近日在@@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@@。
（a）该研究成果提出的@@气流传感器@@示意图@@；（b）GaN芯片结构示意图@@；（c）PDMS膜制造过程示意图@@，以及不同阶段的@@光学图像@@；（d）结合铝膜的@@@@PDMS膜的@@正面和@@@@（e）背面的@@显微照片@@；（f）PDMS膜覆盖之前和@@@@（g）之后封装芯片的@@放大图像@@；（h）气流传感器@@的@@光学图像@@。
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@@。
低速@@（左@@）和@@高速@@（右@@）气流下传感器中反射光的@@分布示意图@@
（a）实验人员通过鼻子对传感器呼气@@；（b）鼻子对传感器呼气时的@@光电流响应@@；（c）实验人员通过管子对传感器呼气@@，管子直径@@（ø）分别为@@11.50 mm、7.30 mm和@@5.55 mm；（d）通过管子对传感器呼气时的@@光电流响应@@。
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@@，如上图@@@@（a）所示@@。从上图@@@@（b）光电流曲线图中@@，可以观察到与呼吸频率相关的@@光电流周期性变化@@，0.4 μA范围内的@@光电流变化意味着鼻腔呼气产生的@@气流水平较低@@。
而在快速深呼吸的@@情况下@@，可以获得@@0.8 μA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@@。上图@@（c）展示了通过直径不同的@@管子向传感器呼气的@@气流测量@@，（d）显示了相应的@@不同光电流信号@@。实验研究发现@@，较小的@@管径@@ø会带来更宽的@@衰减曲线@@。直径为@@5.55 mm的@@最小管子@@ 可以将@@气流集中到传感器上@@，从而获得约@@9 μA的@@最大光电流@@。
结语@@
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@@188足彩外围@@app 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@@。