2019

0626

用于低功耗光(气体)传感器中的微光板的设计与优化(上)

这篇文章中,我们将讨论一个微型装置,这个装置结合了一种光敏材料和高效发光二极管(LED)光源。这个装置被称为“微光板”,该装置可以使用最少的功耗、高均匀度以及对光亮的精准控制,将照射在光敏材料上的辐照度最大化。我们将举一个例子来证明这些优点:功耗低至30微瓦(μW)光感气体传感器(比当下最节能的型号还要低1000倍)。本文还展示了未来可实际应用的定量模型和设计准则。

  许多基于材料物理化学特质的转导原理需要一个外部能量源的刺激,比如说荧光传感器、光催化装置、电导式气体/化学传感器。在这类装置中,气体分子的存在是通过测量气敏半导体(比如说金属氧化物或碳同素异形体)中电阻的变化来监测的,而这种半导体基本上是热感或者光感的。这种装置是领域里的主流;绝大多数商用装置都是在温控在200?C以上的环境下运作的,并在一端连接了电热器。然而,这种装置对功耗的要求很高,因此限制了这类装置在任何情况下的实用性。为了缓解这个问题,专业人士们投入了很大的努力在缩小加热器上从而减小功耗。因此,多种多样的微型加热器与微型加热板开始涌现,这些新产品在热绝缘和热效率上有了很大的提升。这意味着,这些新产品的功耗需求可以从几瓦(W)降至几十毫瓦(mW)。随着物联网(IoT)的出现和超低功耗无线自主设备的需求日益增长,即便是如此低的功耗,仍然被认为过高,不足以达到即将推出的新设备的标准。

  在这个背景下,光感是一种能达到微瓦级功耗要求的代替方法。一方面,光可以被用来刺激半导体材料中的气体从而引起气体反应。然而,另一方面,大家在不断研究这个可能性的同时,意识到宏观光源(MLS),例如放电灯泡或封装LED,需要精确的光学校正。于是,人们常把这个方法与操作复杂、复现性低、刺激条件的不可控性联系在一起。只有少数几个研究小组致力于建立实用性高并耐用的装置。其中一个小组提出了将在光纤上镀上一层传感材料,从而形成一个紧凑的传感器集管,但这个装置仍需要外部光源。另一小组首次提出了在蓝宝石衬底两侧放置铟氮化镓LED和传感材料薄膜的层叠法,然而传感器到光源的距离只能在几百微米之内。近期,商用LED外耦合透镜上的传感材料(例如氧化锌纳米线)的发展势头也很猛。但是,这些提案中,目前没有任何一个提案可以在现有并常用的微电子生产工具与技术下,真正实现高产量、高复现性和低成本。

  我们研究了一种单片集成电路,将LED与光感传感材料结合起来,并致力于达到当下工业标准可以反复生产的功效要求。微型加热板的原理是通过微型集成和加热器与材料的直接接触从而提升加热效率,由于这种方法与微型加热板很类似,所以我们将这个方法称为“微光板”。从下文我们可以看到,微光板可以将功耗需求降低至微瓦级,并保证对被照射的材料有良好的光辐照度控制及均匀性,同时也要确保复现性。

QQ截图20190626153956.jpg

1:不同的光扩散情况的草图。(a)在较远的距离下,对宏观光源来说,光扩散更明显。(b)相比之下,微光板表面的光扩散是可忽略不计的。而且,在微光板的制作过程中,所有决定光照条件的几何参数都是固定的且设置好的。(c)我们将光源辐出度(Me, s)设为一个圆形光源,点探测器(Ee, PD)分别测量六个不同的光源发散方式(等式1内的g16)从圆形光源处接收到的辐照 - rs / d(光源半径除以光源到探测器的距离)的比率。其中的小图代表了不同的几何参数。两个极限(点源与扩展源)的趋势也在图中用虚线绘制了出来,同时还包括当这些近似值在不确定性ζ之内rs / d的范围。

  图1(a)和(b)展示了目前使用的宏观光源与我们提出的微光板的对比草图。在这两种情况下,唯一一个决定在传感材料上光照效果的参数就是作用在传感器表面的通量密度或辐照度(Ee);也就是一个单位面积内的辐射通量或辐射功率(Φe):Ee = δΦe / δA。从相隔距离为d的扩展源到点探测器辐照度Ee, PD可以被写作:

QQ截图20190626154528.jpg(等式1)

  在这项等式中,Le,0 = (g * Φe) / (2π * AS),该项为垂直于光源表面的辐射强度;而g为光源发散方式的常数(例如当发散方式为朗伯体发光源如面发光二极管时,g = 2)。在图1(c)中,我们绘制出了在g值不同的情况下,Ee, PD与rs / d(光源半径除以光源到探测器的距离)的关系式。从图中我们可以观察到,rs / d的上限与下限是独立于g的,即不随着g值的变化而变化。

  在下限时(rs / d → 0),正好对应长距离和/或小光源面积的宏观光源。因此,等式1可以被约等于为:

等式2.jpg(等式2)

  在这项等式中,Ie, 0 = gΦe / 2π。辐射功率在这里表示的是LED(PMLS)的电功率和它将电转化成光的效率(功率转换效率ηc, MLS)。这个表达式清晰地说明了,给定一个应用在宏观光源上的电功率(PMLS),其影响传感材料光电特质的能力(Ee, MLS)随着距离的平方衰减。除此之外,在这些条件下,辐照度不会随着光源或传感层的形状或大小而变化。所以,为了减小在宏观设置下需达到特定辐照度时所需的电功率PMLS,我们需要:(1)一个相对较短的工作距离(通常工作距离都会被组合部件这类的实际问题所限制,从而导致了不均匀的辐照模型);(2)提升功率转换效率ηc, MLS(通常为LED的固有参数);或者(3)提升发散方式的常数g(该项同样依赖于LED技术和/或封装所使用的棱镜)。这些根本原因或许就可以解释为什么在宏观光源设定下,高效的装置现在都还没有被发明出来。此外,对光学校正的硬性要求和光源与传感材料之间的间距也是实施复杂和再现性低的主要原因。

  而在上限时(rs / d → ∞),Ee, PD等于光源的辐出度(Me, s),且不会随着距离而改变:

等式3.jpg(等式3)

  这是微光板的辐照度计算方法;在这项公式中,d为分离LED上层电极和传感层所需的绝缘层的厚度(在实际中,大约为几百纳米),而rs为叉指电极(IDE)的大小(一般为几百微米,以便于材料沉积)。在等式3中,我们通过微光板的面积(AμLP = ALED ≈ AIDE = w * l)、电功率(PμLP)、功率转换效率(ηc, μLP)来计算辐照度。而这些参数都基于图2中小图的偏置条件;这些条件清楚地显示了(1)在传感层的各个点上,辐照度都保持恒定且均匀和(2)辐照度只随着转换效率与单位面积上的电功率密度变化,而不会随着装置总面积而变化。因此,达到特定工作条件(Ee, μLP = 一个常量)所需的电功率PμLP可以通过缩小微光板的面积(减小A = w * l)被系统化地降低。除此之外,这些几何因子将在制造阶段被一次性的设置为永久条件,从而得到稳定且易复现的装置。

图片2上传.jpg

2:(a)在微光板设定下(d ≈ 0)以及在三个不同相隔距离的宏观光源下(d = 5, 10, 15mm)作用在LED上的辐照度(Ee)与电功率(PμLP)的函数关系。(b)在微光板设定下(d ≈ 0)以及在三个不同相隔距离的宏观光源下,氧化锌纳米粒子光电导响应与照射在氧化锌镀层上的辐照度的对比。(c)对应于相同的辐照度时,关于b中的(PMLS * ηc, MLS * d-2)点绘制出的ηc, μLP * PμLP(插值后的数据)。

参与评论已发布评论0

0/500

发表评论

推荐阅读