基于硅基光学微腔的芯片集成传感器

负责人:张靖

所在学院：电信学部-自动化学院

一、项目简介

早在 19 世纪，英国著名科学家瑞利勋爵（Lord Rayleigh）首次使用“耳语廊模式”，也称为“回音壁模式”一词来描述声波在圣保罗大教堂的圆顶中的传播原理。回音壁波模式也用来描述任何在凹面周围传播的波的影响。本项目基于回音壁模式声学腔原理，提出一种回音壁模式光学微腔结构并应用于高端传感领域，由于电磁波在从光密介质向光疏介质传播时会发生全反射现象，当光线沿着几何结构边界内壁传播时会发生连续的全反射，光束被约束在环形边界上，从而产生类似的回音壁现象。若光束绕几何结构边界行走一圈的光程满足波长的整数倍时，会产生干涉加强现象即共振现象，其中用来约束光场的环形结构即被称为回音壁模式光学微腔。回音壁模式光学微腔广泛用于纳米尺度颗粒物检测以及各种微腔环境物理参数传感，如温度、磁场、气体、应力以及陀螺仪等。相比传统技术路线传感器，光学微腔传感器将开创超敏感光学微腔传感器领域，广泛应用于物联网技术、工业自动化、航空航天、军事工程、无人驾驶、机器人技术海洋探测、环境监测等各种领域。

二、产品性能优势

本项目的核心技术为光学微腔结构设计及传感器片上集成，核心器件光学微腔具有对热、激光、电、生物、磁、机械振动等多现象敏感的特性，可以实现热传感、光陀螺仪、离子传感、生物传感、磁场传感、超声传感等性能，由于光场增强特性可满足超高精度传感的要求，同时具备硅器件片上集成优势。技术指标和同类产品对比如下：

三、市场前景及应用

国内目前还没有成熟的同类技术企业，美国 Oewave 公司已有基于光学微腔的微光陀螺仪产品，该公司研发团队主要由美国宇航局的科学家组成。产品主要应用在雷达监视，信号情报与电子战，测试与测量等领域，实力雄厚。国外相关产品对中国禁售禁运。美国 DeepSight 美国新型创业公司，2020 年成立，主要应用领域为微腔超声成像进行医疗影像呈现，目前已完成天使轮 2500万美元的融资。与电子传感器容易受到外界磁场等环境干扰不同，光学传感器具有电磁免疫的优点，因而不仅可以在正常工作环境，同样可以适用于极端的工作环境，故应用空间将更为巨大。西安交通大学国家技术转移中心据 CCID 数据，2021 年全球传感器市场规模将接近 3000 亿美元，2016-2021年我国传感器市场总体呈逐年增长态势。2021 年我国传感器市场规模将达到2951 亿元，同比增长 17%。其中国外企业的市场份额占比达 60%，而国内企业的占比为 40%。受国内物联网、5G、人工智能等技术的推动，十三五规划以来，中央政府对传感器行业给予了大力支持，力求尽快实现传感器技术的技术创新突破和国产化落地。随着国内物联网、5G、人工智能等技术的推动，以及智能制造、航空航天、故障诊断预测、无人驾驶等市场需求的持续增长，对传感器技术的市场需求巨大，同时精度、稳定性、频率等要求越来越高，这也催生了传感器技术向着微纳米尺寸、智能化和系统集成的方向发展。