使用耦合結(jié)構(gòu)的感測系統(tǒng)和方法
【專利說明】
【背景技術(shù)】
[0001]在感測系統(tǒng)中利用傳感器來檢測諸如光、溫度、運動等的現(xiàn)象、性質(zhì)和特征。一個類型的傳感器是流體(液體或/和氣體)傳感器，其可操作用于感測流體。由傳感器對流體的某些特定性質(zhì)執(zhí)行測量，并且然后使用這些測量結(jié)果來確定流體本身的類型或確定流體的另一性質(zhì)。
[0002]常見傳感器是被用于測量流體的吸收傳感器，并且典型配置是直波導(dǎo)(WG)。該直波導(dǎo)配置使用光通過的直脊?fàn)钗?肋)。該脊?fàn)钗锱c樣品接觸。波導(dǎo)的輸出端口提供光的離開，并且輸出信號在波導(dǎo)中的光與在頂部的流體相互作用時改變。可以測量這些變化并使其與流體相關(guān)。
[0003]然而，此類波導(dǎo)是相對不靈敏的，并且要求非常長的長度以便充分地識別改變的流體。替換地，為了增加靈敏度，一般地需要多個波導(dǎo)并將其形成為網(wǎng)狀物。此網(wǎng)狀物結(jié)構(gòu)是脆弱的，并且因此易被損壞。需要改進(jìn)的傳感器。
【附圖說明】
[0004]圖1是具有耦合結(jié)構(gòu)的傳感器系統(tǒng)的圖。
[0005]圖2A是圖示出具有波導(dǎo)和耦合結(jié)構(gòu)的傳感器的一個可能配置的側(cè)視圖的圖。
[0006]圖2B是圖示出具有耦合結(jié)構(gòu)、波導(dǎo)和錐體(taper)的傳感器的頂視圖的圖。
[0007]圖3A是示出了用于耦合結(jié)構(gòu)的示例性錐體輪廓(profile)的圖。
[0008]圖3B是示出了用于耦合結(jié)構(gòu)的示例性曲線錐體輪廓的圖。
[0009]圖4是圖示出在耦合區(qū)域中不具有圖案的基于光子晶體(PhC)的波導(dǎo)的圖。
[0010]圖5是圖示出在耦合區(qū)域中具有采用二維(2D)光子晶體形式的耦合圖案的基于光子晶體的波導(dǎo)的圖。
[0011]圖6是圖示出具有光柵圖案作為耦合器的基于光子晶體的波導(dǎo)的圖。
[0012]圖7是圖示出操作具有耦合結(jié)構(gòu)的傳感器的方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0013]現(xiàn)在將參考附圖來描述本公開，其中自始至終使用相似的參考數(shù)字來指代相似的元件，并且其中，所示結(jié)構(gòu)和設(shè)備不一定按比例繪制。
[0014]下面公開了利用耦合結(jié)構(gòu)來促進(jìn)耦合效率的傳感器系統(tǒng)和方法。傳感器一般地包括電磁輻射的源、相互作用體積和檢測器。該相互作用體積可以采用位于輸入和輸出耦合結(jié)構(gòu)之間的波導(dǎo)的形式，其將來自源的輸入光耦合到波導(dǎo)中，并將來自波導(dǎo)的輸出光耦合到檢測器。傳感器利用光來測量周圍環(huán)境的性質(zhì)，并被用于樣品識別、樣品檢測等。
[0015]波導(dǎo)組成互作用區(qū)域，光通過那里并與樣品(流體)相互作用。光至少部分地根據(jù)接近于波導(dǎo)的條件和/或樣品而衰減。
[0016]圖1是具有耦合結(jié)構(gòu)的傳感器系統(tǒng)100的圖。系統(tǒng)100是以簡化形式提供的以便幫助理解。系統(tǒng)100作為使用具有耦合結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)傳感器的系統(tǒng)的示例而提供?？梢栽谝粋€或多個設(shè)備中形成或使用系統(tǒng)100。
[0017]系統(tǒng)100包括接口 102、傳感器104和控制單元106。接口 102將傳感器104耦合到控制單元106。可以將接口 102配置成提供用于通信的功率和/或信號。
[0018]控制單元106被配置成控制傳感器104并獲得且利用由傳感器104生成的測量結(jié)果。例如，在一個示例中可以將控制單元106配置成基于來自傳感器104的測量結(jié)果或輸出信號而確定液體和液體的組成。
[0019]傳感器104被配置成以相對高的耦合效率測量和/或檢測接近于傳感器結(jié)構(gòu)104的(多個)樣品。可以將傳感器104配置成測量接近于傳感器104的樣品的化學(xué)和/或環(huán)境性質(zhì)?？梢詫悠贩胖没蚨ㄎ怀膳c傳感器104接觸或在104附近。
[0020]傳感器104包括被配置成緩解耦合損耗并促進(jìn)耦合效率的一個或多個耦合結(jié)構(gòu)。該耦合結(jié)構(gòu)允許光從光源進(jìn)入波導(dǎo)并離開波導(dǎo)以便在檢測器處進(jìn)行測量。
[0021]耦合損耗是來自經(jīng)由耦合結(jié)構(gòu)進(jìn)入和/或離開波導(dǎo)的光的衰減和/或損耗。如下面所示，來自光源的光必然需要進(jìn)入和離開波導(dǎo)/互作用區(qū)域。耦合結(jié)構(gòu)組成波導(dǎo)的平板(2D PhC)中的光柵(表面的起皺)或2D孔布置。該耦合結(jié)構(gòu)被配置成將來自光源的光指引到波導(dǎo)中并將來自波導(dǎo)的光指引到檢測器。耦合損耗由于光柵、2D PhC耦合器等而發(fā)生。耦合損耗越高，則需要生成越多的光且檢測器需要越高的靈敏度。
[0022]傳感器104的耦合結(jié)構(gòu)被配置成通過包括并配置成錐形部分及其它性質(zhì)而減輕耦合損耗、增強(qiáng)耦合效率并促進(jìn)傳感器部件的均勻性。其它性質(zhì)中的某些包括組成、材料、晶格結(jié)構(gòu)、表面的起皺等。
[0023]另外，傳感器104的耦合結(jié)構(gòu)被配置成選擇光的波長并用作濾波器?？梢园凑找韵赂黜梺磉x擇波長(i)光柵的周期性，(ii)2D PhC耦合器的周期性和半徑，以及(iii) 2DPhC WG的周期性和半徑及其它性質(zhì)。例如，可以將耦合結(jié)構(gòu)配置成僅傳遞光的紅外波長。
[0024]光源指向被配置成將發(fā)射光引入到互作用區(qū)域中的輸入耦合結(jié)構(gòu)。光檢測器或光電檢測器位于輸出耦合結(jié)構(gòu)周圍，其被配置成將離開的光朝著檢測器指引。
[0025]隨著光通過互作用區(qū)域，光在其特性中的一個或多個方面改變。在一個示例中，發(fā)生光衰減。在另一示例中，可以發(fā)生光譜標(biāo)度上的光強(qiáng)度的最大值的位移。該衰減根據(jù)與互作用區(qū)域接觸或接近于該互作用區(qū)域的樣品而改變。檢測器測量輸出光?？梢詫⒋诵畔⒒驕y量結(jié)果提供給控制單元106以用于分析。測量結(jié)果與樣品相關(guān)并包括例如樣品類型、液體、氣體、溫度等。
[0026]圖2A和2B描述了包括波導(dǎo)和耦合結(jié)構(gòu)的傳感器系統(tǒng)200。該耦合結(jié)構(gòu)被配置成增強(qiáng)耦合效率并提供波長選擇性。
[0027]圖2A是圖示出具有耦合結(jié)構(gòu)的傳感器系統(tǒng)200的側(cè)視圖的圖。利用傳感器系統(tǒng)200來檢測和/或測量接近于傳感器200的流體等。傳感器系統(tǒng)200使用其中光通過且根據(jù)樣品212而被衰減的互作用區(qū)域204。用于每個流體的特性是其吸收系數(shù)，這導(dǎo)致特性衰減。
[0028]傳感器200包括元件201、光源208和光檢測器210。元件201包括輸入耦合結(jié)構(gòu)202、波導(dǎo)互作用區(qū)域204以及輸出親合結(jié)構(gòu)206。光源208發(fā)射電磁場(光)?？梢詫⒐庠?08配置成發(fā)射特定波長的光，諸如紅外線。檢測器210被配置成檢測或測量由光源208發(fā)射的光的在其通過互作用區(qū)域204 (波導(dǎo))之后的波長。樣品212接近于波導(dǎo)/互作用區(qū)域204或與之相接觸地定位。樣品212可以包括液體和/或氣體。
[0029]輸入耦合結(jié)構(gòu)202、互作用區(qū)域204和輸出耦合結(jié)構(gòu)206在薄膜214上形成。耦合結(jié)構(gòu)202和206 ;以及區(qū)域204由適當(dāng)材料構(gòu)成，諸如硅(Si )、硫化鉛(PbS)、砸化鉛(PbSe )、氮化硅(SixNy)，并且具有適當(dāng)?shù)某叽?。在一個示例中，波導(dǎo)區(qū)域204具有2微米的寬度和600納米的高度。還可以選擇或調(diào)整其它特性，包括但不限于用于互作用區(qū)域204的形狀、材料、源和檢測器的位置等。在一個示例中，波導(dǎo)是在其截面/折射率方面具有周期性變化的光子晶體或分段波導(dǎo)或者在其中形成?？梢杂?D圖案化來形成該光子晶體或分段波導(dǎo)。
[0030]一般地，光子晶體是兩個類型的周期性結(jié)構(gòu):材料平板中的氣孔和空氣中的材料棒。對于材料平板中的氣孔而言，將氣孔布置成周期性晶格。對于空氣中的材料棒而言