CN103837274B - 一种二维纳米尺度光子晶体力传感器 - Google Patents

一种二维纳米尺度光子晶体力传感器 Download PDF

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一种二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测量精度低、灵敏度差和二维力测量相互干扰的问题。它包括一号微悬臂梁传感器、二号微悬臂梁传感器、和纳米谐振腔，纳米谐振腔分别嵌在一号微悬臂梁传感器和二号微悬臂梁传感器上；所述一号微悬臂梁传感器为长方体的平板结构，二号微悬臂梁传感器位于三维直角坐标系的XOZ平面上，一号微悬臂梁传感器位于三维直角坐标系的YOZ平面上，所述一号微悬臂梁传感器垂直二号微悬臂梁传感器，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。本发明适用于对二维力进行测量。

Description

一种二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的多为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精度低，灵敏度差和二维力测量相互干扰的缺点。
发明内容
本发明是为了解决现有的传感器测量精度低、灵敏度差和二维力测量相互干扰的问题。现提供一种二维纳米尺度光子晶体力传感器。
一种二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YOZ平面上，且一号微悬臂梁传感器的基座位于X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。
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。
所述纳米谐振腔为二维光子晶体。
本发明适用于对二维力进行测量。
本发明所述的一种二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，通过限定微悬臂梁的位置关系，从而实现对X和Y方向上的二维力进行测量，使得X方向和Y方向上的力的测量互不干扰，且采用纳米谐振腔使本发明所述的一种二维纳米尺度光子晶体力传感器的测量精度高，也保证了本发明的高灵敏度，相比现有的传感器，精度提高了30％以上，灵敏度提高了40％以上。
附图说明
图1是本发明所述的一种二维纳米尺度光子晶体力传感器的结构三维空间图；
图2是图1的正视图；
图3是图2的左视图；
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二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方向上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方向上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，X方向分力和输出波长增量的变化关系曲线；
图9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。
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为纳米谐振腔、4为牺牲层、5为硅层、6为基底层、7为激光器、8为偏振光选择器、9为一号光纤、10为二号光纤、11为检测器、12为凸起的基座。
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二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1、二号微悬臂梁传感器2和纳米谐振腔3，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3，所述纳米谐振腔3平行于所述平板结构的短边；在所述两条纳米谐振腔3与所述平板结构的末端之间的背面设置有凸起的基座12；
二号微悬臂梁传感器2位于三维直角坐标系的XOZ平面上，且基座位于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YOZ平面上，且一号微悬臂梁传感器1的基座位于X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。
本实施方式是为了限定两个微悬臂梁传感器的位置关系，由图1中获知，两个微悬臂梁传感器的位置呈现L型，二号微悬臂梁传感器2放置在XOZ平面，且二号微悬臂梁传感器的基座在右端，一号微悬臂梁传感器在YOZ平面，一号微悬臂梁传感器与二号微悬臂梁传感器垂直放置，且一号微悬臂梁传感器的基座固定在二号微悬臂梁传感器的上表面，一号微悬臂梁传感器的基座距离二号微悬臂梁传感器的前后边缘的距离相等，也就是说在二号微悬臂梁传感器宽度的中间位置，一号微悬臂梁传感器的左侧面与二号微悬臂梁传感器的左侧面在同一平面。
通过使一号微悬臂梁传感器和二号微悬臂梁传感器的结构保持L型，从而实现对二维空间上的X方向分力和Y方向分力进行分别测量，这种L型结构，也降低了维度耦合，使得二维力测量不会相互干扰。
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，4为牺牲层、5为硅层、6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二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3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二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3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二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3为二维光子晶体。
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改变量并且非常适合对弹性体的微小形变做分析。在本发明中，光子晶体指的是二维光子晶体，即在二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二维纳米尺度光子晶体力传感器进行二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二维纳米尺度光子晶体力传感器的测量原理。本发明所述的一种二维纳米尺度光子晶体力传感器的测量光源为激光源。图中，7为激光器、8为偏振光选择器、9为一号光纤、10为二号光纤、11为检测器。
实验过程：当激光器7发射激光光源以后，激光光源通过偏振光选择器8后，偏振光选择器8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9汇聚后接入到本发明所述的一种二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3的输入端，然后纳米谐振腔3的输出端输出该TE模式的偏振光至二号光纤10，通过二号光纤10将该TE模式的偏振光传送至检测器11，实验中检测器11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和图7所示为被测力与输出波长的变化曲线，由图6和图7中得到，在X方向上，力和输出波长的变化关系曲线为y＝-1.891x+1444.97,在Y方向上，力和输出波长的变化关系曲线为y＝-1.418x+1444.97。图8和图9是被测力与输出波长增量的变化曲线。

Claims (1)

1.一种二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)和纳米谐振腔(3)，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(3)，所述纳米谐振腔(3)平行于所述平板结构的短边；在所述两条纳米谐振腔(3)与所述平板结构的末端之间的背面设置有凸起的基座(12)；
二号微悬臂梁传感器(2)位于三维直角坐标系的XOZ平面上，且基座位于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YOZ平面上，且一号微悬臂梁传感器(1)的基座位于X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；
纳米谐振腔(3)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(3)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(3)为二维光子晶体。
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