感知专题 | 近距感知: 氮化镓单片集成技术助力实现微型光电微距传感 (Photonics Research)

近距感知: 氮化镓单片集成技术助力实现微型光电微距传感

An Ultrafast Miniaturized GaN-based Optoelectronic Proximity Sensor

本期导读

接近传感器(Proximity sensing)能将近距离物体的微小位移信号转换为电信号，以实时反映被测物体的位移、速度等多种信息，使其在生活和工业生产中具有重要的应用意义，如生产线和输送机中的移动机器人、人机交互和检测等。目前报导的接近传感器一般基于磁场、电容或电感等的变化，。虽然这些传感器已被应用于工业和生活中，但由于响应速度慢、体积大或制造成本高等原因，限制了其进一步发展与应用。

来自南方科技大学和香港大学的研究人员合作开发了一种基于氮化镓(GaN)单片集成芯片的光电式接近传感器。该传感器由四个相同的氮化镓光学传感单元组成，通过检测物体反射光强的变化，实时反馈物体位移、速度等多种信息，实现对被测物体的微小位移、低频/高频振动、旋转速度等快速响应，成果近期发表于光学领域顶级期刊《Photonics Research》。

图1 （a）器件的制备流程 （b）器件实物图（c）器件传感原理示意图

技术路线

该传感器具有小型化、灵敏度高和响应速度快等特点。传感器整体尺寸为 880 × 880 μm²，单个传感单元尺寸为310 × 310 μm‍²‍。传感器对物体极小的位移变化有明显的信号响应。同时，它提供了几微秒的快速响应时间，且8000次循环后器件的性能表现仍然高度稳定，如图2所示。

图2 器件在距离探测方面的性能

接近传感器已在各种应用中得到进一步探索和验证，例如检测脉搏、泵振动、声振动和物体转速。通过将高反射率的铝箔贴在人体动脉的皮肤表面，器件可以实时读取到脉搏信号，如图3所示。器件也可以实时监测机械泵的振动幅度、振动频率和开关状态。同时，将器件固定在振膜表面时，可以观察到器件对400-700 Hz的声波振动有明显的响应。图4展示了器件监测物体以不同速度旋转的结果。

图3 器件在（a）脉搏检测、（b）泵振动状态检测、（c）声波振动检测的示意图，（d-f）为其对应的传感表现

图4 器件在转盘转速检测领域的表现

同时，当器件的驱动电流低至1 mA时，通过对比不同传感单元之间的信号差异，可以实现读取表面覆盖物体的外形数据。当覆盖不同位置和数目的传感单元时，传感单元间之间的光电流存在明显差异，如图5所示。

图5 器件传感单元被铝箔覆盖不同位置和数目时的光电流变化

简单总结，此研究通过氮化镓单片集成的方式，制备了一种体积小、响应快、灵敏度高和稳定性高的光电式接近传感器，传感器通过检测反射光强的变化，实现对物体各种运动的实时监测。此外，传感器在多种应用场景中，如物体的振动和转动监测等，被进一步探索和验证。相信该研究工作能为下一代穿戴式传感和交互设计开发提供更多思路。

论文信息：

• Xiaoshuai An, Hongying Yang, Yumeng Lou, Zhiqin Chu*, and Kwai Hei Li*, “An Ultrafast Miniaturized GaN-based Optoelectronic Proximity Sensor”, Photonics Research, 2022 (DOI: 10.1364/PRJ.462933).
  

技术详见：

https://www.zqchu-pbblab.hku.hk/

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