CN206019882U - 一种基于表面等离激元共振腔的纳米光学压力传感器 - Google Patents

Abstract

一种基于表面等离激元共振腔的纳米光学压力传感器。该传感器由“∏”字型表面等离激元共振腔和表面等离激元波导耦合构成。入射激光在波导中激发表面等离激元，当入射光的波长与“∏”字型表面等离激元共振腔的共振波长匹配时，可以将表面等离激元的能量耦合进入“∏”字型表面等离激元共振腔。通过测量表面等离激元波导的光强就可以测量出“∏”字型表面等离激元共振腔的共振波长。由于“∏”字型表面等离激元共振腔的共振波长会在外加压力下改变，因此可以测量出外加的压力。由于表面等离激元的波长远远小于光波，所以“∏”字型表面等离激元共振腔的尺寸可以做到1μm以下。

Description

一种基于表面等离激元共振腔的纳米光学压力传感器

技术领域

本实用新型涉及一种传感器装置，尤其是探头尺寸小于1微米的光学压力传感器装置。

背景技术

压力传感器是一种可以把压力或压强转换成电信号或光信号等其他可读取信号的装置。压力传感器在日常生活中、化学工程、生物工程、医学和科学研究等领域都有重要的应用(参见Y.C.Chao，W.J.Lai，C.Y.Chen，H.F.Meng，H.W.Zan，and S.-F.Horng，“Lowvoltage active pressure sensor based on polymer space-change-limitedtransisitor，”Applied Physics Letters95(25)，253306(2009))。目前，压力传感器主要是两类：电学压力传感器和光学压力传感器。

电学压力传感器主要有两种结构：电容型和压电陶瓷型。电学传感器的主要缺点是易受到外界电磁环境的影响。现代社会生活中电器的大量使用导致电学传感器处于复杂的电磁环境中，对电学压力传感器的干扰也与日俱增。因此目前有很多研究组在研究光学压力传感器。

光学压力传感器的最大优点是抗电磁干扰能力强(参见C.T.Peng，J.C.Lin，C.T.Lin，and K.N.Chiang，“Performance and package effect of a novelpiezoresisitive pressure sensor fabricated by front-side etching technology，”Sens.Actuators A Phys.119(1)，28-37(2005))。因此可以大大简化压力传感器的电磁屏蔽设施。随着光学传感器技术的发展，光学压力传感器已经向着体积小、灵敏度高的方向发展。当前比较成熟的光学压力传感器主要可以分成三类：光纤型(参见Wa Jin，HaifengXuan，Chao Wang，Wei Jin，and Yiping Wang，“Robust microfiber photonic microcellsfor sensor and device applications”，Optics express 22(23)，28132(2014))、MZ干涉仪型(参见B.J.Luff，J.S.Wilkinson，J.Piehler，U.Hollenbach，J.Ingenhoff，andN.Fabricius，“Integrated optical Mach-Zehnder biosensor，”J.LightwaveTechnol.16(4)，583-592(1998))和FP干涉仪型(参见D.Donlagic and E.Cibula，“All-fiber high-sensitivity pressure sensor with SiO₂diaphragm，”Optics Letters 30(16)，2071-2073(2005))。这三类光学压力传感器都是由光纤构成的，主要优点是灵敏度高，体积小，结构简单。缺点是不易集成，很难使用当前的集成电路工艺进行大规模制作。近来，一种新型的SiO₂光波导光学压力传感器被提出(参见X.Zhao，J.M.Tsai，H.Cai，X.M.Ji，J.Zhou，M.H.Bao，Y.P.Huang，D.L.Kwong and A.Q.Liu，“A nano-opto-mechanicalpressure sensor via ring resonator”，Optics Express 20(8)，8535(2012))。这种传感器采用硅基底的膜片上刻蚀SiO₂环型波导，利用环形波导的共振波长进行压力探测。这种新型光学压力传感器的灵敏度还不是太高，但是可以采用成熟的集成电路工艺进行大规模生产。这种光波导压力传感器的主要缺点是面积较大，一般环形波导的半径在100μm左右，如果增加灵敏度就需要增大波导尺寸。

2015年，一种全新的基于表面等离激元的光学压力传感器被提出(参见Jing Wu，PeiLin Lang，Xi Chen and Ru Zhang，A Novel Optical Pressure Sensor Based onSurface Plasmon Polaritons Resonator，Journal of Modern Optics，63(3)，219-223(2016))。表面等离激元是光入射在金属和介质表面形成的一种电磁场与金属内部电子相互耦合的电磁波。表面等离激元的主要特点是波长短、能量高度局域化、可以突破光学衍射极限。这种光学压力传感器采用“工”字型表面等离激元共振腔作为探测元件。主要原理为：外界压力作用在“工”字型表面等离激元共振腔的上表面，由于压力的作用，导致“工”字型共振腔发生形变，而共振腔的形变将导致共振腔的共振波长变化。因此，通过测量共振波长的变化就可以测量施加在“工”字型共振腔上的压强。这种光学压力传感器由于采用表面等离激元共振腔，因此可以将传感器的尺寸做到1μm以下，而灵敏度与FP干涉仪型的光学压力传感器差不多。而且，表面等离激元共振腔可以采用目前的集成电路的生产工艺进行大规模生产。可以说，这种基于表面等离激元的光学压力传感器具备了当前各种其他类型的光学压力传感器的优点，同时还可以实现器件的微型化。但是，“工”字型表面等离激元共振腔的结构决定了其灵敏度很难进一步提高。如果需要更高灵敏度的纳米光学压力传感器还需要对共振腔的结构进行重新设计。

实用新型内容

为了克服现有的基于表面等离激元“工”字型共振腔的纳米光学压力传感器在灵敏度方面的不足，本实用新型提供一种新型的基于表面等离激元共振腔的纳米光学压力传感器。该纳米光学压力传感器不但具有基于表面等离激元“工”字型共振腔的纳米光学压力传感器的所有优点，还提高了传感器的灵敏度。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：采用“∏”字型表面等离激元共振腔与表面等离激元波导相互耦合。当入射光激发表面等离激元在表面等离激元波导中传播时，如果入射光波长与“∏”字型表面等离激元共振腔的共振波长匹配，则会在共振腔中产生共振，使得表面等离激元波导中的能量被耦合到共振腔中，从而在表面等离激元波导的出射口会检测到光强的衰减。“∏”字型表面等离激元共振腔是由金属内中空的一条横槽和两条竖槽构成，横槽的方向与金属的表面平行而且横槽的槽壁到金属表面的距离很短，两条竖槽分别与横槽直接相连且均在远离金属表面的一侧。在外加压力下，“∏”字型表面等离激元共振腔的横槽靠近金属表面的槽壁会发生弹性形变，从而导致共振腔的共振波长发生变化，因此测量光强衰减对应的波长就可以测量出施加在共振腔上表面的压强。由于“∏”字型表面等离激元共振腔对形变更加敏感，因此得到比“工”字型共振腔更高的灵敏度。而且，由于“∏”字型表面等离激元共振腔可以采用与“工”字型表面等离激元共振腔相同的工艺制作，因此可以保留基于“工”字型表面等离激元共振腔的纳米光学压力传感器的所有优点。

为了与“∏”字型表面等离激元共振腔耦合，本实用新型采用的表面等离激元波导是由金属和电介质构成的直波导，波导与“∏”字型表面等离激元共振腔的竖槽相互耦合。波导的数目可以依据测量装置的特点选择。既可以采用一条波导与“∏”字型表面等离激元共振腔耦合，也可以采用多条波导分别与共振腔耦合。

本实用新型的有益效果是，可以保留现有的基于表面等离激元“工”字型共振腔的纳米光学压力传感器的优点的同时，提高压力传感器的灵敏度。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1是本实用新型的共振腔结构原理图。

图2是第一个实施例的结构原理图。

图3是第一个实施例的光路原理图。

图4是第一个实施例的透射光谱图。

图5是第二个实施例的结构原理图。

图中1.金属腔壁，2.“∏”字型表面等离激元共振腔，3.表面等离激元波导，4.纳米光学压力传感器，5.可调激光器，6.光纤，7.光纤光谱仪。

具体实施方式

在图1中，在金属表面下利用离子束刻蚀的方法制备一个“∏”字型空腔作为表面等离激元共振腔。“∏”字型表面等离激元共振腔的上横槽与金属1的上表面平行且相距很近。当有外加压力，或外界的压强发生改变时，由于共振腔上面的金属层厚度有限，在压力的作用下会向下弯曲，从而改变了“∏”字型表面等离激元共振腔的共振波长。我们只需要测量出“∏”字型表面等离激元共振腔的共振波长的改变量，就可以测量出加在共振腔上的压强的大小。

在图2所示的实施例中，纳米光学压力传感器4是由“∏”字型表面等离激元共振腔2和表面等离激元波导3采用侧边耦合的方式构成的。在“∏”字型表面等离激元共振腔2的下面用离子束刻蚀的方法或利用薄膜分层生长的方法制备一表面等离激元直波导结构3。波导3的一侧与“∏”字型表面等离激元共振腔2的两个脚相互耦合。当有激光入射到波导3的入射端口时，就会在波导内激发表面等离激元，表面等离激元沿波导3传播。如果入射光的波长与“∏”字型表面等离激元共振腔2的共振波长相同，则表面等离激元会被耦合到“∏”字型表面等离激元共振腔2中，从而导致波导3中表面等离激元的能量降低，这样就会在波导的出射端口检测到光强的衰减。由于“∏”字型表面等离激元共振腔2的共振波长与外加压强成正比，因此测量光强最小值对应的波长就可以测量出外加的压强。

在图3所示的实施例光路原理图中，可调激光器5发射波长连续变化的激光，激光通过光纤6耦合到纳米光学压力传感器4的波导入射端口，激发表面等离激元。表面等离激元通过纳米光学压力传感器4后，由波导的出射端口耦合到光纤6中，传输到光纤光谱仪7中测量透射谱。测量后得到的透射谱如图4所示。当没有外加压力时，共振腔不形变，透射谱由图中实线表示。在波长从600nm到1600nm的波段内有两个共振波长，对应于透射谱中的两个吸收谷。一个吸收谷对应的波长为790nm，另一个吸收谷对应的波长为1425nm。当外加一定压力使共振腔的形变量达到10nm时的透射谱由图中虚线表示。显然，两个吸收谷的位置都发生改变，其中波长短的吸收谷的对应波长移动到800nm，而波长较长的吸收谷对应波长移动到了1505nm。相当于每形变量为1nm时，共振波长移动8nm。灵敏度是基于“工”字型表面等离激元共振腔的纳米压力传感器的4倍。

在图5所示的实施例中，纳米光学压力传感器4是由“∏”字型表面等离激元共振腔2和表面等离激元入射波导3以及出射波导3采用直接耦合的方式构成的。这样，当将此纳米光学压力传感器连入图3所示的测量光路中时，光纤光谱仪7会测量到两个透射峰，每个透射峰对应“∏”字型表面等离激元共振腔2的一个共振波长。当有外加压力时，透射峰的位置也会发生相应的移动，从而可以测量出外加的压力。

可以理解的是，以上实施例只是为了说明本实用新型的有益效果而采取的实施方式。表面等离激元共振腔与表面等离激元波导有多种耦合方式，表面等离激元共振腔也可以采用多种材料和制备工艺。所有利用“∏”字型表面等离激元共振腔的测量压力的各种实施结构和应用均被视为本实用新型的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于表面等离激元共振腔的纳米光学压力传感器，其特征是：由“Π”字型表面等离激元共振腔和表面等离激元波导耦合构成，“Π”字型表面等离激元共振腔是由金属内中空的一条横槽和两条竖槽构成，横槽的方向与金属的表面平行而且横槽的槽壁到金属表面的距离很短，在外加压强下，横槽靠近金属表面的槽壁会发生弹性形变，两条竖槽分别与横槽直接相连且均在远离金属表面的一侧。

2.根据权利要求1所述的一种基于表面等离激元共振腔的纳米光学压力传感器，其特征是：所述表面等离激元波导是由金属和电介质构成的直波导，波导与“Π”字型表面等离激元共振腔的竖槽相互耦合，波导是一条或是多条分别与共振腔耦合。