CN103808441B - 一种三维纳米尺度光子晶体力传感器 - Google Patents

一种三维纳米尺度光子晶体力传感器 Download PDF

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Abstract

一种三维纳米尺度光子晶体力传感器，涉及力的测量领域。本发明是为了解决现有的传感器不能实现多维测量及测量精度低的问题。纳米谐振腔嵌在三个微悬臂梁传感器上；二号微悬臂梁传感器位于三维直角坐标系的XOZ平面上，且二号基座位于Y轴负方向，一号微悬臂梁传感器位于三维直角坐标系的XOY平面上，且一号微悬臂梁传感器基座位于Z轴负方向，三号微悬臂梁传感器位于三维直角坐标系的YOZ平面上，且L形基座位于X轴正方向，一号微悬臂梁传感器分别垂直于二号微悬臂梁传感器和三号微悬臂梁传感器，且一号微悬臂梁传感器一个侧面与二号微悬臂梁传感器首端侧面、三号微悬臂梁传感器的外侧面位于同一平面内。本发明适用于对三维力进行测量。

Description

一种三维纳米尺度光子晶体力传感器
技术领域
本发明涉及力的测量领域。
背景技术
目前，已知的纳米力传感器多数利用弹性体机械形变来间接实现力的测量。对于机械形变的测量主要由电容式和压电式两种方法。电容式的形变测量输出为非线性，并且寄生电容对灵敏度和精度的影响较大；压电式形变测量对湿度要求较高，其应用范围受到了极大地限制。因此，现有的传感器存在着测量精度低和不能实现三维测量的缺点。
发明内容
本发明是为了解决现有的传感器不能实现三维测量及测量精度低的问题。现提供一种三维纳米尺度光子晶体力传感器。
一种三维纳米尺度光子晶体力传感器，它包括一号微悬臂梁传感器、二号微悬臂梁传感器、三号微悬臂梁传感器和纳米谐振腔，
所述一号微悬臂梁传感器和二号微悬臂梁传感器的结构相同，所述一号微悬臂梁传感器为长方体的平板结构，该平板结构的正面嵌有相互平行的两条纳米谐振腔，所述纳米谐振腔平行于所述平板结构的短边；在所述两条纳米谐振腔与所述平板结构的末端之间的背面设置有凸起的基座；
二号微悬臂梁传感器位于三维直角坐标系的XOZ平面上，且二号微悬臂梁传感器的基座位于Y轴负方向，一号微悬臂梁传感器位于三维直角坐标系的XOY平面上，且一号微悬臂梁传感器的基座位于Z轴负方向，所述一号微悬臂梁传感器位于二号微悬臂梁传感器两条短边的中心连线上，且一号微悬臂梁传感器一个侧面与二号微悬臂梁传感器首端侧面位于同一平面内；
所述三号微悬臂梁传感器为L形的平板结构，且所述三号微悬臂梁传感器的底端为L形基座，所述L形的平板结构的内侧面嵌有相互平行的两条纳米谐振腔，所述纳米谐振腔平行于所述L形的平板结构的顶边，且所述纳米谐振腔位于YOZ面上，所述三号微悬臂梁传感器位于三维直角坐标系的YOZ平面上，且三号微悬臂梁传感器的L形基座位于X轴正方向，所述一号微悬臂梁传感器的顶端垂直且平分三号微悬臂梁传感器的L形基座，且一号微悬臂梁传感器的一个侧面与三号微悬臂梁传感器的外侧面位于同一平面内。
纳米谐振腔的形状为带状。
一号微悬臂梁传感器上的两条纳米谐振腔的长度与所述一号微悬臂梁传感器的宽度相等。
所述纳米谐振腔为三维光子晶体。
本发明适用于对三维力进行测量。
本发明所述的一种三维纳米尺度光子晶体力传感器，将纳米谐振腔与微悬臂梁相结合，通过限定三个微悬臂梁传感器的位置关系，使得X方向、Y方向和Z方向上的力的测量互不干扰，从而实现对X方向、Y方向和Z方向上的三维力进行测量，实现了三维测量，且采用纳米谐振腔提高了测量精度，相比现有的微悬臂梁传感器，精度提高了30%以上。
附图说明
图1是本发明所述的一种三维纳米尺度光子晶体力传感器的立体图；
图2是图1的Z向视图；
图3是图1的X向视图；
图4是将纳米谐振腔嵌在微悬臂梁传感器上的制备过程；
图5是本发明所述的一种三维纳米尺度光子晶体力传感器的测量原理；
图6是当悬臂梁长为30μm宽为15μm时，X方向分力和输出波长的变化关系曲线；
图7是当悬臂梁长为30μm宽为15μm时，Y方向分力和输出波长的变化关系曲线；
图8是当悬臂梁长为30μm宽为15μm时，Z方向分力和输出波长的变化关系曲线；
图9是当悬臂梁长为30μm宽为15μm时，X方向分力和输出波长增量的变化关系曲线；
图10是当悬臂梁长为30μm宽为15μm时，Y方向分力和输出波长增量的变化关系曲线；
图11是当悬臂梁长为30μm宽为15μm时，Z方向分力和输出波长增量的变化关系曲线。
其中，1为一号微悬臂梁传感器、2为二号微悬臂梁传感器、3为三号微悬臂梁传感器、4为纳米谐振腔、5为牺牲层、6为硅层、7为基底层、8为激光器、9为偏振光选择器、10为一号光纤、11为二号光纤、12为检测器，1-1为一号微悬臂梁传感器的基座，2-1为二号微悬臂梁传感器的基座，3-1为三号微悬臂梁传感器的L形基座。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1、图2和图3具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种三维纳米尺度光子晶体力传感器1、它包括一号微悬臂梁传感器1、二号微悬臂梁传感器2、三号微悬臂梁传感器3和纳米谐振腔4，
所述一号微悬臂梁传感器1和二号微悬臂梁传感器2的结构相同，所述一号微悬臂梁传感器1为长方体的平板结构，该平板结构的正面嵌有相互平行的两条纳米谐振腔4，所述纳米谐振腔4平行于所述平板结构的短边；在所述两条纳米谐振腔4与所述平板结构的末端之间的背面设置有凸起的基座1-1；
二号微悬臂梁传感器2位于三维直角坐标系的XOZ平面上，且二号微悬臂梁传感器2的基座2-1位于Y轴负方向，一号微悬臂梁传感器1位于三维直角坐标系的XOY平面上，且一号微悬臂梁传感器1的基座1-1位于Z轴负方向，所述一号微悬臂梁传感器1位于二号微悬臂梁传感器2两条短边的中心连线上，且一号微悬臂梁传感器1一个侧面与二号微悬臂梁传感器2首端侧面位于同一平面内；
所述三号微悬臂梁传感器3为L形的平板结构，且所述三号微悬臂梁传感器3的底端为L形基座3-1，所述L形的平板结构的内侧面嵌有相互平行的两条纳米谐振腔4，所述纳米谐振腔4平行于所述L形的平板结构的顶边，且所述纳米谐振腔4位于YOZ面上，所述三号微悬臂梁传感器3位于三维直角坐标系的YOZ平面上，且三号微悬臂梁传感器3的L形基座3-1位于X轴正方向，所述一号微悬臂梁传感器1的顶端垂直且平分三号微悬臂梁传感器3的L形基座3-1，且一号微悬臂梁传感器1的一个侧面与三号微悬臂梁传感器3的外侧面位于同一平面内。
本实施方式是为了限定三个微悬臂梁传感器的位置关系，由图1、图2和图3中获知，建立空间直角坐标系，二号微悬臂梁传感器2的正面平行于XOZ平面，一号微悬臂梁传感器1的正面平行于XOY平面，三号微悬臂梁传感器3的正面平行于YOZ平面。所述三号微悬臂梁传感器3为L形的平板结构。二号微悬臂梁传感器2与一号微悬臂梁传感器1垂直，一号微悬臂梁传感器1与三号微悬臂梁传感器3垂直。一号微悬臂梁传感器1的基座1-1固定在二号微悬臂梁传感器2的左端，一号微悬臂梁传感器1的基座1-1距离二号微悬臂梁传感器2的上表面的左右两端的距离相等；一号微悬臂梁传感器1的顶端垂直固定在三号微悬臂梁传感器3的L形基座3-1的底面，一号微悬臂梁传感器1的一个侧面（图1中的左侧面）与二号微悬臂梁传感器2的首端侧面在同一平面，三号微悬臂梁传感器3的外侧面与一号微悬臂梁传感器1的一个侧面（图1中的左侧面）在同一平面。
一号微悬臂梁传感器1用于测量Z方向的力，二号微悬臂梁传感器2用于测量Y方向的力，三号微悬臂梁传感器3用于测量X方向的力，使得X，Y和Z方向的力的测量相互不干扰，从而实现三维力的测量。
纳米谐振腔嵌在微悬臂梁传感器上，也可以称之为纳米谐振腔的制备方法，是微机电系统中常用的一种制备方法。参照图4说明纳米谐振腔的制备方法。其中，5为牺牲层、6为硅层、7为基底层。在本发明中，通过采用平版印刷技术和等离子束刻蚀的方法将谐振腔嵌在一号微悬臂梁传感器和二号微悬臂梁传感器上。微悬臂梁传感器属于现有技术，微悬臂梁传感器包括硅模板。该硅模板主要由顶部牺牲层，硅层和基底层构成。首先通过热处理的方法在硅模板表面制备氧化物硬化层。然后通过平板印刷术在牺牲层上制备出有序的多孔图案化结构。最后利用等离子束刻蚀的方法对硅层进行加工，也就实现了将纳米谐振腔嵌在微悬臂梁传感器上。谐振腔是存在一定缺陷的周期性排列的有序结构，也就是微悬臂梁传感器上的微孔结构，是贯穿微悬臂梁传感器的通孔。
具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种三维纳米尺度光子晶体力传感器作进一步说明，本实施方式中，纳米谐振腔4的形状为带状。
具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种三维纳米尺度光子晶体力传感器作进一步说明，本实施方式中，一号微悬臂梁传感器1上的两条纳米谐振腔4的长度与所述一号微悬臂梁传感器1的宽度相等。
具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种三维纳米尺度光子晶体力传感器作进一步说明，本实施方式中，所述纳米谐振腔4为三维光子晶体。
光子晶体的原理：光子晶体将两种或两种以上介电常数不同的材料在空间周期性排列形成的有序结构。当电磁波在其中传播时，由于光子与周期性势场的相互作用而形成光子带隙，这样频率位于光子带隙范围内的电磁波就不能在其中传播。通过对光子晶体的周期性结构进行修饰，打破晶体上周期性排列的晶格结构，在波导上上形成点缺陷强烈的电场束缚以及小模态体积的作用使得传感器对该处变折射率该变量并且非常适合对弹性体的微笑形变做分析。在本发明中，光子晶体指的是三维光子晶体，即在三维尺度上存在的周期性有序结构，也就是微悬臂梁上的周期性有序的微孔结构。
具体实施方式五：本实施方式是一个实施例，是采用本发明所述的一种三维纳米尺度光子晶体力传感器进行三维力测量的一个实验。
实验前期准备：光纤、激光器、偏振光选择器、光纤盒检测器，选用长为30μm宽为15μm的微悬臂梁传感器。
参照图5说明本发明所述的一种三维纳米尺度光子晶体力传感器的测量原理。本发明所述的一种三维纳米尺度光子晶体力传感器的测量光源为激光源。图中，8为激光器、9为偏振光选择器、10为一号光纤、11为二号光纤、12为检测器。
实验过程：当激光器8发射激光光源以后，激光光源通过偏振光选择器9后，偏振光选择器9输出TE模式的偏振光（TE和TM模式是电磁波的两种传播模式，TE模式的波是电矢量与传播方向垂直的电磁波），该TE模式的偏振光经一号光纤10汇聚后接入到本发明所述的一种三维纳米尺度光子晶体力传感器的光子晶体的波导处，也就是纳米谐振腔4的输入端，然后纳米谐振腔4的输出端输出该TE模式的偏振光至二号光纤11，通过二号光纤11将该TE模式的偏振光传送至检测器12，实验中检测器12为InGaAs光电二极管，从而实现对输出光的波长进行测量。然后将本发明测量得到的输出光的波长输入至计算机，通过计算机仿真软件ANSYS获得被测力与输出波长的变化关系曲线。
实验结果：如图6、图7和图8所示为被测力与输出波长的变化曲线，由图6、图7和图8中得到，在X方向上，被测力和输出波长的变化关系曲线为y=-1.7371xX+1444.1，其中，y为输出波长，单位为mm，xX为X方向分力，单位为μN；在Y方向上，被测力和输出波长的变化关系曲线为y=-0.0645xY+1444.1，其中，y为输出波长，单位为mm，xY为Y方向的分力，单位为μN；在Z方向上，被测力和输出波长的变化关系曲线为y=-0.1258xZ+1444.1，其中，y为输出波长，单位为mm，xZ为Z方向的分力，单位为μN。图9、图10和图11是被测力与输出波长增量的变化曲线。

Claims (1)

1.一种三维纳米尺度光子晶体力传感器，其特征在于，它包括一号微悬臂梁传感器(1)、二号微悬臂梁传感器(2)、三号微悬臂梁传感器(3)和纳米谐振腔(4)，
所述一号微悬臂梁传感器(1)和二号微悬臂梁传感器(2)的结构相同，所述一号微悬臂梁传感器(1)为长方体的平板结构，该平板结构的正面嵌有相互平行的两条纳米谐振腔(4)，所述纳米谐振腔(4)平行于所述平板结构的短边；在所述两条纳米谐振腔(4)与所述平板结构的末端之间的背面设置有凸起的基座(1-1)；
二号微悬臂梁传感器(2)位于三维直角坐标系的XOZ平面上，且二号微悬臂梁传感器(2)的基座(2-1)位于Y轴负方向，一号微悬臂梁传感器(1)位于三维直角坐标系的XOY平面上，且一号微悬臂梁传感器(1)的基座(1-1)位于Z轴负方向，所述一号微悬臂梁传感器(1)位于二号微悬臂梁传感器(2)两条短边的中心连线上，且一号微悬臂梁传感器(1)一个侧面与二号微悬臂梁传感器(2)首端侧面位于同一平面内；
所述三号微悬臂梁传感器(3)为L形的平板结构，且所述三号微悬臂梁传感器(3)的底端为L形基座(3-1)，所述L形的平板结构的内侧面嵌有相互平行的两条纳米谐振腔(4)，所述纳米谐振腔(4)平行于所述L形的平板结构的顶边，且所述纳米谐振腔(4)位于YOZ面上，所述三号微悬臂梁传感器(3)位于三维直角坐标系的YOZ平面上，且三号微悬臂梁传感器(3)的L形基座(3-1)位于X轴正方向，所述一号微悬臂梁传感器(1)的顶端垂直且平分三号微悬臂梁传感器(3)的L形基座(3-1)，且一号微悬臂梁传感器(1)的一个侧面与三号微悬臂梁传感器(3)的外侧面位于同一平面内；
纳米谐振腔(4)的形状为带状；
一号微悬臂梁传感器(1)上的两条纳米谐振腔(4)的长度与所述一号微悬臂梁传感器(1)的宽度相等；
所述纳米谐振腔(4)为三维光子晶体。
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