本實(shí)用新型涉及一種傳感器裝置，尤其是探頭尺寸小于1微米的光學(xué)壓力傳感器裝置。

背景技術(shù)：

壓力傳感器是一種可以把壓力或壓強(qiáng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)或光信號(hào)等其他可讀取信號(hào)的裝置。壓力傳感器在日常生活中、化學(xué)工程、生物工程、醫(yī)學(xué)和科學(xué)研究等領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用(參見(jiàn)Y.C.Chao，W.J.Lai，C.Y.Chen，H.F.Meng，H.W.Zan，and S.-F.Horng，“Low voltage active pressure sensor based on polymer space-change-limited transisitor，”Applied Physics Letters95(25)，253306(2009))。目前，壓力傳感器主要是兩類(lèi)：電學(xué)壓力傳感器和光學(xué)壓力傳感器。

電學(xué)壓力傳感器主要有兩種結(jié)構(gòu)：電容型和壓電陶瓷型。電學(xué)傳感器的主要缺點(diǎn)是易受到外界電磁環(huán)境的影響?，F(xiàn)代社會(huì)生活中電器的大量使用導(dǎo)致電學(xué)傳感器處于復(fù)雜的電磁環(huán)境中，對(duì)電學(xué)壓力傳感器的干擾也與日俱增。因此目前有很多研究組在研究光學(xué)壓力傳感器。

光學(xué)壓力傳感器的最大優(yōu)點(diǎn)是抗電磁干擾能力強(qiáng)(參見(jiàn)C.T.Peng，J.C.Lin，C.T.Lin，and K.N.Chiang，“Performance and package effect of a novel piezoresisitive pressure sensor fabricated by front-side etching technology，”Sens.Actuators A Phys.119(1)，28-37(2005))。因此可以大大簡(jiǎn)化壓力傳感器的電磁屏蔽設(shè)施。隨著光學(xué)傳感器技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)壓力傳感器已經(jīng)向著體積小、靈敏度高的方向發(fā)展。當(dāng)前比較成熟的光學(xué)壓力傳感器主要可以分成三類(lèi)：光纖型(參見(jiàn)Wa Jin，Haifeng Xuan，Chao Wang，Wei Jin，and Yiping Wang，“Robust microfiber photonic microcells for sensor and device applications”，Optics express 22(23)，28132(2014))、MZ干涉儀型(參見(jiàn)B.J.Luff，J.S.Wilkinson，J.Piehler，U.Hollenbach，J.Ingenhoff，and N.Fabricius，“Integrated optical Mach-Zehnder biosensor，”J.Lightwave Technol.16(4)，583-592(1998))和FP干涉儀型(參見(jiàn)D.Donlagic and E.Cibula，“All-fiber high-sensitivity pressure sensor with SiO₂diaphragm，”O(jiān)ptics Letters 30(16)，2071-2073(2005))。這三類(lèi)光學(xué)壓力傳感器都是由光纖構(gòu)成的，主要優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)是不易集成，很難使用當(dāng)前的集成電路工藝進(jìn)行大規(guī)模制作。近來(lái)，一種新型的SiO₂光波導(dǎo)光學(xué)壓力傳感器被提出(參見(jiàn)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-mechanical pressure sensor via ring resonator”，Optics Express 20(8)，8535(2012))。這種傳感器采用硅基底的膜片上刻蝕SiO₂環(huán)型波導(dǎo)，利用環(huán)形波導(dǎo)的共振波長(zhǎng)進(jìn)行壓力探測(cè)。這種新型光學(xué)壓力傳感器的靈敏度還不是太高，但是可以采用成熟的集成電路工藝進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。這種光波導(dǎo)壓力傳感器的主要缺點(diǎn)是面積較大，一般環(huán)形波導(dǎo)的半徑在100μm左右，如果增加靈敏度就需要增大波導(dǎo)尺寸。

2015年，一種全新的基于表面等離激元的光學(xué)壓力傳感器被提出(參見(jiàn)Jing Wu，PeiLin Lang，Xi Chen and Ru Zhang，A Novel Optical Pressure Sensor Based on Surface Plasmon Polaritons Resonator，Journal of Modern Optics，63(3)，219-223(2016))。表面等離激元是光入射在金屬和介質(zhì)表面形成的一種電磁場(chǎng)與金屬內(nèi)部電子相互耦合的電磁波。表面等離激元的主要特點(diǎn)是波長(zhǎng)短、能量高度局域化、可以突破光學(xué)衍射極限。這種光學(xué)壓力傳感器采用“工”字型表面等離激元共振腔作為探測(cè)元件。主要原理為：外界壓力作用在“工”字型表面等離激元共振腔的上表面，由于壓力的作用，導(dǎo)致“工”字型共振腔發(fā)生形變，而共振腔的形變將導(dǎo)致共振腔的共振波長(zhǎng)變化。因此，通過(guò)測(cè)量共振波長(zhǎng)的變化就可以測(cè)量施加在“工”字型共振腔上的壓強(qiáng)。這種光學(xué)壓力傳感器由于采用表面等離激元共振腔，因此可以將傳感器的尺寸做到1μm以下，而靈敏度與FP干涉儀型的光學(xué)壓力傳感器差不多。而且，表面等離激元共振腔可以采用目前的集成電路的生產(chǎn)工藝進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。可以說(shuō)，這種基于表面等離激元的光學(xué)壓力傳感器具備了當(dāng)前各種其他類(lèi)型的光學(xué)壓力傳感器的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)器件的微型化。但是，“工”字型表面等離激元共振腔的結(jié)構(gòu)決定了其靈敏度很難進(jìn)一步提高。如果需要更高靈敏度的納米光學(xué)壓力傳感器還需要對(duì)共振腔的結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有的基于表面等離激元“工”字型共振腔的納米光學(xué)壓力傳感器在靈敏度方面的不足，本實(shí)用新型提供一種新型的基于表面等離激元共振腔的納米光學(xué)壓力傳感器。該納米光學(xué)壓力傳感器不但具有基于表面等離激元“工”字型共振腔的納米光學(xué)壓力傳感器的所有優(yōu)點(diǎn)，還提高了傳感器的靈敏度。

本實(shí)用新型解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：采用“∏”字型表面等離激元共振腔與表面等離激元波導(dǎo)相互耦合。當(dāng)入射光激發(fā)表面等離激元在表面等離激元波導(dǎo)中傳播時(shí)，如果入射光波長(zhǎng)與“∏”字型表面等離激元共振腔的共振波長(zhǎng)匹配，則會(huì)在共振腔中產(chǎn)生共振，使得表面等離激元波導(dǎo)中的能量被耦合到共振腔中，從而在表面等離激元波導(dǎo)的出射口會(huì)檢測(cè)到光強(qiáng)的衰減?！啊恰弊中捅砻娴入x激元共振腔是由金屬內(nèi)中空的一條橫槽和兩條豎槽構(gòu)成，橫槽的方向與金屬的表面平行而且橫槽的槽壁到金屬表面的距離很短，兩條豎槽分別與橫槽直接相連且均在遠(yuǎn)離金屬表面的一側(cè)。在外加壓力下，“∏”字型表面等離激元共振腔的橫槽靠近金屬表面的槽壁會(huì)發(fā)生彈性形變，從而導(dǎo)致共振腔的共振波長(zhǎng)發(fā)生變化，因此測(cè)量光強(qiáng)衰減對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)就可以測(cè)量出施加在共振腔上表面的壓強(qiáng)。由于“∏”字型表面等離激元共振腔對(duì)形變更加敏感，因此得到比“工”字型共振腔更高的靈敏度。而且，由于“∏”字型表面等離激元共振腔可以采用與“工”字型表面等離激元共振腔相同的工藝制作，因此可以保留基于“工”字型表面等離激元共振腔的納米光學(xué)壓力傳感器的所有優(yōu)點(diǎn)。

為了與“∏”字型表面等離激元共振腔耦合，本實(shí)用新型采用的表面等離激元波導(dǎo)是由金屬和電介質(zhì)構(gòu)成的直波導(dǎo)，波導(dǎo)與“∏”字型表面等離激元共振腔的豎槽相互耦合。波導(dǎo)的數(shù)目可以依據(jù)測(cè)量裝置的特點(diǎn)選擇。既可以采用一條波導(dǎo)與“∏”字型表面等離激元共振腔耦合，也可以采用多條波導(dǎo)分別與共振腔耦合。

本實(shí)用新型的有益效果是，可以保留現(xiàn)有的基于表面等離激元“工”字型共振腔的納米光學(xué)壓力傳感器的優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，提高壓力傳感器的靈敏度。

附圖說(shuō)明

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步說(shuō)明。

圖1是本實(shí)用新型的共振腔結(jié)構(gòu)原理圖。

圖2是第一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)原理圖。

圖3是第一個(gè)實(shí)施例的光路原理圖。

圖4是第一個(gè)實(shí)施例的透射光譜圖。

圖5是第二個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)原理圖。

圖中1.金屬腔壁，2.“∏”字型表面等離激元共振腔，3.表面等離激元波導(dǎo)，4.納米光學(xué)壓力傳感器，5.可調(diào)激光器，6.光纖，7.光纖光譜儀。

具體實(shí)施方式

在圖1中，在金屬表面下利用離子束刻蝕的方法制備一個(gè)“∏”字型空腔作為表面等離激元共振腔?！啊恰弊中捅砻娴入x激元共振腔的上橫槽與金屬1的上表面平行且相距很近。當(dāng)有外加壓力，或外界的壓強(qiáng)發(fā)生改變時(shí)，由于共振腔上面的金屬層厚度有限，在壓力的作用下會(huì)向下彎曲，從而改變了“∏”字型表面等離激元共振腔的共振波長(zhǎng)。我們只需要測(cè)量出“∏”字型表面等離激元共振腔的共振波長(zhǎng)的改變量，就可以測(cè)量出加在共振腔上的壓強(qiáng)的大小。

在圖2所示的實(shí)施例中，納米光學(xué)壓力傳感器4是由“∏”字型表面等離激元共振腔2和表面等離激元波導(dǎo)3采用側(cè)邊耦合的方式構(gòu)成的。在“∏”字型表面等離激元共振腔2的下面用離子束刻蝕的方法或利用薄膜分層生長(zhǎng)的方法制備一表面等離激元直波導(dǎo)結(jié)構(gòu)3。波導(dǎo)3的一側(cè)與“∏”字型表面等離激元共振腔2的兩個(gè)腳相互耦合。當(dāng)有激光入射到波導(dǎo)3的入射端口時(shí)，就會(huì)在波導(dǎo)內(nèi)激發(fā)表面等離激元，表面等離激元沿波導(dǎo)3傳播。如果入射光的波長(zhǎng)與“∏”字型表面等離激元共振腔2的共振波長(zhǎng)相同，則表面等離激元會(huì)被耦合到“∏”字型表面等離激元共振腔2中，從而導(dǎo)致波導(dǎo)3中表面等離激元的能量降低，這樣就會(huì)在波導(dǎo)的出射端口檢測(cè)到光強(qiáng)的衰減。由于“∏”字型表面等離激元共振腔2的共振波長(zhǎng)與外加壓強(qiáng)成正比，因此測(cè)量光強(qiáng)最小值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)就可以測(cè)量出外加的壓強(qiáng)。

在圖3所示的實(shí)施例光路原理圖中，可調(diào)激光器5發(fā)射波長(zhǎng)連續(xù)變化的激光，激光通過(guò)光纖6耦合到納米光學(xué)壓力傳感器4的波導(dǎo)入射端口，激發(fā)表面等離激元。表面等離激元通過(guò)納米光學(xué)壓力傳感器4后，由波導(dǎo)的出射端口耦合到光纖6中，傳輸?shù)焦饫w光譜儀7中測(cè)量透射譜。測(cè)量后得到的透射譜如圖4所示。當(dāng)沒(méi)有外加壓力時(shí)，共振腔不形變，透射譜由圖中實(shí)線(xiàn)表示。在波長(zhǎng)從600nm到1600nm的波段內(nèi)有兩個(gè)共振波長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)于透射譜中的兩個(gè)吸收谷。一個(gè)吸收谷對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為790nm，另一個(gè)吸收谷對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為1425nm。當(dāng)外加一定壓力使共振腔的形變量達(dá)到10nm時(shí)的透射譜由圖中虛線(xiàn)表示。顯然，兩個(gè)吸收谷的位置都發(fā)生改變，其中波長(zhǎng)短的吸收谷的對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)移動(dòng)到800nm，而波長(zhǎng)較長(zhǎng)的吸收谷對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)移動(dòng)到了1505nm。相當(dāng)于每形變量為1nm時(shí)，共振波長(zhǎng)移動(dòng)8nm。靈敏度是基于“工”字型表面等離激元共振腔的納米壓力傳感器的4倍。

在圖5所示的實(shí)施例中，納米光學(xué)壓力傳感器4是由“∏”字型表面等離激元共振腔2和表面等離激元入射波導(dǎo)3以及出射波導(dǎo)3采用直接耦合的方式構(gòu)成的。這樣，當(dāng)將此納米光學(xué)壓力傳感器連入圖3所示的測(cè)量光路中時(shí)，光纖光譜儀7會(huì)測(cè)量到兩個(gè)透射峰，每個(gè)透射峰對(duì)應(yīng)“∏”字型表面等離激元共振腔2的一個(gè)共振波長(zhǎng)。當(dāng)有外加壓力時(shí)，透射峰的位置也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的移動(dòng)，從而可以測(cè)量出外加的壓力。

可以理解的是，以上實(shí)施例只是為了說(shuō)明本實(shí)用新型的有益效果而采取的實(shí)施方式。表面等離激元共振腔與表面等離激元波導(dǎo)有多種耦合方式，表面等離激元共振腔也可以采用多種材料和制備工藝。所有利用“∏”字型表面等離激元共振腔的測(cè)量壓力的各種實(shí)施結(jié)構(gòu)和應(yīng)用均被視為本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。