2017年底，歐洲微電子研究中心（imec）推出了基于MOMS（微型光機械系統(tǒng)）技術的壓力傳感器。本質上來說它是一種將膜片（微米級）的機械運動轉換為光學信號的傳感器。其工作原理為：先在膜片上構建光學電路，例如長波導；膜片受到壓差刺激產(chǎn)生形變，改變光學電路的特性，例如從長波導出射的光的相位；然后通過光學讀出該相移，從而確定最初施加到傳感器上的壓力。

承載光波導的膜的形變引起光波的相移，從而計算施加的壓力

MOMS傳感器有哪些應用？

目前業(yè)內(nèi)主要有兩大類先進的壓力傳感器：MEMS傳感器和光子傳感器?；贛EMS技術的壓力傳感器具有類似的機械檢測原理（膜的形變），但改變的是電學特性。憑借它們的小型化和性能，MEMS壓力傳感器在汽車、醫(yī)療、高度和深度測量以及流量傳感等領域的應用已經(jīng)很成熟。

光子傳感器應用了穿過被拉伸材料時光波的變化特性。由于其更高的靈敏度和更低的噪音，它們很受歡迎，但無法用于微型化和集成系統(tǒng)。憑借MOMS技術，imec開發(fā)的傳感器具有與光子傳感器相同的性能以及MEMS傳感器的小尺寸，具有極高的精度、線性度和寬動態(tài)范圍，結合了上述兩種技術的優(yōu)勢。

可用于最苛刻的應用

得益于MOMS技術的多方面優(yōu)勢，imec看到了應用潛力。首先，傳感器中微小的機械形變可以引起大的光學效應，從而帶來高靈敏度；其次，MOMS傳感器不含金屬，這使它們特別適合醫(yī)療應用，例如，能夠與MRI等磁共振系統(tǒng)兼容；此外，它們的生物相容性已經(jīng)得到證實，因此它們可以用于人體植入，例如顱內(nèi)壓檢測等。

imec開發(fā)的MOMS傳感器具有抗輻射和生物相容性，因此非常適合醫(yī)療應用

MOMS傳感器的另一個優(yōu)勢是機械運動和光學讀出是分離的，并且與電流無關。這使得MOMS器件抗輻射并且對電磁干擾不敏感。至少同樣重要的是，這可以實現(xiàn)大規(guī)模多路復用：通過光學總線并行讀取數(shù)量空前的傳感器，而不需要集成的支持電子元件。imec正在對接產(chǎn)業(yè)界，共同尋找需要這種性能的殺手級應用。例如，現(xiàn)在暢想的具有數(shù)千個集成MOMS傳感器的手術手套，可用于腫瘤的觸覺檢測。

日益普及

不過，MOMS技術并不是一項全新的技術。第一篇參考文獻甚至可以追溯到上個世紀九十年代。盡管如此，MOMS技術仍處于起步階段。主要是因為相較傳統(tǒng)的光子傳感器，MOMS器件需要先進的微型化和工藝技術才能發(fā)揮其全部潛力。因此，近年來MOMS的普及同步于光子學領域的加速發(fā)展并非巧合。

至少，在imec的情況確實如此，imec數(shù)年前開始研究MOMS，結合了imec強大的氮化硅（SiN）光子學平臺和在MEMS技術領域的專業(yè)積累。同時，在imec試驗產(chǎn)線中MOMS有自己的工藝，基于低溫SiN沉積（PECVD）和200 mm深紫外（UV）光刻。這種級別的工藝整合提高了傳感器的品質，而且還可以對光學成像器進行后處理。不過，imec的MOMS傳感器性能的最大提升源自其設計。

智能系統(tǒng)設計

MOMS壓力傳感器設計通常是基于Mach-Zehnder干涉儀（MZI）或環(huán)形諧振器。imec的MZI設計采用了一種巧妙的方法，得益于環(huán)路的數(shù)量和形狀，它們的范圍更廣。

經(jīng)典MZI設計

imec的新設計（設計方案和實物照片），其中不同形狀的多個環(huán)路可以在很寬的范圍內(nèi)實現(xiàn)高靈敏度

添加環(huán)路可以提高傳感器的靈敏度，但會降低其明確的測量范圍。因此，imec的設計將短螺旋波導（單環(huán)）和長螺旋波導整合在一個薄膜上。通過巧妙地整合來自兩個波導的信號，imec的MOMS傳感器能夠保持高靈敏度和寬范圍。首批測量表明，在超過100 kPa的范圍內(nèi)其標準偏差小于1 Pa，這與商用傳感器相近，但沒有MEMS傳感器的電磁敏感度，并且比典型的光子傳感器尺寸更小。

未來

對于imec，壓力傳感器只是MOMS技術如何補充MEMS和光子傳感器的第一個應用案例。imec的目標是最終開發(fā)出具有各種傳感器的強大MOMS平臺。