Koen Snoeckx is freelance tekstschrijver. Hij schreef dit artikel in opdracht van Imec.

27 november

Micro-optomechanische systemen combineren een micromechanische actuatie met fotonische uitlezing, en daarmee de kracht van micro-elektromechanische systemen en fotonische sensoren. Imec ontwierp een druksensor om dat te bewijzen.

Druksensoren op basis van mems-technologie zijn vanwege hun geringe afmetingen en performance goed ingeburgerd in domeinen als automotive, medisch, hoogte- en dieptemetingen en flow sensing. Fotonische sensoren staan dan weer bekend om hun hoge gevoeligheid en lage ruis, maar deze systemen zijn minder goed geïntegreerd. Imec wil deze werelden samenvoegen: sensoren met de performance van fotonica en het formaat van mems. Deze micro-optomechanische systemen (moms) hebben een grote nauwkeurigheid én een breed meetbereik.

Het potentieel van moms

Imec ziet om een aantal redenen potentieel in moms. Een belangrijke is dat een kleine mechanische verplaatsing in de sensor een groot optisch effect teweeg kan brengen en daarmee 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 onder de magnetische mri-scanner kan.

Een ander voordeel van moms is dat de mechanische actuatie en de optische uitlezing van elkaar zijn losgekoppeld (in het klassieke mems-paradigma gebeuren actuatie en uitlezing via een gedeelde elektrische stroom). Dat maakt moms stralingshard: ongevoelig voor elektromagnetische interferentie. En minstens even belangrijk: het laat multiplexing toe – het parallel inlezen van meerdere sensoren via een optische bus. Applicaties die deze eigenschap vereisen, zijn er nog niet, maar Imec denkt bijvoorbeeld aan een chirurgische handschoen met honderden geïntegreerde moms-sensoren die toelaten om tumoren te detecteren door eraan te voelen.

Meeliften op fotonica

Moms-technologie is niet nieuw. Het eerste gebruik van de term in wetenschappelijke literatuur dateert al van de jaren negentig. Toch staat de technologie nog in de kinderschoenen, veelal doordat miniaturisatie en procestechnologie vereist zijn om het volle potentieel te benutten in vergelijking met 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 onderzoek enkele jaren geleden ontstond vanuit het reeds robuuste SiN-gebaseerde mems-platform in combinatie met expertise in fotonica-op-chip. Inmiddels hebben moms er hun eigen procesflow in Imecs 200-millimeter-pilotlijn, onder meer op basis van SiN-depositie (pecvd) bij lage temperatuur en diep-uv-lithografie. Dergelijke procesintegratie heeft een fors positief effect op de kwaliteit van de sensoren.

Klassiek mzi-ontwerp (links) en het nieuwe ontwerp van Imec (rechts), waarbij meerdere lussen van verschillende vorm een hoge gevoeligheid toelaten bij een breed bereik

Slim systeemontwerp

In een druksensor, ontworpen als demonstratieproject, haalde Imec echter de grote winst in performance uit het ontwerp. De gangbare manier om een moms-druksensor te ontwerpen, is op basis van Mach-Zehnder-interferometers (mzi) of ringresonatoren. Imec breidde het aantal lussen in de mzi uit naar twee en gaf ze ook een andere vorm (zie figuur). Waar meerdere lussen de gevoeligheid vergroten, hebben ze een negatief effect op het bereik.

Het Imec-ontwerp combineert daarom een enkelvoudige lus om een meervoudige spiraal heen. Door de signalen van beide slim te combineren, onder meer vanwege een verschil in fase, kunnen ze een hoge gevoeligheid behouden bij een breed bereik. De eerste metingen wijzen op een standaardafwijking van minder dan 1 Pa bij een bereik dat tot voorbij 100 kPa kan gaan. Dat is vergelijkbaar met commerciële sensoren, maar dus zonder de elektromagnetische gevoeligheid van mems-sensoren en in een kleinere vormfactor dan hedendaagse fotonische sensoren.

Redactie Paul van Gerven