一種二維納米尺度光子晶體力傳感器的制造方法
【專利摘要】一種二維納米尺度光子晶體力傳感器，涉及力的測量領(lǐng)域。本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有的傳感器測量精度低、靈敏度差和二維力測量相互干擾的問題。它包括一號微懸臂梁傳感器、二號微懸臂梁傳感器、和納米諧振腔，納米諧振腔分別嵌在一號微懸臂梁傳感器和二號微懸臂梁傳感器上；所述一號微懸臂梁傳感器為長方體的平板結(jié)構(gòu)，二號微懸臂梁傳感器位于三維直角坐標(biāo)系的XOZ平面上，一號微懸臂梁傳感器位于三維直角坐標(biāo)系的YOZ平面上，所述一號微懸臂梁傳感器垂直二號微懸臂梁傳感器，所述一號微懸臂梁傳感器位于二號微懸臂梁傳感器兩條短邊的中心連線上，且一號微懸臂梁傳感器一個側(cè)面與二號微懸臂梁傳感器首端側(cè)面位于同一平面內(nèi)。本發(fā)明適用于對二維力進(jìn)行測量。
【專利說明】一種二維納米尺度光子晶體力傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及力的測量領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，已知的納米力傳感器的多為利用彈性體機(jī)械形變來間接實現(xiàn)力的測量。對于機(jī)械形變的測量主要由電容式和壓電式兩種方法。電容式的形變測量輸出為非線性，并且寄生電容對靈敏度和精度的影響較大；壓電式形變測量對濕度要求較高，其應(yīng)用范圍受到了極大地限制。因此，現(xiàn)有的傳感器存在著精度低，靈敏度差和二維力測量相互干擾的缺點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有的傳感器測量精度低、靈敏度差和二維力測量相互干擾的問題?，F(xiàn)提供一種二維納米尺度光子晶體力傳感器。
[0004]一種二維納米尺度光子晶體力傳感器，它包括一號微懸臂梁傳感器、二號微懸臂梁傳感器和納米諧振腔，所述一號微懸臂梁傳感器和二號微懸臂梁傳感器的結(jié)構(gòu)相同，所述一號微懸臂梁傳感器為長方體的平板結(jié)構(gòu)，該平板結(jié)構(gòu)的正面嵌有相互平行的兩條納米諧振腔，所述納米諧振腔平行于所述平板結(jié)構(gòu)的短邊；在所述兩條納米諧振腔與所述平板結(jié)構(gòu)的末端之間的背面設(shè)置有凸起的基座；
[0005]二號微懸臂梁傳感器位于三維直角坐標(biāo)系的XOZ平面上，且基座位于Y軸負(fù)方向，一號微懸臂梁傳感器位于三維直角坐標(biāo)系的YOZ平面上，且一號微懸臂梁傳感器的基座位于X軸負(fù)方向，所述一號微懸臂梁傳感器位于二號微懸臂梁傳感器兩條短邊的中心連線上，且一號微懸臂梁傳感器一個側(cè)面與二號微懸臂梁傳感器首端側(cè)面位于同一平面內(nèi)。
[0006]納米諧振腔的形狀為帶狀。
[0007]—號微懸臂梁傳感器上的兩條納米諧振腔的長度與所述一號微懸臂梁傳感器的寬度相等。
[0008]所述納米諧振腔為二維光子晶體。
[0009]本發(fā)明適用于對二維力進(jìn)行測量。
[0010]本發(fā)明所述的一種二維納米尺度光子晶體力傳感器，將納米諧振腔與微懸臂梁相結(jié)合，通過限定微懸臂梁的位置關(guān)系，從而實現(xiàn)對X和Y方向上的二維力進(jìn)行測量，使得X方向和Y方向上的力的測量互不干擾，且采用納米諧振腔使本發(fā)明所述的一種二維納米尺度光子晶體力傳感器的測量精度高，也保證了本發(fā)明的高靈敏度，相比現(xiàn)有的傳感器，精度提高了 30%以上，靈敏度提高了 40%以上。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是本發(fā)明所述的一種二維納米尺度光子晶體力傳感器的結(jié)構(gòu)三維空間圖；
[0012]圖2是圖1的正視圖；[0013]圖3是圖2的左視圖；
[0014]圖4是將納米諧振腔嵌在微懸臂梁傳感器上的制備過程；
[0015]圖5是本發(fā)明所述的一種二維納米尺度光子晶體力傳感器的測量原理；
[0016]圖6是當(dāng)懸臂梁長為30 μ m寬為15 μ m時，X方向上分力和輸出波長的變化關(guān)系曲線；
[0017]圖7是當(dāng)懸臂梁長為30 μ m寬為15 μ m時，Y方向上分力和輸出波長的變化關(guān)系曲線；
[0018]圖8是當(dāng)懸臂梁長為30 μ m寬為15 μ m時，X方向分力和輸出波長增量的變化關(guān)系曲線；
[0019]圖9是當(dāng)懸臂梁長為30 μ m寬為15 μ m時，Y方向分力和輸出波長增量的變化關(guān)系曲線。
[0020]其中，I為一號微懸臂梁傳感器、2為二號微懸臂梁傳感器、3為納米諧振腔、4為犧牲層、5為娃層、6為基底層、7為激光器、8為偏振光選擇器、9為一號光纖、10為二號光纖、11為檢測器、12為凸起的基座。
[0021]【具體實施方式】一:參照圖1、圖2和圖3具體說明本實施方式，本實施方式所述的一種二維納米尺度光子晶體力傳感器，它包括一號微懸臂梁傳感器1、二號微懸臂梁傳感器2和納米諧振腔3，所述一號微懸臂梁傳感器I和二號微懸臂梁傳感器2的結(jié)構(gòu)相同，所述一號微懸臂梁傳感器I為長方體的平板結(jié)構(gòu)，該平板結(jié)構(gòu)的正面嵌有相互平行的兩條納米諧振腔3，所述納米諧振腔3平行于所述平板結(jié)構(gòu)的短邊；在所述兩條納米諧振腔3與所述平板結(jié)構(gòu)的末端之間的背面設(shè)置有凸起的基座12 ；
[0022]二號微懸臂梁傳感器2位于三維直角坐標(biāo)系的XOZ平面上，且基座位于Y軸負(fù)方向，一號微懸臂梁傳感器I位于三維直角坐標(biāo)系的YOZ平面上，且一號微懸臂梁傳感器I的基座位于X軸負(fù)方向，所述一號微懸臂梁傳感器I位于二號微懸臂梁傳感器2兩條短邊的中心連線上，且一號微懸臂梁傳感器I一個側(cè)面與二號微懸臂梁傳感器2首端側(cè)面位于同一平面內(nèi)。
[0023]本實施方式是為了限定兩個微懸臂梁傳感器的位置關(guān)系，由圖1中獲知，兩個微懸臂梁傳感器的位置呈現(xiàn)L型，二號微懸臂梁傳感器2放置在XOZ平面，且二號微懸臂梁傳感器的基座在右端，一號微懸臂梁傳感器在YOZ平面，一號微懸臂梁傳感器與二號微懸臂梁傳感器垂直放置，且一號微懸臂梁傳感器的基座固定在二號微懸臂梁傳感器的上表面，一號微懸臂梁傳感器的基座距離二號微懸臂梁傳感器的前后邊緣的距離相等，也就是說在二號微懸臂梁傳感器寬度的中間位置，一號微懸臂梁傳感器的左側(cè)面與二號微懸臂梁傳感器的左側(cè)面在同一平面。
[0024]通過使一號微懸臂梁傳感器和二號微懸臂梁傳感器的結(jié)構(gòu)保持L型，從而實現(xiàn)對二維空間上的X方向分力和Y方向分力進(jìn)行分別測量，這種L型結(jié)構(gòu)，也降低了維度耦合，使得二維力測量不會相互干擾。
[0025]納米諧振腔嵌在微懸臂梁傳感器上，也可以稱之為納米諧振腔的制備方法，是微機(jī)電系統(tǒng)中常用的一種制備方法。參照圖4說明納米諧振腔的制備方法。其中，4為犧牲層、5為硅層、6為基底層。在本發(fā)明中，通過采用平版印刷技術(shù)和等離子束刻蝕的方法將諧振腔嵌在一號微懸臂梁傳感器和二號微懸臂梁傳感器上。微懸臂梁傳感器屬于現(xiàn)有技術(shù)，微懸臂梁傳感器包括硅模板。該硅模板主要由頂部犧牲層，硅層和基底層構(gòu)成。首先通過熱處理的方法在硅模板表面制備氧化物硬化層。然后通過平板印刷術(shù)在犧牲層上制備出有序的多孔圖案化結(jié)構(gòu)。最后利用等離子束刻蝕的方法對硅層進(jìn)行加工，也就實現(xiàn)了將納米諧振腔嵌在微懸臂梁傳感器上。諧振腔是存在一定缺陷的周期性排列的有序結(jié)構(gòu)，也就是微懸臂梁傳感器上的微孔結(jié)構(gòu)，是貫穿微懸臂梁傳感器的通孔。
[0026]【具體實施方式】二:本實施方式是對【具體實施方式】一所述的一種二維納米尺度光子晶體力傳感器作進(jìn)一步說明，本實施方式中，納米諧振腔3的形狀為帶狀。
[0027]【具體實施方式】三:本實施方式是對【具體實施方式】一所述的一種二維納米尺度光子晶體力傳感器作進(jìn)一步說明，本實施方式中，一號微懸臂梁傳感器I上的兩條納米諧振腔3的長度與所述一號微懸臂梁傳感器I的寬度相等。
[0028]【具體實施方式】四:本實施方式是對【具體實施方式】一所述的一種二維納米尺度光子晶體力傳感器作進(jìn)一步說明，本實施方式中，所述納米諧振腔3為二維光子晶體。
[0029]光子晶體的原理:光子晶體將兩種或兩種以上介電常數(shù)不同的材料在空間周期性排列形成的有序結(jié)構(gòu)。當(dāng)電磁波在其中傳播時，由于光子與周期性勢場的相互作用而形成光子帶隙，這樣頻率位于光子帶隙范圍內(nèi)的電磁波就不能在其中傳播。通過對光子晶體的周期性結(jié)構(gòu)進(jìn)行修飾，打破晶體上周期性排列的晶格結(jié)構(gòu)，在波導(dǎo)上上形成點缺陷強(qiáng)烈的電場束縛以及小模態(tài)體積的作用使得傳感器對該處變折射率該變量并且非常適合對彈性體的微笑形變做分析。在本發(fā)明中，光子晶體指的是二維光子晶體，即在二維尺度上存在的周期性有序結(jié)構(gòu)，也就是微懸臂梁上的周期性有序的微孔結(jié)構(gòu)。
[0030]【具體實施方式】五:本實施方式是一個實施例，是采用本發(fā)明所述的一種二維納米尺度光子晶體力傳感器進(jìn)行二維力測量的一個實驗。
[0031]實驗前期準(zhǔn)備:光纖、激光器、偏振光選擇器、光纖盒檢測器，選用長為30 μ m寬為15 μ m的微懸臂梁傳感器。
[0032]參照圖5說明本發(fā)明所述的一種二維納米尺度光子晶體力傳感器的測量原理。本發(fā)明所述的一種二維納米尺度光子晶體力傳感器的測量光源為激光源。圖中，7為激光器、8為偏振光選擇器、9為一號光纖、10為二號光纖、11為檢測器。
[0033]實驗過程:當(dāng)激光器7發(fā)射激光光源以后，激光光源通過偏振光選擇器8后，偏振光選擇器8輸出TE模式的偏振光(TE和TM模式是電磁波的兩種傳播模式，TE模式的波是電矢量與傳播方向垂直的電磁波)，該TE模式的偏振光經(jīng)一號光纖9匯聚后接入到本發(fā)明所述的一種二維納米尺度光子晶體力傳感器的光子晶體的波導(dǎo)處，也就是納米諧振腔3的輸入端，然后納米諧振腔3的輸出端輸出該TE模式的偏振光至二號光纖10,通過二號光纖10將該TE模式的偏振光傳送至檢測器11，實驗中檢測器11為InGaAs光電二極管，從而實現(xiàn)對輸出光的波長進(jìn)行測量。然后將本發(fā)明測量得到的輸出光的波長輸入至計算機(jī)，通過計算機(jī)仿真軟件仿真軟件ANSYS獲得被測力與輸出波長的變化關(guān)系曲線。
[0034]實驗結(jié)果:如圖6和圖7所示為被測力與輸出波長的變化曲線，由圖6和圖7中得至|J，在X方向上，力和輸出波長的變化關(guān)系曲線為y=-l.891X+1444.97，在Y方向上，力和輸出波長的變化關(guān)系曲線為y=_l.418x+1444.97。圖8和圖9是被測力與輸出波長增量的變化曲線。
【權(quán)利要求】
1.一種二維納米尺度光子晶體力傳感器，其特征在于，它包括一號微懸臂梁傳感器(I)、二號微懸臂梁傳感器(2)和納米諧振腔(3)，所述一號微懸臂梁傳感器(I)和二號微懸臂梁傳感器(2)的結(jié)構(gòu)相同，所述一號微懸臂梁傳感器(I)為長方體的平板結(jié)構(gòu)，該平板結(jié)構(gòu)的正面嵌有相互平行的兩條納米諧振腔(3)，所述納米諧振腔(3)平行于所述平板結(jié)構(gòu)的短邊；在所述兩條納米諧振腔(3)與所述平板結(jié)構(gòu)的末端之間的背面設(shè)置有凸起的基座(12)； 二號微懸臂梁傳感器(2)位于三維直角坐標(biāo)系的XOZ平面上，且基座位于Y軸負(fù)方向，一號微懸臂梁傳感器(I)位于三維直角坐標(biāo)系的YOZ平面上，且一號微懸臂梁傳感器(I)的基座位于X軸負(fù)方向，所述一號微懸臂梁傳感器(I)位于二號微懸臂梁傳感器(2)兩條短邊的中心連線上，且一號微懸臂梁傳感器(I) 一個側(cè)面與二號微懸臂梁傳感器(2)首端側(cè)面位于同一平面內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種二維納米尺度光子晶體力傳感器，其特征在于，納米諧振腔(3)的形狀為帶狀。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種二維納米尺度光子晶體力傳感器，其特征在于，一號微懸臂梁傳感器(I)上的兩條納米諧振腔(3)的長度與所述一號微懸臂梁傳感器(I)的寬度相等。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種二維納米尺度光子晶體力傳感器，其特征在于，所述納米諧振腔(3)為二維光子晶體。
【文檔編號】G01L1/24GK103837274SQ201410074823
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2014年3月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月3日
【發(fā)明者】李隆球, 張廣玉, 李天龍, 紀(jì)鳳同 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)