Монолитная CMOS‑MEMS SoC с разрешением 1.8 мм/с и 2 мК для измерения потока и температуры с помощью массива микрокантилеверов

Меньше чипов — умнее датчики

Отслеживание температуры, потока воздуха и даже едва заметных изменений освещённости важно для всего — от мониторинга загрязнения до контроля дыхания пациента. Сегодня для этого обычно требуется несколько отдельных датчиков, каждый со своей электроникой и проводкой. В этой работе описан один ноготок‑размерный чип, способный с выдающейся точностью измерять поток, температуру и свет при помощи микроскопических вибрирующих балок и встроенной электроники. Такие чувствительные универсальные датчики могут помочь уменьшить размеры приборов для мониторинга окружающей среды, медицинских устройств и носимой электроники до простых энергосберегающих патчей или штекеров.

Крошечные балки, улавливающие окружение

В центре чипа — ряд микрокантилеверов: тонкие балки, тоньше человеческого волоса, закреплённые с одного конца и свободные с другого. Эти балки изготовлены из двух слоёв материалов, которые по‑разному расширяются при нагреве. При повышении температуры или при нагреве поверхности светом несоответствие в тепловом расширении мягко изгибает каждую балку. Аналогично, когда поток газа проходит над чипом, давление от движущегося газа опускает балки вниз. Исследователи превращают это изгибание в электрический сигнал, формируя небольшую ёмкость: когда зазор между изогнутой балкой и расположенным под ней электродом уменьшается, электрическая ёмкость растёт, и это изменение можно измерить.

Электроника, которая слушает частоту, а не напряжение

Вместо прямого измерения крошечных изменений напряжения электроника чипа переводит меняющуюся ёмкость в изменение частоты колебаний — некий электронный «пульс», чей темп ускоряется или замедляется. Цепочка простых логических элементов образует кольцевой генератор, чей ритм зависит от суммарной ёмкости от массива балок. Сопоставимый «эталонный» конденсатор из фиксированных балок помогает компенсировать нежелательные сдвиги от самой цепи. Дополнительная схема сравнивает сигналы сенсора и эталона, затем фазовая автоподстройка умножает полученную разность частот, чтобы её было легко посчитать и считать в цифровом виде. Поскольку информация передаётся в частоте, а не в абсолютном напряжении, система по своей природе устойчива к шуму и дрейфу.

Высокая точность для тепла, потока воздуха и света

Тщательно подбирая длину и ширину балок и моделируя их изгиб под действием тепла и давления, команда настроила конструкцию как для чувствительности, так и для долговечности. Затем они изготовили конструкцию с использованием стандартного полупроводникового процесса и нескольких дополнительных микромеханических этапов для освобождения подвижных балок. Испытания показали, что выходная частота меняется почти идеально линейно с температурой от комнатной до 100 °C, что соответствует температурному разрешению порядка 2.3 тысячных градуса Цельсия — достаточно для обнаружения крошечных тепловых сдвигов. В тестах потока с использованием азота выходная частота следовала предсказуемой кривой, пропорциональной квадрату скорости потока, что позволило обнаруживать изменения на уровне нескольких миллиметров в секунду и сохранять чувствительность при очень больших скоростях до 130 метров в секунду. Дополнительные эксперименты с микроскопическим источником света показали явные сдвиги частоты даже при относительно слабом освещении, подтвердив, что фототермическое изгибание также даёт пригодный для использования сигнал.

От лаборатории к практическим приложениям

По сравнению с ранними интегрированными датчиками потока и температуры этот новый чип объединяет больше функций на меньшей площади, потребляя при этом всего несколько милливатт мощности. Его конструкция с микрокантилеверами и низкий уровень электронного шума дают ему лучшее разрешение, чем у многих существующих устройств аналогичного типа, а та же базовая структура может реагировать на несколько видов входных воздействий — тепло, поток и свет — без необходимости в отдельных датчиках. Авторы утверждают, что при добавлении калибровки на кристалле и более продуманной обработке сигналов подобные чипы можно адаптировать для отслеживания дыхания, пульса крови через мягкую упаковку или тонких изменений в окружающей среде — всё это в компактной, производимой в промышленных условиях системе.

Почему это важно

Проще говоря, исследователи создали ультрачувствительный «электронный ощупыватель», который может улавливать крошечные изменения движения воздуха, температуры и света — всё на одном микрочипе, который стандартные фабрики могут производить в больших объёмах. Преобразуя механическое изгибание микроскопических балок в чёткие сдвиги частоты, устройство обеспечивает и высокую точность, и простое цифровое считывание. Такое сочетание чувствительности, размеров и универсальности делает технологию серьёзным претендентом для будущих датчиков окружающей среды и медицинских мониторов, которые будут меньше, дешевле и легче встраиваемы практически в любой объект.

Цитирование: 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

Ключевые слова: датчик микрокантилевера, CMOS‑MEMS, измерение потока, измерение температуры, многопараметрическая сенсорика