Semiconductor technology & processingSilicon Photonics

10 min

Sensor zoekt veeleisende toepassing

Micro-optomechanische sensoren (MOMS) zijn stralingshard en combineren een groot bereik met een hoge gevoeligheid. Hun specifieke opbouw en werking maken hen daarenboven erg veelzijdig. Xavier Rottenberg, wetenschappelijk directeur en groepsleider golfgebaseerde sensoren en actuatoren bij imec, zet de voordelen en mogelijke toepassingen van MOMS op een rijtje.

Scroll

Dit artikel is aangepast vanuit een artikel wat eerder verscheen in Bits&Chips.

Hoe werkt het?

Eind 2017 presenteerde imec een druksensor gebaseerd op MOMS-technologie (MOMS = micro-optomechanische systemen). Kort samengevat is het een sensor waarbij een mechanische verplaatsing van een membraan (op micrometerschaal) omgezet wordt in een optisch signaal. Dat werkt als volgt: op het membraan kan je een optisch circuit bouwen (bv. een lichtgeleider). Zodra er druk wordt uitgeoefend, vervormt het membraan en veranderen ook de eigenschappen van het optisch circuit (bv. een fase-verschuiving in het licht wat uit de geleider komt). Door de faseverschuiving optisch uit te lezen, heb je dus een methode waarmee je de oorspronkelijk uitgeoefende druk op de sensor kan bepalen.

De vervorming van een membraan met een lichtgeleider erop veroorzaakt een fase-verandering van een optisch signaal en geeft een maat voor de uitgeoefende druk.

De vervorming van een membraan met een lichtgeleider erop veroorzaakt een fase-verandering van een optisch signaal en geeft een maat voor de uitgeoefende druk.

Waar kan je het voor gebruiken?

Er bestaan al twee grote categorieën van geavanceerde druksensoren in de industrie: MEMS-sensoren en fotonische sensoren. Druksensoren op basis van MEMS-technologie (micro-elektromechanische systemen) hebben een gelijkaardig mechanisch detectieprincipe (vervorming van een membraan), maar dan gecombineerd met een elektrische uitlezing (verandering van de eigenschappen van een elektrische stroom). Ze zijn vanwege hun miniaturisatie en prestaties goed ingeburgerd in domeinen zoals de automobiel- en medische industrie, in hoogte- en dieptemetingen en bij het meten van vloeistofstromen (flow sensing). Fotonische sensoren maken gebruik van de veranderende eigenschappen van een optische golf wanneer deze door een materiaal gaan waar een kracht wordt op uitgeoefend. Ze staan bekend voor hun hogere gevoeligheid en lagere ruis, maar zijn niet beschikbaar in geminiaturiseerde en geïntegreerde systemen. Met MOMS-technologie maakt imec sensoren die gelijkwaardige prestaties hebben als de fotonische sensoren en dat op het kleine formaat van MEMS-sensoren. Ze combineren een grote nauwkeurigheid met een breed dynamisch bereik en daarmee dus het beste van de twee werelden.

Zoeken naar de meest veeleisende toepassing

Imec ziet om een aantal redenen potentieel in MOMS. Een van de redenen is dat een kleine mechanische verplaatsing in de sensor een groot optisch effect teweeg kan brengen en daarmee dus een hoge gevoeligheid in de hand werkt. Ook bevatten de MOMS-sensoren geen metalen, wat ze met name interessant maakt voor medische toepassingen. Denk aan sensoren in het lichaam waarmee de patiënt zonder problemen onder de magnetische MRI-scanner kan. Hun biocompatibiliteit is reeds bewezen, dus ze zijn potentieel geschikt voor toepassing in het lichaam, zoals het detecteren van druk in de hersenen.

 

De imec sensor is stralingshard en biocompatibel, dus uitermate geschikt voor potentiële medische toepassingen.

De imec sensor is stralingshard en biocompatibel, dus uitermate geschikt voor potentiële medische toepassingen.

Een ander voordeel van MOMS is dat de mechanische verplaatsing en de optische uitlezing van elkaar zijn losgekoppeld en onafhankelijk zijn van elektrische stroom. Het maakt MOMS stralingshard en ongevoelig voor elektromagnetische interferentie. En minstens even belangrijk: het laat multiplexing toe: het parallel inlezen van een ongezien aantal sensoren via een optische bus. Al is het voorlopig nog wachten op de killer applicatie die dergelijke prestaties vereist. Zo circuleren visies over een chirurgische handschoen met duizenden geïntegreerde MOMS-sensoren die toelaten om tumoren te detecteren door eraan te voelen.

De reden van de opmars

MOMS-technologie is echter niet nieuw. Eerste gebruik van de term in wetenschappelijke literatuur dateert al van de jaren negentig. Toch staat de technologie nog zowat in de kinderschoenen. Grotendeels omdat miniaturisatie en de bijhorende procestechnologie vereist zijn om het volle potentieel te benutten in vergelijking met klassieke fotonische sensoren. Het is dan ook geen toeval dat de populariteit van MOMS de laatste jaren meelift op de toegenomen expertise in fotonica. Zo ook bij imec, waar het MOMS-onderzoek enkele jaren geleden ontstond vanuit imec’s robuuste SiN-gebaseerde fotonica-platform in combinatie met de imec expertise in MEMS. Inmiddels hebben MOMS hun eigen procesflow in de pilootlijn van imec, onder meer op basis van lage-temperatuur SiN depositie (PECVD) en 200mm diep-UV-lithografie. Dergelijke procesintegratie komt de kwaliteit van de sensoren ten goede en laat ook post-processing toe op bestaande beeldsensorchips die de optische uitlezing doen. Maar de grote winst in de prestaties van de sensor haalde imec uit het ontwerp.

Slim systeemontwerp

De gangbare manier om een MOMS-druksensor te ontwerpen, is op basis van Mach-Zender Interferometers (MZI) of ring resonatoren. Imec paste een slimme ingreep toe op het ontwerp van de MZI, waarbij ze een breder bereik krijgen dankzij het aantal lussen in de lichtgeleider en hun vorm.

 

moms1

moms2

moms3

Van boven naar onder: klassiek MZI ontwerp en het nieuwe ontwerp van imec (schema en foto) waarbij meerdere lussen van verschillende vorm een hoge gevoeligheid toelaten bij een breed bereik.

Door meerdere lussen te maken in de lichtgeleider vergroot je de gevoeligheid van de sensor, maar daalt het bereik. Het imec ontwerp combineert daarom een korte enkelvoudige lus omheen een lange meervoudige spiraal. Door de signalen van beide slim te combineren, onder meer vanwege een verschil in fase, behouden de imec sensoren een hoge gevoeligheid én een breed bereik. De eerste metingen wijzen op een standaardafwijking van minder dan 1Pa bij een bereik wat tot voorbij 100kPa kan gaan. Vergelijkbaar met commerciële sensoren, maar dus zonder de elektromagnetische gevoeligheid van MEMS-sensoren en in een kleinere vormfactor dan de gangbare fotonische sensoren.

De toekomst

Voor imec is de druksensor een eerste voorbeeld van hoe MOMS-technologie een aanvulling kan vormen op MEMS en fotonische sensoren. Doel is om op termijn een robuust MOMS-platform uit te bouwen met een breed arsenaal sensoren. 

Tegelijk rijkt imec de hand naar de industrie om mee te ontdekken in welke toepassingen de hoge prestaties en brede toepasbaarheid hun diensten kunnen bewijzen.

 

Meer weten?

Over Xavier Rottenberg

Xavier Rottenberg is wetenschappelijk directeur en groepsleider golfgebaseerde sensoren en actuatoren bij imec. Hij behaalde zijn Master in Technische Natuurkunde en aanvullende graad in Theoretische Fysica in 1998 en 1999 aan de ULB. Verder behaalde hij zijn PhD in Micro-elektronica en RF-MEMS in 2008 aan de KU Leuven. Hij werkte een jaar bij het KMI in het domein van remote sensing vanuit de ruimte en werkt sinds 2000 bij imec.

Deze website maakt gebruik van cookies met als enige doel het analyseren van surfgedrag, zonder enige commerciële insteek. Lees er hier meer over. Lees ook ons privacy statement. Sommige inhoud (video's, iframes, formulieren,...) op deze website zal pas zichtbaar zijn na het accepteren van de cookies.

Accepteer cookies