专利摘要

本实用新型公开了一种基于悬臂梁结构的改进光波导传感器结构，其基于对接波导间的耦合与失准原理，结构包括输入波导、缓冲层、悬臂梁波导和输出波导。其中输入波导进行输入光接收并进行光传输，之后与悬臂梁波导进行耦合，光在悬臂梁波导中进行传输并经过一个间隙由输出波导接收，由输出波导输出最终光功率。结构中在输入波导与悬臂梁波导连接处添加缓冲层，缓冲层沉积于悬臂梁波导上并与输入波导芯层对接，可以有效缓解光在输入波导与悬臂梁波导连接处的耦合突变，减少光在连接处的功率损耗，提高传感器的检测灵敏度，并且具有结构简单，灵敏度高，易集成，稳定性好等优点。

权利要求

1.一种基于悬臂梁结构的改进光波导传感器结构，其特征是，该结构包括：输入波导，缓冲层，悬臂梁波导与输出波导，输入波导接收输入光信号并进行传输，到达缓冲层处，在缓冲层内传输时同时与悬臂梁波导进行耦合，之后光沿着悬臂梁波导进行传输，光到达悬臂梁波导末端后经过一个间隙后被输出波导捕获，最后在输出波导中传输并由输出波导输出最终的光功率，当悬臂梁波导上下表面产生应力差时会导致悬臂梁波导发生末端偏转从而使悬臂梁波导与输出波导间的耦合光功率下降，通过检测输出光功率的变化间接检测悬臂梁波导表面的受力情况。

2.根据权利要求1所述的一种基于悬臂梁结构的改进光波导传感器结构，其特征在于输入波导与输出波导由芯层与包层构成对称波导结构并沉积在衬底材料上，悬臂梁波导材料与输入波导包层材料相同并与输入波导底部包层对接，初始状态为水平悬置，其包层由外界环境决定，用于产生偏转位移信号与光传输，缓冲层材料与输入波导芯层相同并与其对接，沉积于悬臂梁波导上。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于悬臂梁结构的改进光波导传感器结构，其特征在于通过缓冲层结构减缓光在输入波导与悬臂梁波导连接处的耦合方式突变。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于悬臂梁结构的改进光波导传感器结构，其特征在于悬臂梁波导上下表面应力产生差距时会使悬臂梁波导产生偏转位移，不同偏转位移对应不同的输出光功率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于悬臂梁结构的改进光波导传感器结构，其基于对接波导间的耦合与失准原理进行检测，适用于光波导传感及悬臂梁弯曲位移检测领域。

技术背景

悬臂梁传感作为MEMS器件中的常用结构，其起源于原子力显微镜，利用悬臂梁表面受力时上下两个表面之间的应力差导致的悬臂梁弯曲偏转，从而对悬臂梁末端的弯曲偏转位移进行实时监测，不仅继承了MEMS器件的微型化、机械性能好等优点，且具有结构简单，检测灵敏度高，响应速度快等优点。但器件灵敏度作为悬臂梁传感的关键因素受到悬臂梁偏转位移响应读出方法的影响，常见的信号响应读出方式包括光学杠杆法、电容法、压阻法等，其中光学杠杆法灵敏度高，电容法操作简单，但均不易集成，限制了并行检测与应用场景，压阻法可以实现集成，但会降低器件灵敏度。光波导传感技术是一种以光波为信号，光波导作为载体感知外界环境参量变化的传感方式，不易受电磁干扰，稳定性好。悬臂梁光波导传感将悬臂传感技术与光波导技术结合，利用悬臂梁表面偏转响应导致输出光功率变化的原理，实现对悬臂梁的偏转位移的实时检测。这种传感器不仅体积小，灵敏度高，可以实时检测，与其他悬臂传感技术相比具有更好的稳定性与可靠性，易集成，结构设计灵活，可实现多通道检测与批量化生产，在食品、化工、生物医学检测，环境监测等领域受到了广泛关注。在以往的悬臂梁光波导传感结构中，在输入波导与悬臂梁的连接处会造成较大的光功率损失，进而导致传感器的灵敏度下降。本发明中提出了一种改进的悬臂梁光波导传感器结构，通过添加缓冲层结构，即将输入波导延长至悬臂梁波导处，改变输入波导与悬臂梁连接处的光耦合方式，降低光功率在此处的损失，可以实现传感器灵敏度的提高。

发明内容

本发明提出了一种基于悬臂梁结构的改进光波导传感器结构，通过在输入波导与悬臂梁波导连接处添加缓冲层，即将输入波导延长至悬臂梁处，减小光传输过程中的耦合损耗，实现传感器检测灵敏度的提高，且易集成，可实现多通道检测。

本发明的技术方案：

一种基于悬臂梁结构的改进光波导传感器结构

具体结构为：传感器由输入波导，缓冲层，悬臂梁波导，输出波导组成。输入波导与输出波导生长在衬底上，由芯层与包层组成。悬臂梁波导是对称结构，与输入波导的包层连接，初始状态为悬置水平状态。缓冲层则是沉积在悬臂梁波导上并与输入波导对接。悬臂梁波导末端与输出波导间存在一个短的间隙。

器件工作时，由激光器发出的光耦合进入输入波导，经输入波导传输后耦合进入缓冲层与悬臂梁波导中进行传输，此处缓冲层结构通过改变光模的大小与形状，减少光的散射损耗。传输到达悬臂梁波导末端后经过一个间隙被输出波导捕获，在输出波导中传输后输出最终光功率。当悬臂梁波导表面受力，上下表面产生应力差时，悬臂梁波导会产生偏转位移响应并导致与输出波导之间的光功率耦合效率下降，输出光功率减小。通过监测输出光功率的变化实现对悬臂梁末端偏转位移的间接检测，从而可以检测悬臂梁波导表面的受力情况。

所述输入波导用于接收与传输输入光信号。

所述缓冲层用于减缓输入波导与悬臂梁波导连接处的光模变化，减少连接处由耦合模式突变导致的光功率损失，材料与输入波导芯层相同。

所述悬臂梁波导用于受力产生末端弯曲位移信号与传输光信号，芯层材料与输入波导包层材料相同，包层为外界环境介质构成。

所述间隙为悬臂梁波导弯曲时的位移预留间隙。

所述输出波导用于接收与传输悬臂梁波导末端发出的光信号

优选的，本发明所述的器件，采用目前常规的悬臂梁波导工艺制作流程，包括LCVD法(低气压化学气相沉积法)，PCVD法(等离子体增强的化学气相沉积法)，干法与湿法蚀刻等技术。

本发明的有益效果：

本发明中通过检测输出光功率的变化来检测悬臂梁波导的偏转位移，可以实现无需校准、快速、灵敏度高的检测效果。将微纳光波导结构与悬臂梁技术结合，可以进行实时多重检测，且易集成，成本低，稳定性高，易操作，可以实现规模化生产。本发明对悬臂梁光波导传感器结构上进行了改进，即在输入波导与悬臂梁波导连接处添加与输入波导对接的缓冲层结构。在没有缓冲层的传感器结构中，在输入波导与悬臂梁波导连接处光的耦合方式发生了突变，导致较大的光功率损耗。缓冲层结构则是在连接处提供缓冲作用，改变光模的形状，减少由于突变导致的光功率损耗，提高传感器的灵敏度。

附图说明

图1为基于悬臂梁结构的改进光波导传感器结构示意图。

图2为基于悬臂梁结构的改进光波导传感器的侧视图。

图3为光在图1与图2所示的传感结构中光传输电场分布图。

图4为悬臂梁发生弯曲偏转时，光在图1与图2所示传感结构中的传输电场分布图。

图5为提出传感结构的耦合效率、灵敏度与悬臂梁末端偏转的位移关系。

具体实施方式

下面结合附图和实施例来对本发明做进一步描述。

一种基于悬臂梁结构的光波导传感器结构如图1与图2所示，包括输入波导、缓冲层、悬臂梁波导与输出波导。输入波导与输出波导均由氮化硅芯层与氧化硅包层构成且生长在硅衬底上，输入波导用于接收输入光信号与传输光信号，输出波导用于接收与传输悬臂梁波导末端发出的光信号并输出最终光信号。悬臂梁波导与输入波导包层材料相同并连接，保持悬空水平状态，其包层由器件的外部环境介质决定，用于产生偏转位移信号与传输光信号。缓冲层由氮化硅材料构成并且与输入波导芯层对接，沉积于悬臂梁波导上，用于传输光信号，其长度相比悬臂梁波导非常短，通过改变输入波导与悬臂梁波导连接处的光模形状，减少光在输入波导和悬臂梁波导连接处由于突变导致的光功率损耗。悬臂梁波导与输出波导间存在微小间隙，为悬臂梁弯曲时的位移预留间隙。

本发明一种基于悬臂梁结构的改进光波导传感器结构的基本机理如下，器件的耦合效率定义为输入光功率与输出光功率之比，灵敏度则定义为器件耦合效率与悬臂梁波导产生的偏转位移的导数。传感器工作时，激光器发出的光由输入波导进入，经输入波导后到达缓冲层，在缓冲层中传输的同时与悬臂梁波导耦合，然后进入悬臂梁波导进行传输。光到达悬臂梁波导末端后经过间隙，被输出波导捕获，在输出波导中传输后得到最终的输出光功率，图3中显示了该种结构中的光传输电场分布。在未添加缓冲层的结构中，光到达输入波导与悬臂梁波导的连接处时经历耦合方式突变，散射至外部环境中的光功率增，进而导致传感器检测灵敏度的下降。添加缓冲层结构后改变光模在连接处的尺寸与形状，减少辐射耦合模式的转变，从而减少此处的光功率损耗，进而提升检测灵敏度。图4中显示当悬臂梁波导受表面应力产生弯曲偏转位移时的光传输电场分布。当悬臂梁波导上下两个表面产生应力差时，悬臂梁波导会产生弯曲偏转，由于悬臂梁波导末端位置发生变化，耦合至输出波导的光功率发生变化。悬臂梁波导表面受力不同时末端偏转位移不同，输出光功率也不同。可以通过检测输出光功率得知悬臂梁表面的受力情况，进而转化为想要得知的检测参量变化。

图5中显示的为器件的耦合效率与灵敏度与悬臂梁波导末端偏转之间的关系曲线，结果表明输入波导与悬臂梁波导完全重合的位置不是器件最大灵敏度的位置，而在悬臂梁轻微偏转的位置处，光功率变化最大，并且可以看到在偏转位移在一定范围内时器件可以实现较高的耦合效率与灵敏度，这可以满足该器件在应用过程中的检测需求。

本发明的一种基于悬臂梁结构的改进光波导传感器结构的制作工艺流程为：

(1)硅基片表面热生长SiO2作为输入与输出波导的下层包层，LPCD技术(低气压化学气相沉积法)生长Si3N4，制作输入波导与输出波导的芯层；

(2)在Si3N4层，使用干法刻蚀方法输入和输出光波导结构；

(3)使用PCVD技术(等离子体增强的化学气相沉积法)在步骤(2)后的器件上表面沉积SiO2，制作输入波导与输出波导的上层包层；

(4)干法与湿法刻蚀对输入波导与输出波导之间的保护层SiO2进行刻蚀，去掉悬臂梁波导区域的表面SiO2层；

(5)利用磷酸去掉预留薄膜，直到步骤(1)中的热SiO2层；

(6)在上表面使用干法刻蚀定义悬臂梁的形状；

(7)使用干法与湿法刻蚀去掉悬臂梁下面的硅，保持悬臂梁的悬空状态；

(8)最后使用干法刻蚀修饰器件的微小部位，形成最终得光波导悬臂梁器件。

上述具体实施方式仅用于说明本发明，并非穷举，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均属于本发明权利要求保护的范围。

一种基于悬臂梁结构的改进光波导传感器结构专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。