專利名稱：氣體折射率傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氣體傳感器，特別涉及一種氣體折射率傳感器。
背景技術(shù)：
氣體的折射率可以直接反映和衡量氣體的壓力、密度、組成以及溫度， 因此精確的測(cè)量氣體的折射率可以觀測(cè)氣體的上述指標(biāo)?，F(xiàn)有技術(shù)中通常采 用的氣體折射率傳感器通過光纖腔干涉的方法測(cè)量氣體折射率。但是這種氣 體傳感器體積比較大，不適合于氣體的樣本非常少的測(cè)量條件，并且也不適 合于與其他光學(xué)設(shè)備的集成。
光子晶體是一種人造的介電系數(shù)周期性變化(光波長尺度)的介質(zhì)結(jié)構(gòu)。 與晶體中電子受周期勢(shì)場的作用而形成電子能帶相類似，在這種周期介質(zhì)結(jié) 構(gòu)中允許傳播的光子能量呈帶狀分布，即形成所謂的光子能帶，故稱為光子 晶體。光子晶體能禁止處于光子帶隙頻域內(nèi)的光傳播，即禁帶效應(yīng)，因此在 光子晶體中引進(jìn)缺陷形成帶隙限制的"光子局域"，具有帶隙限制導(dǎo)波和微 腔諧振的獨(dú)特功能，會(huì)影響(或改變)光子晶體中原子和分子的發(fā)光過程及 光的傳播特性。光子晶體的這些特點(diǎn)為設(shè)計(jì)微型折射率敏感的傳感器件提供 了新的平臺(tái)。近幾年，基于光子晶體設(shè)計(jì)的微型折射率敏感的傳感器相繼問
世。由于這種傳感器有較高的微腔諧振品質(zhì)因素和很小的傳感面積(每10 jam、平方微米)的傳感面積只要求被測(cè)量的樣本為lfL (10"5升))，因此， 該種傳感器對(duì)用很少的樣本實(shí)現(xiàn)較高的折射率分辨率測(cè)量非常有效。
E.Chow等人提出一種基于二維光子晶體微腔結(jié)構(gòu)的折射率傳感器。請(qǐng) 參見圖1，該光子晶體模塊100為一三角型光子晶體，其包括一基體102、 設(shè)置于該基體上的氣孔104、第一波導(dǎo)108和第二波導(dǎo)110。其中，基體102 中心位置的氣孔106直徑小于其它氣孔104的直徑，形成一微腔結(jié)構(gòu)，第一 波導(dǎo)108和第二波導(dǎo)110突出于該基體102形成一"申"字型光子晶體模塊。 這種光子晶體結(jié)構(gòu)可以探測(cè)到折射率的變化為0.002，折射率的測(cè)量范圍可 以達(dá)到1.0-1.5。但是，光能在上述光子晶體結(jié)構(gòu)中的透過率很低，而且這種
4折射率傳感器的靈敏度不夠高(大概為150納米/單位折射率)。(請(qǐng)參見 "ultracopact biochemical sensor built with two-dimensional photonic crystal microcavity" , E.Chow, Optic Letters， Vol29, P1093 (2004))。
因此，有必要提供一種氣體折射率傳感器，其具有高的靈敏度和分辨率， 可測(cè)量微量氣體樣本的折射率。

發(fā)明內(nèi)容
一種氣體折射率傳感器，包括一光子晶體模塊、光源和探測(cè)器，光源與 探測(cè)器分別設(shè)置于光子晶體模塊的兩端，其中，該光子晶體模塊包括一基體， 該基體為一長方體結(jié)構(gòu)，包括第一平面及與第一平面相對(duì)的第二平面，該基 體上有垂直貫穿于第一平面和第二平面大量的氣孔，該氣孔構(gòu)成一三角型光 子晶體模塊，其中位于該基體中心位置的氣孔的直徑小于其它氣孔的直徑形 成一諧振腔，該諧振腔相對(duì)的兩側(cè)具有線缺陷，該線缺陷分別構(gòu)成第一波導(dǎo) 與第二波導(dǎo)，該第一波導(dǎo)與第二波導(dǎo)與該諧振腔之間具有數(shù)個(gè)孔，所述光源 設(shè)置于該第 一波導(dǎo)之入射端，所述感測(cè)器設(shè)置于該第二波導(dǎo)之出射端。
本技術(shù)方案實(shí)施例所提供的氣體折射率傳感器是基于光子晶體的一種 折射率傳感結(jié)構(gòu)，該光子晶體的結(jié)構(gòu)通過優(yōu)化計(jì)算后設(shè)計(jì)而成，透光率較高， 而且這種氣體折射率傳感器具有較高的靈敏度和分辨率，可測(cè)量微量氣體樣 本的折射率。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)折射率傳感器中光子晶體的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2是本技術(shù)方案實(shí)施例氣體折射率傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是圖2沿iii-m線的剖面示意圖。
圖4是本技術(shù)方案實(shí)施例中不同折射率的待測(cè)氣體的諧振光譜示意圖。
具體實(shí)施例方式
以下將結(jié)合附圖詳細(xì)說明本實(shí)施例氣體折射率傳感器100的結(jié)構(gòu)。 請(qǐng)參閱圖2和圖3,本實(shí)施例氣體折射率傳感器100主要包括一光子晶 體才莫塊200、光源300和#果測(cè)器400。所述光子晶體模塊200包括一基體202。該基體202為一長方體結(jié)構(gòu)， 包括第一平面204及與第一平面204相對(duì)的第二平面206,其中，第一平面 204上較長的邊為第一邊218,與其相對(duì)的邊為第二邊220。該基體202上設(shè) 置有垂直貫穿于第一平面204和第二平面206大量的圓柱形氣孔208，該氣 孔208構(gòu)成一三角型光子晶體模塊200，即氣孔208與晶格的格點(diǎn)對(duì)應(yīng)設(shè)置。 該三角型光子晶體模塊200的晶格常數(shù)為a，即相鄰兩個(gè)氣孔208的中心距 離為a，其中位于該基體202中心位置的氣孔210的直徑小于其它氣孔208 的直徑形成一諧振腔。該諧振腔的兩側(cè)靠近第一邊208與第二邊210的位置 分別設(shè)置有線缺陷，該線缺陷由未設(shè)置氣孔的部分基體202構(gòu)成，該線缺陷 分別構(gòu)成第一波導(dǎo)212與第二波導(dǎo)214，該第一波導(dǎo)212與第二波導(dǎo)214與 該諧振腔之間具有數(shù)個(gè)氣孔208。本實(shí)施例中，第一波導(dǎo)212與第二波導(dǎo)214 分別與諧振腔相隔三個(gè)氣孔208。
所述圓柱形氣孔208可以采用電子束微影或反應(yīng)性離子束蝕刻形成。氣
孔208排列17行，依次記為第1、 2、 3.....17行，每行具有m個(gè)氣孔208，
依次記為第1、 2、 3.....m個(gè)氣孔208,每4亍氣孔208的中心連線相互平
行，且平行于第一邊218和第二邊220，且相鄰兩行氣孔208的中心連線的
間距均為^a，每相鄰的兩行氣孔208之間交錯(cuò)排列，從而所有的氣孔208 2
構(gòu)成三角形排列。在未設(shè)置波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的行內(nèi)，即第6行至第12行內(nèi)，氣孔 208的個(gè)數(shù)為17個(gè)，由于第一波導(dǎo)212與第二波導(dǎo)214是由未設(shè)置氣孔208 的部分基體202組成，即第一波導(dǎo)212與第二波導(dǎo)214為光子晶體模塊200 上的兩個(gè)線缺陷，因此設(shè)置有波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的行內(nèi)，即第1行至第5行和第13 行至第17行中，氣孔208的個(gè)數(shù)為16個(gè)。
諧振腔、第一波導(dǎo)212、第二波導(dǎo)214、位于諧振腔和第一波導(dǎo)212之 間的氣孔208及位于諧振腔和第二波導(dǎo)214之間的氣孔208形成一導(dǎo)光通道 216,該導(dǎo)光通道216與每一行氣孔208的中心連線成60度夾角。
所述晶格常數(shù)a的范圍為260-670納米，本實(shí)施例中晶格常數(shù)a優(yōu)選為 520納米。
所述基體202的材料選自折射率為2.7-3.4的半導(dǎo)體材料，可以為硅、 砷化鎵或砷鋁化鎵等，本實(shí)施例中基體202的材料優(yōu)選為折射率為3.32的砷鋁化鎵。該基體202的第一平面204和第二平面202之間的厚度為0.5a-0.6a， 本實(shí)施例中該厚度優(yōu)選為0.6a。
所述氣孔208的直徑為0.72a,第9行的第9個(gè)氣孔210的直徑小于其 它氣孔208的直徑，形成一諧振腔，該諧振腔的直徑為0.60a。
所述光源300設(shè)置于光子晶體模塊200上靠近第一邊218的一端，光源 300對(duì)應(yīng)第一波導(dǎo)212設(shè)置，光源300的具體位置無限制，只需確保其發(fā)射 出的激光可直接進(jìn)入第一波導(dǎo)212。光源300為一激光光源，其所發(fā)射的激 光為一脈沖光，波長的值在800-1600納米之間。
所述探測(cè)器400設(shè)置于光子晶體模塊200靠近第二邊220的一端，與第 二波導(dǎo)214對(duì)應(yīng)設(shè)置，其具體位置不限，只需確保第二波導(dǎo)214導(dǎo)出激光后 直接進(jìn)入其內(nèi)分析。本實(shí)施例中，探測(cè)器優(yōu)選為光譜分析儀。
使用時(shí)，將光子晶體模塊200置于待測(cè)氣體的氛圍中，使光子晶體模塊 200的氣孔208和諧振腔內(nèi)充滿待測(cè)氣體后，開啟光源300。光源300發(fā)出 的脈沖激光，該激光由第一波導(dǎo)212導(dǎo)入光子晶體模塊200，激光在導(dǎo)光通 導(dǎo)216內(nèi)傳播，經(jīng)過三個(gè)氣孔208、諧振腔和另三個(gè)氣孔208,由第二波導(dǎo) 214導(dǎo)出該光子晶體模塊200，進(jìn)入探測(cè)器400。激光在光子晶體模塊200 中傳播時(shí)，當(dāng)氣孔208中充滿折射率為1的氣體時(shí)'，探測(cè)器所探測(cè)到的諧振 峰的波長為入o,在其他條件不變的情況下，當(dāng)氣孔208中充滿折射率為n的 待測(cè)氣體時(shí)，光譜分析儀可檢測(cè)出諧振峰的波長為入，入與待測(cè)氣體的折射 率n的值所成的函數(shù)關(guān)系為<formula>formula see original document page 7</formula>
其中入o為已知數(shù)值，入由光譜分析儀檢測(cè)出來，因此可求出待測(cè)氣體的折射 率。
請(qǐng)參閱圖4,本實(shí)施例光源300所發(fā)出的光束的波長范圍為1549.5納米
長入，當(dāng)折射率發(fā)生變化時(shí)，波長入的值發(fā)生變化，不同的折射率對(duì)應(yīng)不同 的波長。
本技術(shù)方案所提供的光子晶體模塊200由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使其具有較高 的透光率，可以達(dá)到67%，因此光譜分析儀所檢測(cè)到的光的強(qiáng)度較高，故氣體折射率傳感器具有高的靈敏度和分辨率，本技術(shù)方案所提供的氣體折射率
傳感器的靈敏度可以達(dá)到443納米/單位折射率，分辨率可以達(dá)到0.0001。
另外，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可在本發(fā)明精神內(nèi)作其它變化，當(dāng)然這些依據(jù) 本發(fā)明精神所作的變化，都應(yīng)包含在本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1. 一種氣體折射率傳感器，包括一光子晶體模塊，該光子晶體模塊進(jìn)一步包括一基體，該基體包括第一平面及與第一平面相對(duì)的第二平面；大量氣孔，該氣孔設(shè)置于上述基體上，垂直貫穿于第一平面和第二平面；一諧振腔，該諧振腔為位于基體中心位置的氣孔，其直徑小于其它氣孔的直徑；一第一波導(dǎo)與一第二波導(dǎo)，該第一波導(dǎo)與第二波導(dǎo)設(shè)置于上述諧振腔的兩端，分別與上述諧振腔之間相隔多個(gè)氣孔；一光源，該光源設(shè)置于晶體模塊的一端，對(duì)應(yīng)第一波導(dǎo)設(shè)置；一探測(cè)器，該探測(cè)器設(shè)置于晶體模塊的另一端，對(duì)應(yīng)第二波導(dǎo)設(shè)置； 其特征在于，所述第一波導(dǎo)與第二波導(dǎo)為該光子晶體模塊上的兩個(gè)線缺陷，由未設(shè)置氣孔的部分基體構(gòu)成。
2. 如權(quán)利要求l所述的氣體折射率傳感器 為一三角型晶體結(jié)構(gòu)。
3. 如權(quán)利要求2所述的氣體折射率傳感器 點(diǎn)設(shè)置。
4. 如權(quán)利要求2所述的氣體折射率傳感器 的晶格常數(shù)a為260納米-670納米。
5. 如權(quán)利要求4所述的氣體折射率傳感器 0.72 a。
6. 如權(quán)利要求4所述的氣體折射率傳感器 為0.60a。
7. 如權(quán)利要求4所述的氣體折射率傳感器 與第二平面之間的厚度為0.5a-0.6a。
8. 如權(quán)利要求1所述的氣體折射率傳感器，其特征在于，所述的基體材料為硅、 砷化鎵或砷鋁化鎵。
9. 如權(quán)利要求1所述的氣體折射率傳感器，其特征在于，所述基體為一長方體。
10.,其特征在于，所述的光子晶體模塊 ,其特征在于，所述氣孔對(duì)應(yīng)晶體格 ，其特征在于，所述的光子晶體模塊 ,其特征在于，所述的氣孔的直徑為 ，其特征在于，所述的諧振腔的直徑 ,其特征在于，所述基體的第一平面10. 如權(quán)利要求1所述的氣體折射率傳感器，其特征在于，所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)與諧振腔之間間隔3個(gè)氣孔。
11. 如權(quán)利要求4所述的氣體折射率傳感器，其特征在于，所述基體上氣孔設(shè)置為17行，相鄰兩行的氣孔交錯(cuò)設(shè)置，相鄰兩行氣孔的中心連線相互平行且間距為^a，第1至5行氣孔的個(gè)數(shù)為16個(gè)，第6-12行氣孔的個(gè)數(shù)為17 2個(gè)，第13-17行氣孔的個(gè)數(shù)為16個(gè)。
12. 如權(quán)利要求11所述的氣體折射率傳感器，其特征在于，所述諧振腔、第一 波導(dǎo)、第二波導(dǎo)、諧振腔與第一波導(dǎo)之間的氣孔以及諧振腔與第二波導(dǎo)之間 的氣孔構(gòu)成一導(dǎo)光通道，該導(dǎo)光通道與每一行氣孔的中心連線形成60度夾 角。
13. 如權(quán)利要求1所述的氣體折射率傳感器，其特征在于，所述光源為一激光光 源。
14. 如權(quán)利要求1所述的氣體折射率傳感器，其特征在于，所述探測(cè)器為一光譜 分析儀。
全文摘要
一種氣體折射率傳感器，包括一光子晶體模塊、光源和探測(cè)器，光源與探測(cè)器分別設(shè)置于光子晶體模塊的兩端，該光子晶體模塊包括一基體，該基體包括第一平面及與第一平面相對(duì)的第二平面，該基體上有垂直貫穿于第一平面和第二平面大量的氣孔，該氣孔構(gòu)成一三角型光子晶體模塊，其中位于該基體中心位置的氣孔的直徑小于其它氣孔的直徑形成一諧振腔，其中，該諧振腔相對(duì)的兩側(cè)為由未設(shè)置氣孔的基體構(gòu)成的線缺陷，該線缺陷分別為第一波導(dǎo)與第二波導(dǎo)，該第一波導(dǎo)與第二波導(dǎo)分別與該諧振腔之間相隔數(shù)個(gè)孔。
文檔編號(hào)G01N21/41GK101430277SQ20071012428
公開日2009年5月13日 申請(qǐng)日期2007年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月7日
發(fā)明者鈞 朱, 王曉玲, 金國藩 申請(qǐng)人:清華大學(xué);鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司