CN109253836A - 一种微环光学真空计 - Google Patents

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张
张一�
徐沁文
孙成亮
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Abstract

本发明涉及气压传感器领域，特别是涉及一种高灵敏度、小体积的微环光学真空计。本发明一种微环光学真空计，包括敏感元件；所述敏感元件包括Si片衬底，所述Si片衬底内部设置有空腔，所述空腔为真空腔或不同气压值空腔；所述Si片衬底表面由下至上依次沉积一层SiO2和一层Si，从而形成SOI材料，所述SOI材料上表面沉积有一层光导材料，所述光导材料刻蚀后形成耦合光导，所述耦合光导为直线光导和环形光导；当所述敏感元件放入被检测环境时，所述空腔与被检测环境形成压强差。

Description

一种微环光学真空计
技术领域
本发明涉及气压传感器领域，特别是涉及一种高灵敏度、小体积的微环光学真空计。
背景技术
目前根据真空计测量原理，可大致将真空计分为三大类。第一类为利用力学效应测量，比如波尔登规和薄膜电容规，测量范围一般在前级真空和高真空范围之间；第二类为利用气体动力学效应测量，比如皮拉尼电阻规和热电偶规，测量范围一般在前级真空；第三类为利用带电粒子效应测量，比如热阴极电离规和冷阴极电离规，测量范围一般在高真空和超高真空之间。以上真空计体积一般都比较大，而且一般利用气体动力学效应和带电粒子效应测量的都需要对不同的使用气体进行标定，大大限制了使用范围；而利用力学效应测量的波尔登规的测量范围小但灵敏度不高，薄膜电容规虽然灵敏度较高，但一般需要在高于环境温度的恒温条件使用。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种微环光学真空计，其体积小、灵敏度高、测量范围广。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种微环光学真空计，包括敏感元件；
所述敏感元件包括Si片衬底，所述Si片衬底内部设置有空腔，所述空腔为真空腔或不同气压值空腔；
所述Si片衬底表面由下至上依次沉积一层SiO2和一层Si，从而形成SOI材料，所述SOI材料上表面沉积有一层光导材料，所述光导材料刻蚀后形成耦合光导，所述耦合光导为直线光导和环形光导；
当所述敏感元件放入被检测环境时，所述空腔与被检测环境形成压强差。
进一步地，所述耦合光导包括一条直线光导和一个环形光导。
进一步地，所述耦合光导还包括两条直线光导和一个环形光导。
进一步地，所述不同气压值空腔的气压范围为10-13～103Torr。
进一步地，当被检测环境压力发生改变时，所述真空腔或不同气压值空腔与被检测环境重新形成压强差，所述SOI材料表面发生形变，同时所述环形光导发生形变。
进一步地，当所述环形光导发生变形时，所述直线光导与所述环形光导耦合处处于同一高度。
优选地，所述直线光导和环形光导采用光刻技术和/或等离子技术刻蚀。
优选地，所述光导材料使用石英、氮化硅、氮化铝、砷化镓、硅或高分子聚合物。
本发明有益效果：
①本发明利用力学效应和微环光学谐振效应相结合的原理进行设计，由于光在环形光导中与待测物进行多次相互作用的原理和本身的高品质因数，所述敏感元件具备极高的探测灵敏度；
②由于石英、氮化硅等材料的热膨胀系数小，温度对它们的折射率影响小，所述敏感元件对温度的抗干扰性强；
③由于集成光学具有体积小、成本低、与CMOS工艺相结合等优点，所述敏感元件体积小，成本低，利于量产。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图一一作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例。
图1是本发明实施例一中单环形光导耦合单直线光导谐振原理图；
图2是本发明实施例二中单环形光导耦合双直线光导谐振原理图；
图3是本发明实施例一中敏感元件俯视与截面结构图；
图4是本发明实施例二中敏感元件俯视与截面结构图；
图5是本发明实施例三中敏感元件俯视与截面结构图；
图6是本发明实施例四中敏感元件俯视与截面结构图；
附图中：1直线光导，101直线光导一，102直线光导二，2光耦合点，3环形光导，4上Si层，5SiO2层，6空腔，7Si片衬底。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
本发明实提供了一种微环光学真空计，用于提高气压测量的灵敏度以及测量范围。
一种微环光学真空计，包括敏感元件；所述敏感元件包括Si片衬底7，所述Si片衬底7内部设置有空腔6，所述空腔6为真空腔或不同气压值空腔，当放入被检测环境时形成压强差，优选地所述不同气压值空腔的压力值范围为 10-13～103Torr。
所述Si片衬底7表面由下至上依次是SiO2层5和上Si层4，从而形成SOI 材料，所述SOI材料上表面沉积有一层光导材料，所述光导材料上刻有耦合光导，所述耦合光导为直线光导1和环形光导3。
本发明原理如下：
环境气压的改变将使所述Si片衬底7中空腔6与环境气压差值发生变化，从而使所述环形光导3的形变量发生变化，进而影响环形光导3的折射率，最后反应出的结果为环形光导3中光学谐振的波长值的变化。
如图1所示的单环形光导耦合单直线光导模式的微环光学谐振器，当输入光在直线光导1中传播经过耦合点2时，一部分光会耦合进入到环形光导3中，而另一部分的光会继续沿着直线光导1输出端输出。对于从耦合点2耦合到环形光导3中的光会沿着环进行传播，当再次经过耦合点2时，一部分光会重新耦合到直线光导中，而另一部分的光对于满足微环谐振的会在环中得到相干加强。结果就为波长满足谐振条件的光就被储存在环形光导3中，波长不满足谐振条件的光就从输出端输出。
如图2所示的单环形光导耦合双直线光导模式的微环光学谐振器，当输入光从输入端一进入直线光导一101时，对于波长满足微环谐振条件光将从输出端二输出，对于波长不满足谐振条件的光将从输出端一输出。单环形光导耦合双直线光导模式较单环形光导耦合单直线光导模式而言更能减少噪音的影响。微环的谐振条件为：
2πRneff＝mλ (1)
式(1)中R为微环直径，neff是环形光导有效折射率、m为谐振级次、λ为第m级次的谐振波长。
在实施例一(图3)和实施例二(图4)中，空腔6选为长方体结构，且位置远离直线光导1以及直线光导一101和直线光导二102，以使光能够顺利耦合进入环形光导3。在实施例三(图5)和实施例四(图6)中，空腔6选为环形结构，直线光导和环形光导3都位于空腔6上，且分别到空腔6外环和内环的距离相等，当发生变形时，在耦合点附近，直线光导1和环形光导3仍处于同一高度，以使光能够顺利耦合进入环形光导3。当环境气压发生变化时，作用于上Si 层4上表面的压力发生改变，将使其形变发生变化，而后环形光导3随着其发生形变；当环形光导3形变发生变化时，它的有效折射率同时发生改变，那么耦合进入环形光导3的谐振波长发生变化，可以通过观察谐振波长的值来得出外界气压的值。所述直线光导1和环形光导3，即所述光导材料均使用石英、氮化硅、氮化铝、砷化镓、硅或高分子聚合物，由于这些材料的热膨胀系数低，温度对它们的折射率影响小，所以对温度的抗干扰性强。同时环形光导3本身具有非常高品质因数,所以具备极高的探测灵敏度。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种微环光学真空计，其特征在于：包括敏感元件；
所述敏感元件包括Si片衬底，所述Si片衬底内部设置有空腔，所述空腔为真空腔或不同气压值空腔；
所述Si片衬底表面由下至上依次沉积一层SiO2和一层Si，从而形成SOI材料，所述SOI材料上表面沉积有一层光导材料，所述光导材料刻蚀后形成耦合光导，所述耦合光导为直线光导和环形光导；
当所述敏感元件放入被检测环境时，所述空腔与被检测环境形成压强差。
2.根据权利要求1所述的一种微环光学真空计，其特征在于：所述耦合光导包括一条直线光导和一个环形光导。
3.根据权利要求1所述的一种微环光学真空计，其特征在于：所述耦合光导包括两条直线光导和一个环形光导。
4.根据权利要求1所述的一种微环光学真空计，其特征在于：所述不同气压值空腔的气压范围为10-13～103Torr。
5.根据权利要求1所述的一种微环光学真空计，其特征在于：当被检测环境压力发生改变时，所述真空腔或不同气压值空腔与被检测环境重新形成压强差，所述SOI材料表面发生形变，同时所述环形光导发生形变。
6.根据权利要求5所述的一种微环光学真空计，其特征在于：当所述环形光导发生变形时，所述直线光导与所述环形光导耦合处处于同一高度。
7.根据权利要求1或2或3或5或6所述的一种微环光学真空计，其特征在于：所述直线光导和环形光导采用光刻技术和/或等离子技术刻蚀。
8.根据权利要求1所述的一种微环光学真空计，其特征在于：所述光导材料使用石英、氮化硅、氮化铝、砷化镓、硅或高分子聚合物。
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