Концепция построения интегрального оптического датчика давления

Расширение области применения автоматизированных систем требует разработки и исследований новых типов датчиков, способных работать в специальных условиях. Одними из распространённых сенсоров являются микроэлектромеханические датчики давления. Датчик давления содержит мембрану из кремния, которая деформируется при приложении к ней давления среды, и измерительный преобразователь деформации в электрический сигнал. Наиболее перспективным и технологичным интегральным типом преобразователя для микроэлектромеханических датчиков давления является измерительный преобразователь на основе эффекта оптического туннелирования, который основан на изменении интенсивности света, проходящего через зазор между двумя оптическими волноводами при деформации мембраны, что обеспечивает высокую чувствительность и широкий динамический диапазон датчика. Целью работы являлась разработка концепции построения чувствительного элемента микроэлектромеханического датчика давления с оптическим туннельным преобразователем. Технология создания микрооптоэлектромеханического датчика давления представляет собой поэтапное формирования заданных структур на двух пластинах с последующим их соединением. На нижней пластине формируется мембрана и волноводные структуры, на верхней – стопперы и волноводные структуры. Рассмотрено два варианта выполнения волноводов: из нитрида кремния методом плазмохимического осаждения или из кремния на готовой SOI платине. Определены основные характеристики (потери, зависимости коэффициентов передачи от длины и ширины волноводов, зазора, длины связи) датчика давления. Рабочий участок, на котором оптический датчик может измерять перемещения мембраны, пропорциональные действующему давлению, лежит в пределах от 500 ± 80 нм для SOI, и 600 ± 80 нм для Si3N4. Оптический коэффициент передачи меняется в диапазоне от 0 до 0,86 для SOI и от 0,09 до 0,53 для Si3N4 , соответственно. Требованием к мембране можно считать, что её деформация во всем диапазоне давлений должна лежать в диапазоне до 80 нм.

1. Bhat KN, Nayak MM. MEMS Pressure SensorsAn Overview of Challenges in Technology and Packaging. Inst. Smart Struct. Syst. J. Isss J. Isss. 2012;1(1).

2. Barlian AA, Park W-T, Mallon JR, Rastegar AJ, Pruitt BL. Review: Semiconductor Piezoresistance for Microsystems. Proceedings of the IEEE, 2009;97(3):513552. DOI:10.1109/JPROC.2009.2013612

3. Kanekal D, Jindal SK. Investigation of MEMS Piezoresistive Pressure Sensor with a Freely Supported Rectangular Silicon Carbide Diaphragm as a Primary Sensing Element for Altitudinal Applications. Silicon 15, 2023;15(4):1947-1959. DOI: 10.1007/s12633-022-02146-z

4. Kyoung-Ho Ha, Heeyong Huh, Zhengjie Li, Nanshu Lu. Soft Capacitive Pressure Sensors: Trends, Challenges, and Perspectives. ACS Nano. 2022;16(3):34423448.

5. Kim H, Jeong YG, Chun K. Improvement of the linearity of a capacitive pressure sensor using an interdigitated electrode structure. Sensors Actuators, A Phys. 1997;62(1–3):586-590.

6. Shahiri Tabarestani M. Analytical Analysis of Capacitive Pressure Sensor with Clamped Diaphragm. Int. J. Eng. 2013;26(3):297-302.

7. Jang M, Yun K-S. MEMS capacitive pressure sensor monolithically integrated with CMOS readout circuit by using post CMOS processes. Micro and Nano Systems Letters. 2017;5(1):4 р. DOI: 10.1186/s40486-016-0037-3

8. Boukabache A. [et al.]. Characterization and modelling of the mismatch of TCRs and their effects on the drift of the offset voltage of piezoresistive pressure sensors. Sensors Actuators, A Phys. 2000;84(3):292-296. DOI: 10.1016/S0924-4247(00)00406-4

9. Belwanshi V. Analytical modeling to estimate the sensitivity of MEMS technology-based piezoresistive pressure sensor. J Comput Electron. 2021;(20):668-680. DOI: 10.1007/s10825-020-01592-5

10. Tian B, Shang H, Zhao L [et al.]. Performance optimization of SiC piezoresistive pressure sensor through suitable piezoresistor design. Microsyst Technol. 2021;(27):3083-3093. DOI: 10.1007/s00542-020-05175-z

11. Kumar SS, Pant BD. Design principles and considerations for the “ideal” silicon piezoresistive pressure sensor: a focused review. Microsystem Technologies. 2014;20(7):1213-1247. DOI: 10.1007/s00542-014-2215-7

12. Park S-H, Lee HB, Yeon SM, Park J, Lee NK. Flexible and Stretchable Piezoelectric Sensor with Thickness-Tunable Configuration of Electrospun Nanofiber Mat and Elastomeric Substrates. ACS Applied Materials & Interfaces. 2016;8(37): 24773-24781. DOI: 10.1021/acsami.6b07833

13. Qian P, Yu Z, Yu J. [et al.]. A resonant high-pressure microsensor based on a composite pressure-sensitive mechanism of diaphragm bending and volume compression. Microsyst Nanoeng. 2024;10:38 p. DOI: 10.1038/s41378-024-00667-8

14. Yulan Lu, Pengcheng Yan, Chao Xiang, Deyong Chen, Junbo Wang, Bo Xie and Jian Chen. A Resonant Pressure Microsensor with the Measurement Range of 1 MPa Based on Sensitivities Balanced Dual Resonators. Sensors. 2019;19(10):2272. DOI: 10.3390/s19102272

15. Yu J. [et al.]. A resonant high pressure sensor based on dual cavities design. IEEE 16th International Conference on Nano/Micro Engineered and Molecular Systems (NEMS). 2021;1725-1728 p.

16. Mitsuhashi T. [et al.]. A resonant pressure sensor with super high resolution and stability based on novel volume shrinkage method. in Transducers. 22nd International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems (Transducers) 2023. JAPAN.

17. Deyong Chen, Dafu Cui, Shanhong Xia Zheng Cui. Design and Modeling of a Silicon Nitride Beam Resonant Pressure Sensor for Temperature Compensation. Proceedings of the 2005 IEEE International Conference on Information Acquisition. 2005.

18. Xu MG, Geiger H, Dakin JP. Fibre grating pressure sensor with enhanced sensitivity using a glass-bubble housing. Electronics Letters. 1996;32(2). DOI: 10.1049/el:19960022

19. Arkwright JW [et al.]. Fiber Optic Pressure Sensing Arrays for Monitoring Horizontal and Vertical Pressures Generated by Traveling Water Waves. IEEE Sensors Journal. 2014;14(8):2739-2742. DOI: 10.1109/jsen.2014.2311806

20. Wang Y, Wang DN, Wang C, Hu T. Compressible fiber optic micro-Fabry-Pérot cavity with ultra-high pressure sensitivity. Optics Express. 2013;21(12):14084. DOI: 10.1364/oe.21.014084

21. Yizheng Zhu, Anbo Wang. Miniature fiber-optic pressure sensor. IEEE Photonics Technology Letters. 2005;17(2):447-449. DOI: 10.1109/lpt.2004.839002

22. Cibula E, Donlagic D, Stropnik C. (n.d.). Miniature fiber optic pressure sensor for medical applications. Proceedings of IEEE Sensors. 2002;(1):711-714. DOI:10.1109/ICSENS.2002.1037190

23. Evgenii Barbin [et al.]. The Design, Modeling and Experimental Investigation of a Micro-G Microoptoelectromechanical Accelerometer with an Optical Tunneling Measuring Transducer. Sensors. 2024;24(3):765 p. DOI: 10.3390/s24030765