2019

0626

用于低功耗光(气体)传感器中的微光板的设计与优化(下)

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。

  为了证明这一分析,我们制作了一系列的单片集成电路,结合了(1)一个LED光源,(2)一对叉指电极,(3)一种传感材料。这些装置被直接制造在带有主发射波长为455 ± 3nm和半高宽为18.5 ± 1.5nm的LED结构的蓝宝石晶片(图3)上。p-GaN阳极为半透明(T455nm = 47%),从而允许光线通过。p-GaN的低横向传导性将光照限制在了p-GaN阳极的正下方 [图3(b)与(c)中的“微光板区域”,大小约为w = 190μm * l = 250μm]。而叉指电极对被放置在p-GaN电极的正上方,利用一层厚度为350nm的二氧化硅中间层来对其进行绝缘。在二氧化硅绝缘层之上,所有电极都延长至微光板区域之外,以形成更厚的、易于引线键合的焊盘。

图片3上传.jpg

3:(a)本次实验中的微光板装置的示意图。(b)微光板区域的详细视图,包括了LED区域、叉指电极和传感材料。(c)装置结构的微光板区域切面图。竖直维度并非真实比例。该图像为微光板装置的视觉微观图像。(d)成品。(e)成品LED灯亮。(f)氧化锌纳米粒子层被用于传感材料。

  为了证明这个概念,小于130nm的氧化锌纳米粒子通过微滴镀层法被用作于叉指电极上的传感材料。传感材料(氧化锌纳米粒子)与发光表面(p-GaN电极)的最终距离仅为350nm(也就是绝缘氧化物的厚度)。值得一提的是,在这么短的距离下,(1)相比于LED的辐出度,在传感材料上的辐照度的衰减仅为5 x 10-4%;(2)传感材料上的辐照度在传感器表层上非常均匀,由于边缘效应,变化量小于0.12%。

  图2展示了在微光板上,照射在传感材料(氧化锌纳米粒子)上的辐照度Ee, ZnO与电功率PμLP的关系式。为了与宏观光源方式作比较,我们使用了另外一块不含氧化锌纳米粒子的微光板从三个不同的距离(d = 5, 10, 15mm)来照亮另外一块微光板装置上的传感层。这种方法模仿了,当LED特质与微光板相同时,三种不同宏观光源的设定。这种情况下,我们通过等式2计算出了三个不同条件下的辐照度。图2(a)显示了微光板在提供等量辐照度条件的功效上(图中的黑线)远远比宏观光源强。

  装置接着被用于激活和测量氧化锌镀层的光电导率;即减少半导体在光照下的电阻。图2(b)显示了在微光板设定下以及在宏观光源设定下的光电导率。结果表明了通过等量的辐照度可以得到等量的光电导率,说明了辐照度完全主导了装置的光电响应。并且,两种配置完全等效,并与这里提出的几何参数一致。因此,对于一个特定的辐照度值,我们可以对比微光板设定下和宏观光源设定下所需的电功率,通过以下公式:

等式4.jpg(等式4)

  功率转换效率ηc, μLP与ηc, MLS会得到不同的值,因为他们与LED上的不同的作用点对应,如图2(c)中的小图所示(ηc与PLED的关系图)。为了证明等式4的正确性,我们在图2(c)中展示了,在图2(b)中相同辐照度下的实验点的(ηc, μLP * PμLP)与(PMLS * ηc, MLS * d-2)的关系式。所有点都落在一条与预测直线式(w * l) / π的斜率偏差仅为6%的直线上,以此证明了在两个设定下的模型的正确性。因此,微光板装置可以以更低的功耗在传感材料上达到与宏观光源同样的效果,而这种功耗的缩减可以通过缩小微光板装置的面积得到。此外,相比于宏观光源最短距离下的辐照度范围(10-5至2 * 10-3W·cm2),归功于减少的光损耗(光扩散),微光板装置可以覆盖更广的辐照度范围(~10-4至10W·cm2)。有人可能会说,氧化锌纳米粒子的感光性是由于微光板中的热发散。为了排除这个貌似正确的理论,我们将几个样本用可逆热变色油墨镀上了检测层。结果表明微光板的温度并没有超过26。因此,在氧化锌纳米粒子的光电传导中,上述的理论并不能成为温度升高的原因。

  总的来说,微光板为降低光感装置功耗提供了一个直接的方法,因为以下几个共同作用的因素:(a)LED技术转化电能为光能的高效率,(b)光源与传感材料的短距离,(c)LED区域与照射在传感器上所产生的辐照互相独立。我们在本文中展示了微光板的设计与优化,并阐述了相比较于传统宏观光源的可行性、功能的完整性,以及更低的功耗需求。除此之外,微光板保证了前所未有的控制度与光照条件的复现性。根据在此提出的方法,这些优点可以被结合到各类需要局部光照的集成系统中。

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