一种基于晶格渐变型二维光子晶体和交叉双横梁结构的压力传感器制造技术

本发明专利技术涉及一种利用晶格渐变型的二维光子晶体微腔阵列与双横梁结构实现的量程可扩压力传感器，属于光子晶体传感器技术领域。本发明专利技术首次将晶格渐变型的二维光子晶体结构应用于传感阵列的设计中，首次应用多个微腔协作测量一个待测物理量，为高灵敏度、大量程的光子晶体传感阵列提供了条件。本发明专利技术通过设计位于不同晶格常数区域的微腔，使三个微腔的谐振频率不同，从而在输出端的透射谱中可获得不同频率的谐振峰。当受力横梁发生形变时，位移横梁上水平高度不同的传感柱依次分别进入上述微腔，使得谐振峰先后依次偏移，实现大量程传感。本发明专利技术设计中的传感器阵列具有可扩展性，为量程可扩的光子传感器阵列的实现提供了方法。

Pressure sensor based on lattice type two-dimensional photonic crystal and crossed double beam structure

The invention relates to a range expansion pressure sensor, which is realized by using a two-dimensional photonic crystal micro cavity array and a double beam structure of a lattice gradual type, which belongs to the technical field of the photonic crystal sensor. The present invention applies the design of two-dimensional photonic crystal lattice graded structure is applied to the sensor array, the first application of a plurality of micro cavity cooperative measurement of a physical quantity to be measured, provided the conditions for the photonic crystal sensor array with high sensitivity and wide range. Through the design of a micro cavity located in different lattice constant regions, the resonant frequency of the three micro cavities is different, so that the resonant peaks of different frequencies can be obtained in the transmission spectrum of the output terminal. When the deformation of the beam, the displacement of the beam on the different levels of the sensor column in turn into the micro cavity, so that Xie Zhenfeng has successively shifted to achieve a large number of sensor. The sensor array in the design of the invention has the advantages of scalability, and provides a method for realizing the expansion of the photon sensor array with the measurement range.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种利用晶格渐变型二维光子平板与交叉双横梁结构的压力传感器的实现方法，属于光子晶体传感器

技术介绍
自光子晶体这一物理概念在上世纪八十年代末提出以来,随着微纳加工制备技术的发展,各种光子晶体器件在理论、实验和应用方面都取得了很大的进展。其中,光子晶体传感器作为一种新型的微纳传感器,由于其典型的高灵敏度、高分辨率、响应迅速、抗干扰、可微型化、可复用以及可集成度高等优势,目前关于光子晶体传感器的研究已成为国内外研究内容的热点之一。迄今为止，光子晶体传感器的研究主要集中于折射率传感器(文献1,IanM.WhiteandXudongFan,Ontheperformancequantificationofresonantrefractiveindexsensors,OpticsExpress,vol.16,pp.1020-1028,(2008)),温度传感器(文献2,YongqinYu,XuejinLi,XuemingHong,YuanlongDeng,KuiyanSong,YoufuGeng,HuifengWei,andWeijunTong,Somefeaturesofthephotoniccrystalfibertemperaturesensorwithliquidethanolfilling,OpticsExpress,vol.18,pp.15383-15388,(2010)),位移传感器(文献3,WonjooSuh,M.F.Yanik,OlavSolgaard,andShanhuiFan,Displacement-sensitivephotoniccrystalstructuresbasedonguidedresonanceinphotoniccrystalslabs,AppliedPhysicsLetters,vol.82,pp.1999-2001),压力传感器(文献4,H.Y.Fu,H.Y.Tam,Li-YangShao,XinyongDong,P.K.A.Wai,C.Lu,andSunilK.Khijwania,Pressuresensorrealizedwithpolarization-maintainingphotoniccrystalfiber-basedSagnacinterferometer,vol.47,pp.2835-2839)等等。近年来，光子晶体传感器阵列是一个热点研究方向，如(文献5,QiLiua,HuipingTiana,.,DaquanYanga,b,JianZhoua,YiYanga,YuefengJi,Nanoscaleradius-gradedphotoniccrystalsensorarraysusinginterlacedandsymmetricalresonantcavitiesforbiosensing,vol.216,pp.223-230),主要介绍了一种基于半径渐变型和交错型谐振腔的光子晶体传感器阵列,(文献6，PanZhang,HuipingTian,DaquanYang,QiLiu,JianZhou,LijunHuang,YuefengJi,Radiusverticalgradednanoscaleinterlaced-coupledphotoniccrystalsensorsarray,vol.355,pp.331-336),主要介绍了一种基于垂直方向半径渐变型和交错型谐振腔的光子晶体传感器阵列。这些结构在一块二维光子晶体平板上集成多个传感区域，各个传感单元之间独立工作。但是，由于光子晶体的尺寸和灵敏度的限制，单个传感单元的量程均较小，实际应用当中十分受限。为了在不牺牲灵敏度的情况下提高光子晶体传感器的量程，本专利技术首次将晶格渐变型二维光子晶体结构引入到传感器的设计中。将多个不同晶格的光子晶体谐振腔结构集成在单一的光子晶体平板上，并利用交叉双横梁结构使得各个谐振腔之间协同工作，设计结构简单，制作难度低，实际操作过程的容错率高。
技术实现思路
1.本专利技术的具体内容如下：(1)本专利技术提出了一种基于晶格渐变型光子晶体结构及交叉双横梁结构的可扩量程压力传感器。当受力横梁受压力而发生形变时，与受力横梁相联结的位移横梁发生位移，位移横梁上的传感柱同时也会向下移动，各个传感柱依次穿过光子晶体上的传感单元，使得传感腔的有效折射率发生定量改变，导致对应的透射谱中的谐振峰随之发生偏移。传感腔的灵敏度即谐振峰的偏移量与折射率的关系是线性的且是预先设计好的，因此用过观察谐振峰的偏移量可以计算出折射率的变化。利用折射率的变化又可以计算出传感柱的偏移量即受力横梁的形变量，从而得到受力的大小。(2)本专利技术首先研究晶格渐变型光子晶体传感阵列的可行性。对单一晶格的边腔耦合型传感器来说，当光源从输入端进入波导后，由于边腔对光的局域作用，位于腔的谐振频率上的光将会被局域在腔中无法通过波导，而位于其他频率范围的光将不受影响地通过波导传入到接收端，因此在接收端能够检测到下坠型谐振峰的存在。与传统二维光子晶体的复用方式不同，本专利技术采用变晶格的方式将结构复用，在接收端能观测到三个位于不同频率的谐振峰，各个谐振峰之间相互独立、互不干扰，且具有可扩展性。(3)在变晶格光子晶体传感阵列的基础上，设计了交叉双横梁结构，包括受力横梁和位移横梁。受力横梁受压力而发生形变，与其交叉联结的位移横梁随之发生位移。位于位移横梁上的传感柱分别与传感阵列上的每个传感腔相对应，随着位移横梁的位移依次通过对应的传感腔，使得谐振峰依次偏移。由于各个谐振峰之间互不干扰，协同工作，因此相比单腔传感，其量程可以按传感区域个数倍扩充。2.本专利技术优点如下：(1)本专利技术所用的光子晶体传感阵列是通过改变光子晶体的晶格来实现复用传感的。传统的通过改变腔的参数的复用方法，比如改变空气孔的位置或者半径，无法做到定量计算谐振峰的位置，也无法保证不同谐振峰的性能的一致性，这种方法产生的谐振峰的数目也十分有限，因此无法适用于大规模的集成传感。本专利技术中所使用的改变晶格的方法产生的谐振峰性能一致，谐振频率可根据归一化频率公式来计算：根据使用情况的不同，通过调整a的大小和数目即可适应不同的使用环境。(2)本专利技术中的压力传感器具有量程可扩展的优势。因为各个谐振峰之间互不干扰，此外，通过交叉双横梁的设计，使得各个传感单元之间能协同工作，因此相比较单腔传感和其他阵列传感，本专利技术的量程可根据需要线性扩展，具有很高的实际使用价值。3.本专利技术原理如下：本方案中所涉及的一种利用晶格渐变型光子晶体与交叉双横梁结构的压力传感器基于二维光子晶体平板，在晶格渐变的光子晶体W1波导两侧引入三个参数相同的微腔，通过合理设置晶格常数，微腔的谐振频率互不相同，在输出端得到三个等间距的谐振峰。当受力横梁受力发生形变时，传感柱依次通过上述传感微腔。使得每个微腔的等效折射率依次变化，因此与微腔对应的谐振峰也对应着发生偏移。三个微腔之间互不影响，协同工作，从而可以量测较大的压力变化。附图说明以下各图所取的光子晶体传感器阵列结构参数均与具体实施方式中相同。图1为边腔耦合型光子晶体传感器模型结构，其中包括晶格渐变型的光子晶体平板，W1波导和一个传感腔。晶格常数a＝49本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于晶格渐变型光子晶体结构及交叉双横梁结构的可扩量程压力传感器。其中：该光子晶体传感器阵列是基于三维光子晶体的晶格渐变型空气孔三角晶格结构。交叉双横梁结构包括了两块相互垂直的硅横梁，其中一块横梁上集成有3个高度等差的硅传感柱。

【技术特征摘要】
1.一种基于晶格渐变型光子晶体结构及交叉双横梁结构的可扩量程压力传感器。其中：该光子晶体传感器阵列是基于三维光子晶体的晶格渐变型空气孔三角晶格结构。交叉双横梁结构包括了两块相互垂直的硅横梁，其中一块横梁上集成有3个高度等差的硅传感柱。2.根据权利1所述的结构，其特征在于利用晶格渐变型光子晶体实现阵列传感器的设计，本方案中采...

【专利技术属性】
技术研发人员：田慧平，丁兆祥，王春红，孙富君，付中原，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：北京;11