南方科技大学研发芯片级光学式气流传感器

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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）的光学和电子元件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（?）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?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元件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。