氣流速度測量與分布分析在大氣環(huán)境監(jiān)測、空氣動力學(xué)研究、渦輪檢測、導(dǎo)航控制、生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域具有重要意義。目前已經(jīng)開發(fā)出采用熱阻、壓阻、電阻、電容、磁致彈性以及力致發(fā)光原理的各種傳感器用于氣流檢測。然而，開發(fā)同時具有快速響應(yīng)和寬測量范圍的氣流傳感器仍然存在挑戰(zhàn)。近些年，基于光纖的光學(xué)式氣流傳感器以其重量輕、靈敏度高、光學(xué)響應(yīng)快等獨特優(yōu)勢吸引了人們的廣泛關(guān)注。
基于氮化鎵（GaN）的光學(xué)和電子元件在芯片級平臺上的單片集成，已被證明可用于片上可見光通信、心率檢測以及照明和成像應(yīng)用。不過，到目前為止，關(guān)于使用集成GaN基器件進(jìn)行氣流檢測的報道仍然非常有限。其主要限制在于剛性生長襯底（如藍(lán)寶石和硅）的存在，限制了器件在氣流作用下的形變。
據(jù)麥姆斯咨詢報道，南方科技大學(xué)深港微電子學(xué)院助理教授李攜曦課題組近日在Microsystems & Nanoengineering上發(fā)表了一篇關(guān)于芯片級光學(xué)式氣流傳感器的研究成果，提出了一種集成柔性PDMS膜的新型緊湊GaN基氣流傳感器，能夠在不需要外部光耦合組件的情況下感應(yīng)氣流。這種GaN芯片具有發(fā)射和探測雙重功能，通過晶圓級制造工藝在GaN/藍(lán)寶石模板上制造而成，其PDMS膜則通過低成本的液滴成型工藝制得。
GaN芯片通過光刻、蝕刻、金屬和氧化物層沉積等晶圓級微加工工藝制造而成，PDMS膜結(jié)構(gòu)通過低成本的液滴成型工藝制得，由于PDMS表面的高粘性，鋁膜可以牢固地粘附在PDMS膜上。然后用PDMS凝膠粘合薄膜邊緣，加上固化處理，將PDMS膜固定在GaN芯片上。通過鋁印刷電路板（PCB）封裝建立與片上器件的電氣連接，亦即可以通過電流源對LED進(jìn)行偏置，通過電流表讀出光電流信號。
（a）該研究成果提出的氣流傳感器示意圖；（b）GaN芯片結(jié)構(gòu)示意圖；（c）PDMS膜制造過程示意圖，以及不同階段的光學(xué)圖像；（d）結(jié)合鋁膜的PDMS膜的正面和（e）背面的顯微照片；（f）PDMS膜覆蓋之前和（g）之后封裝芯片的放大圖像；（h）氣流傳感器的光學(xué)圖像。
這款氣流傳感器的工作原理如上圖（a）所示。在電流注入下，限制在InGaN有源區(qū)的載流子輻射重組，LED發(fā)光。底部分布的布拉格反射鏡（DBR）使發(fā)射的光向上輻射。從透明藍(lán)寶石中提取的光向鋁膜傳播。當(dāng)氣流通過時，PDMS膜與鋁膜一起形變，并調(diào)節(jié)到達(dá)光電探測器的反射光量。反射光被光電探測器中InGaN層吸收，轉(zhuǎn)換后的光電流信號可用于指示氣流變化。
低速（左）和高速（右）氣流下傳感器中反射光的分布示意圖
（a）實驗人員通過鼻子對傳感器呼氣；（b）鼻子對傳感器呼氣時的光電流響應(yīng)；（c）實驗人員通過管子對傳感器呼氣，管子直徑（?）分別為11.50 mm、7.30 mm和5.55 mm；（d）通過管子對傳感器呼氣時的光電流響應(yīng)。
研究人員開發(fā)的這款氣流傳感器具有體積小、響應(yīng)快、檢測范圍寬等優(yōu)點，在現(xiàn)場測量中具有很高的應(yīng)用潛力。例如，從鼻子和嘴巴呼出的氣流被認(rèn)為是評估人體健康的有效參數(shù)。為了實驗證明其性能，研究人員將這款氣流傳感器放置在距離人體鼻子5 cm的位置，如上圖（a）所示。從上圖（b）光電流曲線圖中，可以觀察到與呼吸頻率相關(guān)的光電流周期性變化，0.4 μA范圍內(nèi)的光電流變化意味著鼻腔呼氣產(chǎn)生的氣流水平較低。
而在快速深呼吸的情況下，可以獲得0.8 μA的密集周期性光電流信號。除了正常的呼吸模式，確定一個人呼氣的峰值流速可以表明空氣是如何從肺部排出的，從而判斷哮喘的狀況。上圖（c）展示了通過直徑不同的管子向傳感器呼氣的氣流測量，（d）顯示了相應(yīng)的不同光電流信號。實驗研究發(fā)現(xiàn)，較小的管徑?會帶來更寬的衰減曲線。直徑為5.55 mm的最小管子?可以將氣流集中到傳感器上，從而獲得約9?μA的最大光電流。
結(jié)語
南方科技大學(xué)研究團隊提出了一種GaN芯片與PDMS膜以可控和可擴展方式集成的光學(xué)式氣流傳感器。對氣流高度敏感的柔性PDMS膜可以在無需外部光學(xué)元件的情況下調(diào)節(jié)芯片發(fā)出的光，通過檢測到的光電流信號反映氣流的變化。并且，這種氣流傳感器在響應(yīng)時間和可檢測范圍方面展現(xiàn)了優(yōu)異的性能，使其適合在廣泛的實際應(yīng)用中進(jìn)行現(xiàn)場測量。
