好的,所以你有这个洞。一个深孔。我的意思是,reaaaaally深:一些英里,也许。你真的想知道接下来会发生什么,至少gas-wise。

问题是,可能会有很多不同的东西。你想覆盖广泛的物质——说,一百人——一个传感器更快地得到一些答案。

哦,还有一件事:当你传感器滴进洞里,它会通过各种各样的材料和金属什么的。它会毁坏任何电信号回来告诉你答案。此外,那里很热,大多数电子产品不会做得很好。所以…是的,没有电子产品。这是怎么去工作?

人为的问题吗?也许,但仅仅是因为它抽象一个真正的问题,真正的企业领域的传感环境对电子产品。这绝对井下情况可以适用于矿业和石油勘探应用程序添加上下文。

问题在于检测物质的本质,允许使用一个方法,但不需要电力。这是一家澳大利亚公司,全景协同作用,说它有一个解决方案,它们叫LumiMEMS。今天我们要看一看他们是如何做到这一点。

我们将从他们使用的基本工具:MEMS结构——通常是一个悬臂或micro-bridge。悬臂一直喜欢这种类型的应用程序在过去因为他们比micro-bridges移动,所以他们更容易。但是我们要讨论的技术被认为是足够的敏感和micro-bridges。

两者有什么区别,从实用的角度来看呢?我们要跳灯的底部结构和捕捉反射。micro-bridges的好处是,他们保持不变,因此他们所有的光反射的角度与其到达角一致。悬臂梁弯曲,改变的角度反射。

图1所示。悬臂梁和micro-bridges可以作为探测器,但micro-bridges回报更轻。

但这是一个细节可能会或可能不会很重要对于一个给定的应用程序;可以使用。事实上,我们要讨论可以使用任意数量的结构来实现除了悬臂或micro-bridges,因此我们将专注于悬臂梁仅仅是因为他们很容易想象(画)。

光线是悬臂的位置可以被探测到。这是通过运行一个光子波导悬臂,下面的光栅*皮掉一些光反射的悬臂的底部;然后到集成波导反射。至关重要的是,一些光波导内。为一个抽象视图(参见图2)。

这意味着有两个光路径——退出并返回,不。前者是更长的路径。所以当它重新输入波导,它会干扰光在波导。干扰是由波导之间的距离的差距和悬臂的底部,它可以检测到精致的间隙距离的变化。

为了使这个工作,悬臂的底部必须反映光线好。所以使用一个高度反光的金属。但是,为了得到一个曲率控制,我们需要一个“双金属”地带——就像曾经(还是)运行有色眼镜在你的车。在这种情况下,一层膨胀比其他与温度,迫使曲线。在这种情况下,这不是两种金属,但罪在金属,内部压力,可以精心设计厚度,确定曲率。

压力可以影响材料悬臂的顶部。如果有特定的材料,要检测的,你可以“使职能化”悬臂顶端的一些材料,所要检测的亲和力。如果材料的土地和吸附,然后它改变了压力和曲率。

实际上有两种方法检测的物质。一个是“静态”,使用我们刚刚讨论的方法,测量距离的差距。另一种是动态,着重于悬臂梁的共振频率。的想法是,你把一端悬臂下来然后释放它让它震动——就像拔嘴竖琴的结束。你可以把它——即。下面,开动它,通过添加一些电极悬臂的地方没有任何光栅。

图2。波导下运行的侧视图悬臂,通过两个光路径的干涉测量的差距。悬臂式是一种罪恶/金属双分子层,一个可选的功能层上吸附的一些目标物质。电极的驱动也是一种选择。

“啊哈!”你说。“但这需要电激活电极!“你是正确的;这种方法不能使用这样的完全没有电子产品设置。但他们有第二个诡计:这种技术足够敏感检测随机布朗变位(并删除它们从结果)。因为总是会有一些随机的抽搐悬臂,它可用于测量频率没有显式的冲动。是的,它更精致确定性略少,但它提供了一个驱动机制,不需要电子产品。

当然,信号从动态模式会比从静态模式更复杂,因为差距变化的速度与光的频率无关:它与悬臂梁的共振频率有关。由此产生的信号作为载波调制的光束信号由悬臂振动。

悬臂梁的共振频率由一个给定的材料是由其几何。实际上,鉴于悬臂(即相同的建设。长度、厚度)和宽度,变成了一个“旋钮”的共振频率可以控制(我们很快就会回到一个点)。

高阶振动模式有时可以提供更好的灵敏度,但他们显然也很难用过去的方法检测到。根据团队,这种新方法可以用来梳理那些高阶模式。

还有另一个问题:由于周期性,多少是有限度的差距可以明确地测量。打开缺口,干涉图样将经历一个循环周期的更改,然后重启。超过这一水平,干扰模式从这个样子的差距拉大的窄间隙之前的周期。

解决这个问题的一种方法,如果它成为一个设计问题,是有多个光栅在悬臂,朝着锚,所以你可以衡量的实际形状弯曲和消除歧义的测量。

图3。额外的光栅测量可以帮助消除歧义差距如果可能的间隙距离的范围太宽。

到目前为止,我们已经具备一个悬臂与传感物质静态或动态的能力。但是大量的物质呢?嗯,你通过创建一个数组的悬臂梁,每一种都有不同的功能化。但是…我们如何告诉一个悬臂从另一个吗?这是事情变得有趣。我们要做一些严重的频率分裂。

假设我们有15悬臂排成3行,每行5悬臂梁。首先发生的是,光被细分为三个频率使用波分复用(WDM);这个可以做光,不需要电子产品。

现在我们有三个不同的光学载体,每行一个。每个航空公司将由其悬臂调制信号。但在一排有五个悬臂梁;如何区分?再次,通过分配频率。除了这里我们不会把载体;我们要将频率分配给不同的悬臂梁,通过调整他们的长度,给每个悬臂一个独特的共振频率。

但它是更复杂的比简单地寻找那个频率,自谐振频率将由任何改变吸附材料。浓度越高,你在找什么,越会吸附到悬臂,降低共振频率(基本上,它越来越重)。

这意味着孤立一个乐队卸载频率和“满载”之间的频率为每个悬臂。所有这些信号调制到他们的航母,航母是然后mux连同所有其他运营商和送出作为一个光学堆乱七八糟的信号。在一种设置中,这将出去到纤维前往其他地点,像深孔在上面的表面,即电子用来梳理这个信号的组件。

的悬臂梁,这听起来相当的挑战。但当解剖整个光学的混合信号,你还有两个光学和电子手段来帮忙。一旦检索到完全混合光信号,他们第一次多路分配器到光载波波长不同,每一个都把信号从一个行。每一个去一个不同的光电二极管,使每条路径的简单任务检测只行中的每个悬臂的乐队。

如果你尝试来测定材料是否存在“是”或“不是”的回答,那么你可以看看卸载和加载频率数字回答。但是你也可以方法作为模拟问题,确定实际的频率和使用该报告不仅存在,而且这种物质的浓度。

图4。三个波长的光分成三个不同的行。每一行有五个悬臂梁,每一个都有不同的长度和共振频率(加载和卸载)。分析的结果是喜忧参半的。(注:概念图;没有什么是规模)。

迄今为止我们看过的方法在频域内进行操作。如果使用动态模式与电子,然后,或者,您可以使用时域多路复用(TDM)分配每个悬臂连续执行的时间段,衰荡测量。

而这样的芯片,在大多数情况下,使用标准IC和MEMS技术制造的一个方面,没有明显:构建悬臂梁。这意味着把不同的材料在不同的悬臂梁。

严格地说,你可能不会有个性的每个悬臂。你可能会离开一些unfunctionalized引用正确的对温度或其他的雪堆。你也可以使用多个悬臂每个材料检测,这样您就可以提炼结果统计。然而,从概念上讲,你可以有数十——最终,数百——不同的构建需要应用的材料。

现在,芯片业务,这样做的标准方法是面具的地区隔离这些地区功能化应用。但有几个问题:

• 添加数十或数百个面具步骤制造不会让任何精打细算的人快乐。在所有。
• 它必须做过MEMS的释放,和发布过程不与功能化的材料。

这意味着它必须做一些其他的方式,发布后。全景协同作用有一个他们可以使用许多不同的工具来完成这最后一步,包括喷墨打印(飞升滴微米精度)和微流体通道的使用片上指导特定的悬臂梁的试剂。

他们也看“蘸水笔纳米”可能将来使用。认为这是“亲爱的,我缩小了写字的钢笔。“一架原子力显微镜梢浸入构建材料,然后可以降落在悬臂与分辨率在100纳米级别。听起来像你甚至可以把你的签名在悬臂水平精度。

我一直非常通用的描述,因为我的主要意图是给定性了解这是如何工作的。如果你好奇的一些细节,SOI光学建成,2000 nm埋氧化(盒)和230 nm厚的epi。光他们在早期作品有一个使用1550 nm波长和光栅长11.0µm 4-µm波导,与610 nm音高和50纳米深度。悬臂重叠的光栅1µm三条边。

你可以得到更多的细节通过两篇论文通过与西澳大利亚大学合作完成。一个处理的细节单悬臂;另一个一系列micro-bridges(付费阅读模式)。

*我们将进一步讨论光子在一个组件即将块。

封面图片由全景协同作用

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