CN114224365A - 一种柔性谐振环传感器及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柔性谐振环传感器及其应用，其中传感器包括柔性聚合物衬底、微环谐振器、石墨烯层、第一电极和第二电极；微环谐振器设置于柔性聚合物衬底上，用于接收并传输入射光；石墨烯层设置于微环谐振器和柔性聚合物衬底上，用于从微环谐振器上吸收入射光中的光子，并产生光电流；第一电极和第二电极分别设置于石墨烯层和柔性聚合物衬底上，用于导出光电流。本发明的柔性谐振环传感器通过在环形波导上设置石墨烯层，可实现高效率的光电转换，不存在电信号干扰问题，且制备工艺简单、成本低；同时，由于其衬底为有良好生物相容性的柔性聚合物衬底，故将其应用于脑电诱发装置中，可以减少对脑组织的损伤，减少植入部位周围瘢痕组织的积累。
Description
技术领域
本发明公开了一种柔性谐振环传感器及其应用，属于光电传感器技术领域。
背景技术
大脑是人体中最重要的中枢神经组织，控制着人体复杂而精密的系统。神经系统的活动可以通过脑电信号的变化观测，而诱发脑电反映着人体健康状态下和在疾病非正常状态下的脑电变化。脑电信号被广泛应用在中枢神经系统疾病的诊断中。
诱发脑电，被称为诱发反应，是指对神经系统的某一部分(从感受器到大脑皮层)给予适当的刺激，刺激产生的信息经过大脑进行加工，并在刺激后相对固定时间(锁时关系)，在对应的中枢神经系统检测到的生物电信号。
目前，诱发脑电信号的传感器主要为电学传感器。电学传感器主要依靠传统的电极给予刺激。电极主要包括湿电极、半干电极、有源干电极，干电极等。但是通常状态下，电极的尺寸要小，两电极之间的距离要近，这就存在电信号干扰的问题，导致诱发效果不佳，不利于后续脑电信号的采集。
发明内容
本申请的目的在于，提供一种柔性谐振环传感器及其应用，以解决现有诱发脑电的传感器存在电信号干扰，诱发效果不佳，不利于后续脑电信号的采集的技术问题。
本发明的第一方面提供了一种柔性谐振环传感器，包括柔性聚合物衬底、微环谐振器、石墨烯层、第一电极和第二电极；
所述微环谐振器设置于所述柔性聚合物衬底上，用于接收并传输入射光；
所述石墨烯层设置于所述微环谐振器和所述柔性聚合物衬底上，用于从所述微环谐振器上吸收所述入射光中的光子，并产生光电流；
所述第一电极和所述第二电极分别设置于所述石墨烯层和所述柔性聚合物衬底上，用于导出所述光电流。
优选地，所述微环谐振器包括直波导和与所述直波导耦合的环形波导；
所述直波导用于接收所述入射光；
所述石墨烯层设置于所述环形波导上，且所述石墨烯层的相对两端分别设置于所述环形波导内的柔性聚合物衬底和所述环形波导外的柔性聚合物衬底上；
所述入射光从所述直波导上耦合进入所述环形波导，并沿所述环形波导传输至所述石墨烯层。
优选地，所述第一电极设置于所述环形波导内的石墨烯层上；
所述第二电极设置于所述环形波导外的所述柔性聚合物衬底上，并与所述环形波导之间存在预设距离。
优选地，所述传感器还包括铬层；
所述铬层设置于所述第二电极与所述柔性聚合物衬底之间。
优选地，所述石墨烯层由单层石墨烯组成。
优选地，所述石墨烯层是通过化学气相沉积法制备得到的。
优选地，所述柔性聚合物衬底的材质为聚乙烯、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚二甲基硅氧烷中的一种或多种。
优选地，所述第一电极和所述第二电极的材质为金。
优选地，所述柔性聚合物衬底的厚度为2-5μm。
本发明的第二方面提供了一种上述柔性谐振环传感器在脑电诱发装置中的应用。
本发明的柔性谐振环传感器及其应用，相较于现有技术，具有如下有益效果：
本发明的柔性谐振环传感器，通过在环形波导上设置石墨烯层，可实现高效率的光电转换，不存在电信号干扰的问题，且具有制备工艺简单、成本低廉的优势，可实现大规模化生产，在工业应用中具有重要的经济价值；同时，由于其衬底为有良好生物相容性的柔性聚合物衬底，故将其应用于脑电诱发装置中，可以减少对脑组织的损伤，减少植入部位周围瘢痕组织的积累。
附图说明
图1为本发明实施例提供的柔性谐振环传感器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的柔性谐振环传感器中直波导与环形波导耦合后的工作过程示意图。
图中1为柔性聚合物衬底；2为石墨烯层；3为第一电极；4为第二电极；5为直波导；6为环形波导。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
如图1所示，本发明实施例的柔性谐振环传感器包括柔性聚合物衬底1、微环谐振器、石墨烯层2、第一电极3和第二电极4；
其中微环谐振器设置于柔性聚合物衬底1上，用于接收并传输入射光；
石墨烯层2设置于微环谐振器和柔性聚合物衬底1上，用于从微环谐振器上吸收入射光中的光子，并产生光电流；
第一电极3和第二电极4分别设置于石墨烯层2和柔性聚合物衬底1上，用于导出光电流。
本发明实施例中的微环谐振器具体为全通型微环谐振器，包括直波导5和与直波导5耦合的环形波导6；
其中，直波导5用于接收入射光；
石墨烯层2设置于环形波导6上，且石墨烯层2的相对两端分别设置于环形波导6内的柔性聚合物衬底1和环形波导6外的柔性聚合物衬底1上；
入射光从直波导5上耦合进入环形波导6，并沿环形波导6传输至石墨烯层2。
上述全通型微环谐振器的工作过程如图2所示，入射光E1从直波导5的input端输入，沿直波导5传输到与环形波导6的耦合区域时，E1中的一部分光E3以倏逝场的形式耦合进入环形波导6内，以回音壁模式沿环形波导6传输，如果E3的传播长度是波长的整数倍，则场发生谐振，并在环形波导6中形成一个强场；然后E3在传播至石墨烯层2时，石墨烯层2吸收入射光中的光子，并产生光电流，其他未被吸收的E3传输至耦合区域时耦合进入至直波导5，此时以E2表征，E1中剩余的光E4与E2发生干涉从直波导5的output端输出。
本发明实施例中的微环谐振器，可显著增强光与石墨烯的相互作用，从而实现高效率的光电转换，同时其不需要制作反射镜或者光栅等反馈器件，适合于单片集成的制作工艺。
本发明实施例中使用石墨烯层2实现光电转换的原因为石墨稀具有非常大的表面积，极为优异的导电性能，超出钢铁几乎数十倍的强度和极佳的透光性。在石墨稀载体中，电子能够非常高效地迁移，且电子能量损耗极小，远远超越传统的半导体和导体。
由于本发明实施例所需使用的石墨烯层2为整片石墨烯，所以需要对石墨烯进行图形化处理，形成设计所需形状。其中，石墨烯的制备方法可以为微机剥离法、碳化硅外延生长法、氧化还原法或者化学气相沉积法(CVD)等。由于化学气相沉积法简单易行，所得石墨烯的质量高，可实现大面积生长，而且易于转移到各种基底上使用，故，优选使用化学气相沉积法制备石墨烯。本发明实施例中，石墨烯层2可以由单层石墨烯组成也可以由多层石墨烯组成。当为多层石墨烯时，可通过表面修饰的方式降低不同层数石墨烯的方块电阻，改善石墨烯的功函数。
本发明实施例中，当入射光从直波导5输入，经耦合区域耦合进入环形波导6传输至石墨烯层2后，石墨烯层2中的石墨烯吸收光子，其费米能级发生改变，进而导致石墨烯的电导率发生变化，在外加偏置电压作用下，可在闭合回路中产生光电流。器件偏置时，载流子要么堆积在石墨烯薄片上，要么从石墨烯薄片上扫出(即产生损耗)，从而方便地调节费米能级，实现光电转换。
本发明实施例在环形波导6上设置了石墨烯层2，从而实现光电转化，其转换原理与自然界的光合作用相似，通过有效的光吸收和电荷分离把光能转变为电能。将窄禁带的石墨烯与宽禁带的环形波导6复合之后，可见光首先激发，产生光生电子和空穴，环形波导6的导带能级高于石墨烯的导带能级，所以电子可以快速注入石墨烯层，并富集。然后，通过外电路流至第一电极3和第二电极4，形成光电流。本发明实施例在环形波导6上设置石墨烯层2能够降低电子和空穴的复合几率，从而得到更高的光电转换效率，光电转换效率的提高有利于增大所制备的柔性谐振环传感器的灵敏度。
传统的谐振环传感器，其衬底多为硅、石英等无机材料，制备成本高，容易破碎。本发明实施例的谐振环传感器使用了柔性聚合物衬底1，衬底的材质为聚乙烯、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚二甲基硅氧烷中的一种或多种，厚度为2-5μm。由于有机高分子材料聚酰亚胺(Polyimide,PI)是分子主链中含有酰亚胺基团的芳香杂环聚合物，该材料具有耐高温(长期工作温度范围可在-200到370摄氏度)、高绝缘性、无毒等特点，并且可利用低成本的甩胶工艺制备厚度可调的薄膜衬底(将聚酰胺酸溶液涂覆成膜，然后经加热固化使聚酰胺酸转化为聚酰亚胺)，其厚度可控制在几个微米量级，因此将显著减少柔性谐振环传感器的厚度，因此，柔性聚合物衬底1的材质优选为聚酰亚胺。上述有机聚合物材料具有柔韧性好、成本较低、衬底兼容性好、材料特性易于调控等优点。
使用上述柔性聚合物衬底1制备得到的谐振环传感器，具有较佳的机械柔韧性及光学性能，并且其既可沿用传统的基于硬质衬底的加工技术，也可利用卷对卷工艺制备，有利于低成本的大规模生产，在工业应用中具有重要的经济价值。
进一步地，本发明实施例中，第一电极3设置于环形波导6内的石墨烯层2上；第二电极4设置于环形波导6外的柔性聚合物衬底1上，并与环形波导6之间存在预设距离。其中，第一电极3可为正极或者负极，第二电极4与之相反。第二电极4与环形波导6之间的预设距离可根据环形波导6的尺寸、材质、第二电极4的材质等实际情况进行设定，只需保证第二电极4可作为环形波导6的横向金属掺杂结即可。第二电极4距离环形波导6足够近，可以在零偏置下有效分离光激发电子-空穴对，但第二电极4接触环形波导6距离要足以确保光吸收由石墨烯主导，从而限制光吸收。
本发明实施例中，第一电极3和第二电极4均为金属电极，具体材质可为金、银、铜、铁、铝和锌等，优选使用金电极，即第一电极3和第二电极4的材质为金。而由于金直接蒸镀在柔性聚合物衬底1容易脱落，所以本发明实施例在蒸镀金电极前首先蒸镀一层铬(Cr)，然后再蒸镀金(Au)，即在第二电极4与柔性聚合物衬底1设置铬层，这样不仅不容易脱落，还可以使得该合金电极与柔性聚合物衬底1的欧姆接触电阻更小。
本发明的第二方面提供了一种上述柔性谐振环传感器在脑电诱发装置中的应用。
将本发明实施例的柔性谐振环传感器应用于脑电诱发装置中，由于其所使用的衬底为柔性有机聚合物衬底，故，具有良好的生物兼容性，可以减少对脑组织的损伤，减少植入部位周围瘢痕组织的积累，使传感器的信噪比和刺激效率无太大改变，可以以微创的方式有效地传递信号，延长了这种植入物的寿命。
使用过程中，一定波长的入射光从有机复合材料制备的直波导5耦合进入环形波导6，得到加强的光，然后环形波导6上的石墨烯层2因光电效应所激发的光电流经电极输出。通过改变入射光的功率，微环谐振器可在谐振状态下输出电流进而刺激大脑达到信号传输。
本发明的柔性谐振环传感器是一种柔性、片上集成的光电传感器，是一种新型脑机接口器件，植入式医用电子设备，其能够克服现有脑电诱发装置中直接使用电极诱发脑电时，存在的由于电极尺寸小，距离近，电信号产生干扰，灵敏度差的问题。
以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。
Claims (10)
1.一种柔性谐振环传感器，其特征在于，包括柔性聚合物衬底、微环谐振器、石墨烯层、第一电极和第二电极；
所述微环谐振器设置于所述柔性聚合物衬底上，用于接收并传输入射光；
所述石墨烯层设置于所述微环谐振器和所述柔性聚合物衬底上，用于从所述微环谐振器上吸收所述入射光中的光子，并产生光电流；
所述第一电极和所述第二电极分别设置于所述石墨烯层和所述柔性聚合物衬底上，用于导出所述光电流。
2.根据权利要求1所述的柔性谐振环传感器，其特征在于，所述微环谐振器包括直波导和与所述直波导耦合的环形波导；
所述直波导用于接收所述入射光；
所述石墨烯层设置于所述环形波导上，且所述石墨烯层的相对两端分别设置于所述环形波导内的柔性聚合物衬底和所述环形波导外的柔性聚合物衬底上；
所述入射光从所述直波导上耦合进入所述环形波导，并沿所述环形波导传输至所述石墨烯层。
3.根据权利要求2所述的柔性谐振环传感器，其特征在于，所述第一电极设置于所述环形波导内的石墨烯层上；
所述第二电极设置于所述环形波导外的所述柔性聚合物衬底上，并与所述环形波导之间存在预设距离。
4.根据权利要求3所述的柔性谐振环传感器，其特征在于，所述传感器还包括铬层；
所述铬层设置于所述第二电极与所述柔性聚合物衬底之间。
5.根据权利要求1所述的柔性谐振环传感器，其特征在于，所述石墨烯层由单层石墨烯组成。
6.根据权利要求1所述的柔性谐振环传感器，其特征在于，所述石墨烯层是通过化学气相沉积法制备得到的。
7.根据权利要求1所述的柔性谐振环传感器，其特征在于，所述柔性聚合物衬底的材质为聚乙烯、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚二甲基硅氧烷中的一种或多种。
8.根据权利要求1所述的柔性谐振环传感器，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极的材质为金。
9.根据权利要求1所述的柔性谐振环传感器，其特征在于，所述柔性聚合物衬底的厚度为2-5μm。
10.如权利要求1-9任一项所述的柔性谐振环传感器在脑电诱发装置中的应用。
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