شريحة CMOS-MEMS أحادية البنية بدقة 1.8 مم/ث و2 مللي كلفن للكشف عن التدفق ودرجة الحرارة عبر مصفوفة ميكروكانتِليفر

رقائق أصغر، استشعار أذكى

مراقبة درجة الحرارة وتدفق الهواء وحتى التغيرات الطفيفة في الضوء أمر بالغ الأهمية لعمليات تتراوح من متابعة التلوث إلى مراقبة تنفس المريض. اليوم، يتطلب ذلك عادة عدة حساسات منفصلة، لكل منها إلكترونيات وأسلاك خاصة. تصف هذه الورقة شريحة واحدة بحجم ظفر الإصبع يمكنها استشعار التدفق والحرارة والضوء بدقة استثنائية، باستخدام شعاعات مهتزة ميكروسكوبية وإلكترونيات مدمجة. مثل هذه الحساسات المتكاملة شديدة الحساسية قد تساعد في تصغير أجهزة مراقبة البيئة والأجهزة الطبية والقابلة للارتداء إلى لاصقات أو مكونات صغيرة منخفضة الاستهلاك للطاقة.

شعاعات دقيقة تشعر بمحيطها

في قلب الشريحة صف من الميكروكانتِليفرات—أشعة رفيعة أرفع من شعرة الإنسان، مثبتة من جهة وحرة من الجهة الأخرى. هذه الشعاعات مصنوعة من طبقتين من مواد تتوسعان بشكل مختلف عند التسخين. عندما ترتفع درجة الحرارة أو عندما يسخن السطح بفعل الضوء، يؤدي اختلاف التمدد إلى انحناء كل شعاع بلطف. وبالمثل، عندما يمر تيار غازي فوق الشريحة، تدفع ضغطات الغاز المتحرك الشعاعات إلى الأسفل. يحول الباحثون هذا الانحناء إلى إشارة كهربائية بتشكيل مكثف صغير: كلما تقلصت الفجوة بين الشعاع المنحني والإلكترود أسفله، زاد السعة الكهربائية، ويمكن قياس هذا التغير.

إلكترونيات تستمع بالتردد، لا بالجهد

بدلاً من قياس تغيرات الجهد الصغيرة مباشرة، تترجم إلكترونيات الشريحة التغير في السعة إلى تغيير في تردد التذبذب—نوع من «نبض إلكتروني» يتسارع أو يتباطأ وفقاً لذلك. سلسلة من عناصر المنطق البسيطة تشكل مذبذب حلقي يعتمد سرعته على السعة الكلية من مصفوفة الشعاعات. يساعد مكثف «مرجعي» مطابق مكوّن من شعاعات ثابتة في إلغاء الانزياحات غير المرغوب فيها القادمة من الدوائر نفسها. تقارن دائرة إضافية بين إشاري القياس والمرجعي، ثم يضاعف حلقة تأمين الطور الفرق في التردد الناتج بحيث يصبح من السهل عدّه وقراءته رقمياً. وبما أن المعلومة حاملة بالتردد بدل الجهد المطلق، فإن النظام بطبيعته أكثر صموداً أمام الضوضاء والانحراف.

دقة عالية للحرارة وتدفق الهواء والضوء

من خلال اختيار طول وعرض الشعاعات بعناية، ومن خلال محاكاة كيفية انحنائها تحت تأثير الحرارة والضغط، قام الفريق بضبط البنية لتحقيق كل من الحساسية والمتانة. ثم صَنَعوا التصميم باستخدام عملية أشباه موصلات قياسية مع بعض خطوات الميكروتصنيع الإضافية لتحرير الشعاعات المتحركة. أظهرت الاختبارات أن تردد الخرج يتغير خطياً تقريباً مع درجة الحرارة من درجة حرارة الغرفة وحتى 100 °م، وهو ما يعادل دقة حرارية تبلغ نحو 2.3 جزء من الألف من الدرجة المئوية—دقة كافية لاكتشاف تغيرات حرارية دقيقة. في اختبارات التدفق باستخدام غاز النيتروجين، تبع تردد الخرج منحنى متوقعاً يتناسب مع مربع سرعة التدفق، مما مكن من الكشف عن تغييرات صغيرة تصل إلى بضعة مليمترات في الثانية مع الحفاظ على الحساسية حتى تدفقات عالية جداً تصل إلى 130 متراً في الثانية. أظهرت تجارب إضافية بمصدر ضوئي مجهري تغيرات واضحة في التردد حتى عند إضاءة ضعيفة نسبياً، مؤكدة أن الانحناء الفوتوحراري يوفر أيضاً إشارة قابلة للاستخدام.

من منصة المختبر إلى الاستخدامات الحقيقية

بالمقارنة مع حساسات التدفق والحرارة المتكاملة السابقة، تجمع هذه الشريحة الجديدة بين وظائف أكثر في مساحة أصغر، بينما تستهلك بضعة ميلي واطات فقط من الطاقة. يمنح تصميم الميكروكانتِليفر وانخفاض الضوضاء الإلكترونية دقة أفضل من العديد من الأجهزة المماثلة الموجودة، ويمكن للبنية الأساسية نفسها الاستجابة لأنواع متعددة من المدخلات—حرارة وتدفق وضوء—دون الحاجة إلى حساسات منفصلة. يجادل المؤلفون بأنه مع معايرة مدمجة على الشريحة ومعالجة إشارات أذكى، يمكن تكييف شرائح مماثلة لمتابعة التنفس، أو نبضات تدفق الدم عبر تغليف ليّن، أو تغييرات بيئية دقيقة، كل ذلك في نظام مدمج وقابل للتصنيع.

لماذا هذا مهم

بعبارة بسيطة، بنى الباحثون «مستشعراً إلكترونياً» شديد الحساسية يمكنه التقاط تغييرات طفيفة في حركة الهواء ودرجة الحرارة والضوء، جميعها على شريحة ميكروية واحدة يمكن للمصانع القياسية إنتاجها بالجملة. من خلال تحويل انحناء الشعاعات المجهرية إلى تغيرات ترددية واضحة، يقدم الجهاز دقة عالية وقراءة رقمية بسيطة. هذا الجمع بين الحساسية والحجم والمرونة يجعل التقنية مرشحاً قوياً لمستشعرات بيئية ومراقبات طبية مستقبلية أصغر وأرخص وأسهل في الدمج في أي مكان تقريباً.

الاستشهاد: Wang, F., Ouyang, X., Hong, L. et al. A Monolithic CMOS-MEMS SoC with 1.8 mm/s and 2 mK Resolution for Flow and Temperature Sensing via a Microcantilever Array. Microsyst Nanoeng 12, 103 (2026). https://doi.org/10.1038/s41378-026-01220-5

الكلمات المفتاحية: مستشعر ميكروكانتيلِيفر, CMOS-MEMS, كشف التدفق, كشف درجة الحرارة, قياس متعدد المعايير