CN101210802A - 微位移传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种微位移传感器，包括第一光子晶体模块、第二光子晶体模块、激光源和探测器。第一光子晶体模块包括固定设置的第一基底和呈矩阵方式垂直排列在第一基底上的第一晶柱。第一晶柱矩阵内通过第一晶柱的缺失形成第一导光通道，该第一导光通道包括第一水平通道和分别设置有入光口和出光口且分别与第一水平通道两末端连通的两个第一垂直通道。激光源设置在入光口处。第二光子晶体模块包括可移动的第二基底和呈矩阵方式垂直排列在第二基底上的第二晶柱。第二晶柱矩阵内通过第二晶柱的缺失形成第二导光通道，该第二导光通道包括与第一水平通道平行且相互耦合的第二水平通道和形成探测口的第二垂直通道。探测器设置在探测口处并与其相对固定。

Description

微位移传感器
技术领域
本发明涉及一种微位移传感器，特别涉及一种光子晶体的微位移传感器。
背景技术
微位移传感器是微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS)中较为重要的组件之一，其是用来准确测量微机电系统部件之间的相对位移；另外，微位移传感器在生物传感、原子力显微镜等器件中也有着较为广泛的应用。
由于光子晶体具有独特的光子禁带效应，基于光子晶体设计的微位移传感器被广泛发展，如，基于光子晶体波导的高灵敏度位移传感器，其能在0～1.5a(a为光子晶体的晶格常数)的测量范围内实现高于1.6a-1的测量灵敏度；基于光子隧道效应和法诺(Fano)干涉的位移传感器，当相对位移改变光波长的1％，能实现20dB的透过率对比度；基于光子晶体缺陷谐振腔的微位移传感器，其能在-0.55a～0.60a的测量范围实现1.15a-1的测量灵敏度。但是，在上述微位移传感器中，由于可测量的位移范围很小，很难具有较大的动态范围，因此，不能测量超过两个晶格常数的位移。
因此，有必要提供一种微位移传感器，其具有较大的动态范围，可测量超过两个晶格常数的位移。
发明内容
下面将以实施例说明一种微位移传感器，其具有较大的动态范围，可测量超过两个晶格常数的位移。
本发明提供一种微位移传感器，包括第一光子晶体模块、第二光子晶体模块、激光源和探测器。其中，第一光子晶体模块包括固定设置的第一基底和呈矩阵方式垂直排列在第一基底上的第一晶柱。第一晶柱矩阵内通过第一晶柱的缺失形成第一导光通道。第一导光通道包括第一水平通道和分别设置有入光口和出光口且分别与第一水平通道两末端连通的两个第一垂直通道。激光源设置在入光口处。第二光子晶体模块包括第二基底和呈矩阵方式垂直排列在第二基底上的第二晶柱。第二基底与第一基底平行设置且可相对于第一基底水平移动。第二晶柱矩阵内通过第二晶柱的缺失形成第二导光通道。第二导光通道包括与第一水平通道间隔一排第一晶柱和一排第二晶柱的第二水平通道和与第二水平通道末端连通并形成探测口的第二垂直通道。探测器设置在探测口处并与其相对固定。第二水平通道在第二光子晶体模块的移动中与第一水平通道相互耦合。
本发明还提供一种微位移传感器，包括第一光子晶体模块、第二光子晶体模块、第三光子晶体模块、激光源、第一探测器和第二探测器。第一光子晶体模块包括第一基底和呈矩阵方式垂直排列在第一基底上的第一晶柱。第一晶柱矩阵内通过第一晶柱的缺失形成第一导光通道。第一导光通道包括第一水平通道和三个分别与第一水平通道中间位置和两末端连通并形成一个入光口和两个出光口的第一垂直通道。激光源设置在入光口处。第二光子晶体模块包括第二基底和呈矩阵方式垂直排列在第二基底上的第二晶柱。第二晶柱矩阵内通过第二晶柱的缺失形成第二导光通道。第二导光通道包括与第一水平通道间隔一排第一晶柱和一排第二晶柱的第二水平通道和与第二水平通道末端连通并形成第一探测口的第二垂直通道。第一探测器设置在第一探测口处并与其相对固定设置。第三光子晶体模块包括第三基底和呈矩阵方式垂直排列在第三基底上的第三晶柱。第一晶柱、第二晶柱和第三晶柱具有晶格常数a。第三晶柱与第一晶柱交错排列，即第三晶柱与对应列中的第一晶柱的水平中心距离为0.25a的奇数倍。第三晶柱矩阵内通过第三晶柱的缺失形成第三导光通道。第三导光通道包括与第一水平通道间隔一排第一晶柱和一排第三晶柱的第三水平通道和与第三水平通道末端连通并形成第二探测口的第三垂直通道。第二探测器设置在第二探测口处并与其相对固定。第二水平通道和第三水平通道在第二光子晶体模块和第三光子晶体模块的移动中均与第一水平通道相耦合。
本实施例的微位移传感器是基于光子晶体间光耦合效应的一种位移传感结构，具有较大动态范围，可测量超过两个晶格常数的位移，甚至可以测量数十个晶格常数的位移。
附图说明
图1是本发明第一实施例微位移传感器的结构示意图。
图2是图1中微位移传感器获得的光强与位移的正弦曲线。
图3是本发明第二实施例微位移传感器的结构示意图。
图4是图3中微位移传感器获得的光强与位移的正弦和余弦曲线。
具体实施方式
以下将结合附图详细说明本实施例微位移传感器10、60的结构。
请参阅图1，本实施例微位移传感器10主要包括第一光子晶体模块20、第二光子晶体模块30、激光源40和探测器50。
第一光子晶体模块20通过一固定边缘212固定设置，该第一光子晶体模块20包括一第一基底210和垂直设置在第一基底210上的多个第一晶柱220。其中，第一晶柱220呈矩阵方式排列在第一基底210上，第一晶柱矩阵内通过部分第一晶柱220的缺失形成第一导光通道240。该第一导光通道240呈“ㄩ”形分布，包括一个第一水平通道242和两个第一垂直通道244、246，该两个第一垂直通道244、246分别连通在第一水平通道242的两末端并在第一光子晶体模块20的固定边缘212分别形成一个入光口248和一个出光口280。激光源40设置在第一光子晶体模块20的入光口248。
第二光子晶体模块30与第一光子晶体模块20平行设置且可相对于第一光子晶体模块20平行移动。该第二光子晶体模块30包括一第二基底310和垂直设置在第二基底310上的多个第二晶柱320。其中，第二基底310与第一基底210处于同一平面内。第二晶柱320呈矩阵方式排列在第二基底310上且与第一光子晶体模块20上第一晶柱220对齐，第二晶柱矩阵内通过部分第二晶柱320的缺失形成第二导光通道340。该第二导光通道340呈“
Figure A20061015799100071
”形分布，包括一个第二水平通道342和一个第二垂直通道344。其中，该第二水平通道342与第一水平通道242平行设置，其与第一水平通道242相隔一排第一晶柱220和一排第二晶柱320，该第二水平通道342的长度L优选为10a～30a并在其一末端形成一个透光口346；该第二垂直通道344连通第二水平通道342的另一末端并在第二光子晶体模块30远离第一光子晶体模块20的边缘形成一个探测口348。探测器50设置在第二光子晶体模块30的探测口348并与该探测口348相对固定，优选地，探测器20为光纤探测器。
其中，第一基底210和第二基底310均由绝缘材料或半导体材料制成，例如，硅、二氧化硅。第一晶柱220和第二晶柱320具有相同的晶格常数a(晶格常数a为相邻晶柱间的中心距离)，该晶格常数的范围优选为100纳米～100微米，各晶柱的直径优选为0.3a～0.7a。第一导光通道240的第一水平通道242与第二导光通道340的第二水平通道342间隔的第一晶柱210与第二晶柱310的中心距离D优选为0.7a～1.1a。第二导光通道340的第二垂直通道344与第一导光通道240形成出光口280的第一垂直通道246的水平距离为N2，第一导光通道240形成入光口248的第一垂直通道244与第二光子晶体模块20靠近该第一垂直通道244的边缘312处的第二晶柱320的距离为N1，第二导光通道240的透光口346与第一导光通道240形成入光口248的第一垂直通道244的水平距离为N3，在第二光子晶体模块30相对于第一光子晶体模块20水平向左或向右的移动过程中，N1、N2和N3均应大于零，从而确保第一光子晶体模块20的第一水平通道242与第二光子晶体模块30的第二水平通道342相互耦合。即，当第二光子晶体模块30相对于第一光子晶体模块20水平向左移动时，第二导光通道340的透光口346不应超过第一导光通道240形成入光口248的第一垂直通道244；当第二光子晶体模块30相对于第一光子晶体模块20水平向右移动时，第二导光通道340的第二垂直通道344不应超过第一导光通道240形成出光口280的第一垂直通道246，同时，第二光子晶体模块20靠近第一垂直通道244的边缘312处的第二晶柱320不应超过第一导光通道240形成入光口248的第一垂直通道244。
使用时，将第二光子晶体模块30固定在待测器件上并随待测器件(图中未显示)相对于第一光子晶体模块20移动，激光源40发出的光进入第一光子晶体模块20的第一导光通道240内，一部分光通过第一导光通道240并经由出光口280出射，另一部分光由于耦合效应透过第二光子晶体模块30的透光口346耦合到第二导光通道340内并经由探测口348被探测器50探测，随着第二光子晶体模块30的移动，耦合效率发生变化，透过光的光强也随之变化，通过读取探测器50获得的光强与位移的正弦曲线(如图2所示)能得出透过光的光强，进而得出第二光子晶体模块30的水平位移，结合细分技术，本实施例微位移传感器可实现小于0.01a的高分辨率。由于上述N1、N2和N3的限制，本实施例中微位移传感器的测量范围为a的整数倍，即测量的最大值为N3+N1与N2+N3中的最小值，控制N1、N2和N3的数值可使本实施例微位移传感器的测量范围达数十个晶格常数。
请参阅图3，本发明另一实施例的微位移传感器60包括第一光子晶体模块70、第二光子晶体模块80、第三光子晶体模块90、激光源62、第一探测器64和第二探测器66。优选地，第一探测器64和第二探测器66均为光纤探测器。
第一光子晶体模块70通过一固定边缘712固定设置，该第一光子晶体模块70包括第一基底710和呈矩阵方式垂直排列在第一基底710上的第一晶柱720。第一晶柱矩阵内通过第一晶柱720的缺失形成第一导光通道730。第一导光通道730呈“III”形分布，包括一个第一水平通道732和三个第一垂直通道734、736、738，中间的第一垂直通道与第一水平通道732的中间位置连通并且在第一基底710的固定边缘712处形成一入光口740，激光源62设置在该入光口740处。两侧的第一垂直通道736、738与第一水平通道732的两末端相连通并在第一基底710的固定边缘712处分别形成一个第一出光口750和一个第二出光口760。
第二光子晶体模块80平行设置在第一光子晶体模块70的一侧，包括第二基底810和呈矩阵方式垂直排列在第二基底810上的第二晶柱820。该第二晶柱820与第一光子晶体模块70上第一晶柱720对齐，第二晶柱矩阵内通过第二晶柱820的缺失形成第二导光通道830。该第二导光通道830呈“
Figure A20061015799100091
”形分布，包括一个第二水平通道832和一个第二垂直通道834。第二水平通道832与第一水平通道732平行设置，其与第一水平通道732相隔一排第一晶柱720和一排第二晶柱820，长度L1优选为10a～30a并在其靠近激光源62的末端形成一个第一透光口836。第二垂直通道834与第二水平通道832的另一末端连通，其在第二光子晶体模块80远离第一光子晶体模块70的边缘形成第一探测口838，第一探测器64设置在第一探测口838处并与该第一探测口838相对固定。
第三光子晶体模块90平行设置在第一光子晶体模块70的另一侧，其与第二光子晶体模块80设置为一体结构，也可以与第二光子晶体模块80分开设置且并列。该第三光子晶体模块90包括第三基底910和呈矩阵方式垂直排列在第三基底910上的第三晶柱920，第三晶柱920与第一光子晶体模块70的第一晶柱720交错排列，第三晶柱920与对应列中的第一晶柱720的水平中心距离d为0.25a的奇数倍，优选地，水平中心距离d为0.25a。第三晶柱矩阵内通过第三晶柱920的缺失形成第三导光通道930，该第三导光通道930呈“
Figure A20061015799100101
”形分布，包括一个第三水平通道932和一个第三垂直通道934。第三水平通道932与第一水平通道732平行设置，其与第一水平通道732相隔一排第一晶柱720和一排第三晶柱920，长度L2优选为10a～30a并在其靠近激光源62的末端形成一个第二透光口936。第三垂直通道934与第三水平通道932的另一末端连通，其在第三光子晶体模块90远离第一光子晶体模块70的边缘形成第二探测口938，第二探测器66设置在第二探测口938处并与该第二探测口938相对固定。
其中，第一基底710、第二基底810和第三基底910均由绝缘材料或者半导体材料制成，例如，硅、二氧化硅。第一晶柱720、第二晶柱820和第三晶柱920具有相同的晶格常数a(晶格常数a为相邻晶柱间的中心距离)，该晶格常数的范围优选为100纳米～100微米，各晶柱的直径优选为0.3a～0.7a。第一导光通道730的第一水平通道732与第二导光通道830的第二水平通道832间隔的第一晶柱720与第二晶柱820的中心距离为D1；第一导光通道730的第一水平通道732与第三导光通道930的第三水平通道932间隔的第一晶柱720与第三晶柱920的中心距离为D2，该中心距离D2与D1相同，均优选为0.7a～1.1a。该第二导光通道830的第二垂直通道834与第一导光通道730形成第二出光口760的第一垂直通道738的水平距离为N4，第三导光通道930的第三垂直通道934与第一导光通道730形成第一光出口750的第一垂直通道736的水平距离为N5，该第二导光通道830的第二水平通道832形成第一透光口836的末端与第一导光通道730形成入光口740的第一垂直通道734的水平距离为N6，该第三导光通道930的第三水平通道932形成第二透光口936的末端与第一导光通道730形成入光口740的第一垂直通道734的水平距离为N7，在第二光子晶体模块80和第三光子晶体模块90相对于第一光子晶体模块70水平向左或向右的移动过程中，N4、N5、N6和N7均应大于零，从而确保第一水平通道732与第二水平通道832和第一水平通道732与第三水平通道932均相互耦合。即，当第二光子晶体模块80和第三光子晶体模块90相对于第一光子晶体模块70水平向右移动时，第二垂直通道834不应超过第一导光通道730形成第二光出口760的第一垂直通道738，同时，第二透光口936不应超过第一导光通道730形成入光口740的第一垂直通道734；当第二光子晶体模块80和第三光子晶体模块90相对于第一光子晶体模块70水平向左移动时，第三垂直通道934不应超过第一导光通道730形成第一出光口750的第一垂直通道736，同时，第一透光口836不应超过第一导光通道730形成入光口740的第一垂直通道734。
使用时，将第二光子晶体模块80和第三光子晶体模块90固定在待测器件(图中未显示)上并随待测器件移动，当待测器件带动第二光子晶体模块80和第三光子晶体模块90相对于第一光子晶体模块70水平移动时，激光源62发出的光进入第一光子晶体模块70的第一导光通道730内，一部分光通过第一导光通道730并经由第一出光口750和第二光出口760出射，一部分光由于耦合效应透过第二光子晶体模块80的第一透光口836耦合到第二导光通道830内并经由第一探测口838被第一探测器64探测，另一部分光由于耦合效应透过第三光子晶体模块90的第二透光口936耦合到第三导光通道930内并经由第二探测口938被第二探测器66探测，随着第二光子晶体模块80的移动，耦合效率发生变化，透过光的光强也随之变化，通过读取第一探测器64获得的光强与位移的正弦曲线和第二探测器66获得的光强与位移的余弦曲线(如图4所示)，即能得出透过光的光强变化，进而得出第二光子晶体模块30的水平位移和位移方向，结合细分技术，本实施例微位移传感器可实现小于0.01a的高分辨率。由于上述N4、N5、N6和N7的限制，本实施例中微位移传感器的测量范围为a的整数倍，即测量的最大值为N4+N7和N5+N6中的最小值，控制N4、N5、N6和N7的数值可使本实施例微位移传感器的测量范围达数十个晶格常数。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内作其它变化，当然这些依据本发明精神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (15)

1.一种微位移传感器，其特征在于：包括第一光子晶体模块、第二光子晶体模块、激光源和探测器，所述的第一光子晶体模块包括固定设置的第一基底和呈矩阵方式垂直排列在第一基底上的第一晶柱，所述的第一晶柱矩阵内通过第一晶柱的缺失形成第一导光通道，所述的第一导光通道包括第一水平通道和分别设置有入光口和出光口且分别与第一水平通道两末端连通的两个第一垂直通道，所述的激光源设置在所述的入光口处，所述的第二光子晶体模块包括第二基底和呈矩阵方式垂直排列在第二基底上的第二晶柱，所述的第二基底与所述的第一基底平行设置且可相对于所述的第一基底水平移动，所述的第二晶柱与所述的第一晶柱具有相同的晶格常数，所述的第二晶柱矩阵内通过第二晶柱的缺失形成第二导光通道，所述的第二导光通道包括与所述的第一水平通道间隔一排所述的第一晶柱和一排所述的第二晶柱的第二水平通道和与第二水平通道末端连通并形成探测口的第二垂直通道，所述的探测器设置在所述的探测口处并与其相对固定，所述的第二水平通道在第二光子晶体模块的移动中与所述的第一水平通道相互耦合。
2.如权利要求1所述的微位移传感器，其特征在于：所述的第一晶柱和所述的第二晶柱的晶格常数a为100纳米～100微米。
3.如权利要求2所述的微位移传感器，其特征在于：所述的第一晶柱和所述的第二晶柱的晶柱直径为0.3a～0.7a。
4.如权利要求2所述的微位移传感器，其特征在于：所述的第一水平通道与所述的第二水平通道间隔的第一晶柱和第二晶柱的中心距离为0.7a～1.1a。
5.如权利要求2所述的微位移传感器，其特征在于：所述的第二水平通道的长度为10a～30a。
6.如权利要求2所述的微位移传感器，其特征在于：所述的探测器为光纤探测器。
7.如权利要求1所述的微位移传感器，其特征在于：所述的第一基底和所述的第二基底由绝缘材料或半导体材料制成。
8.一种微位移传感器，其特征在于：包括第一光子晶体模块、第二光子晶体模块、第三光子晶体模块、激光源、第一探测器和第二探测器，所述的第一光子晶体模块包括第一基底和呈矩阵方式垂直排列在所述第一基底上的第一晶柱，所述的第一晶柱矩阵内通过所述的第一晶柱的缺失形成第一导光通道，所述的第一导光通道包括第一水平通道和三个分别连通第一水平通道中间位置和两末端并形成入光口和两个出光口的第一垂直通道，所述的激光源设置在所述的入光口处，所述的第二光子晶体模块包括第二基底和呈矩阵方式垂直排列在所述第二基底上的第二晶柱，所述的第二晶柱矩阵内通过所述第二晶柱的缺失形成第二导光通道，所述的第二导光通道包括与第一水平通道间隔一排所述的第一晶柱和一排所述的第二晶柱的第二水平通道和与所述的第二水平通道末端连通并形成第一探测口的第二垂直通道，所述的第一探测器设置在所述的第一探测口处并与其相对固定设置，所述的第三光子晶体模块包括第三基底和呈矩阵方式垂直排列在所述的第三基底上的第三晶柱，所述的第一晶柱、第二晶柱和第三晶柱具有晶格常数a，所述的第三晶柱与所述的第一晶柱交错排列，所述的第三晶柱与对应列中的所述的第一晶柱的水平中心距离d为0.25a的奇数倍，所述的第三晶柱矩阵内通过所述的第三晶柱的缺失形成第三导光通道，所述的第三导光通道包括与第一水平通道间隔一排所述的第一晶柱和一排所述的第三晶柱的第三水平通道和与所述的第三水平通道末端连通并形成第二探测口的第三垂直通道，所述的第二探测器设置在所述的第二探测口处并与其相对固定，所述的第二水平通道和第三水平通道在所述的第二光子晶体模块和所述的第三光子晶体模块的移动中均分别与所述的第一水平通道相互耦合。
9.如权利要求8所述的微位移传感器，其特征在于：所述的晶格常数a为100纳米～100微米。
10.如权利要求9所述的微位移传感器，其特征在于：所述的第一晶柱、第二晶柱和第三晶柱的晶柱直径为0.3a～0.7a。
11.如权利要求9所述的微位移传感器，其特征在于：所述的第一水平通道与所述的第二水平通道间隔的第一晶柱和第二晶柱的中心距离为0.7a～1.1a，所述的第一水平通道与所述的第三水平通道间隔的第一晶柱和第三晶柱的中心距离为0.7a～1.1a。
12.如权利要求9所述的微位移传感器，其特征在于：所述的第二水平通道和第三水平通道的长度为10a～30a。
13.如权利要求9所述的微位移传感器，其特征在于：所述的第三晶柱与对应列中的所述的第一晶柱的水平中心距离为0.25a。
14.如权利要求9所述的微位移传感器，其特征在于：所述的第一探测器和第二探测器为光纤探测器。
15.如权利要求8所述的微位移传感器，其特征在于：所述的第一基底、第二基底和第三基底由绝缘材料或半导体材料制成。
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