CN1858577A - 二维光子晶体湿度传感器及其实现方法和制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种二维光子晶体湿度传感器及其实现方法和制备方法，属于传感器技术领域。该二维光子晶体包括一周期晶格的光子晶体，该晶体为一刻蚀有周期性分布空气孔的一层对水分子具有吸附效应的有机薄膜，在空气孔中设有疏水的高折射率介电圆柱，介电圆柱的半径为0.37倍的光子晶体晶格常数。如选择入射激光波长位于光子晶体的光子带隙的长波(或者短波)带边，利用亲水的有机高分子聚合物对水分子的吸附效应，通过测量入射激光透过率的变化，就能够探测环境相对湿度的变化情况。本发明二维光子晶体湿度传感器制备简单，实现和测量方便，不受电磁干扰和空气中水蒸汽的腐蚀，易于集成。

Description

二维光子晶体湿度传感器及其实现方法和制备方法

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种基于二维平面薄膜光子晶体的湿度传感器及其实现方法。

背景技术

光子晶体又称光子带隙材料，是由两种或者多种介电材料所构成的、介电常数在空间周期性变化的一种人工设计的新材料。类似于半导体材料具有电子能带，光子晶体也具有导带和禁带(光子带隙)。光子晶体的光子带隙来源于空间周期性分布的介电常数对入射光波的调制作用。波长落入光子带隙内的光将被光子晶体全部反射回去而不能透过光子晶体。利用光子晶体的光子带隙，能够实现对光的传输过程进行有效的人为控制，因而在集成光子器件、光通讯、快速光信息处理、传感技术和自动控制等领域具有非常广泛的应用。基于光子晶体的湿度传感器是一种重要的集成光子器件，在光通讯、传感技术和远程自动控制等领域有着非常重要的应用。

目前的湿度传感器主要利用对水分子具有吸附作用的电解质材料、半导体材料、陶瓷或者有机材料来构成(文献1，J.M.Yang，Y.Li，N.Camaioni，G.C.Miceli，A.Martelliand G.Ridolfi，“Polymer Electrolytes as Humidity Sensors：Progress in Improvingan Impedance Device”，2002，Sen.Actuators B，86(2-3)：229-234；文献2，R.Sundaramand K.S.Nagaraja，“Solid State Electrical Conductivity and Humidity SensingStudies on Metal Molybdate-molybdenum Trioxide Composites(M＝Ni²⁺，Cu²⁺ and Pb²⁺)”，2004，Sen.Actuators B，101(3)：353-360；文献3，J.Yuk and T.Troczynski，“Sol-gelBaTiO₃ Thin Film for Humidity Sensors”，2003，Sen.Actuators B，94(3)：290-293；文献4，R.V.Dabhade，D.S.Bodas and S.A.Gangal，“Plasma-treated Polymers asHumidity Sensing Materials-a Feasibility Study”，2004，Sen.Actuators B，98(1)：37-40)。这些材料在吸附空气中的水分子以后，会引起材料本身的阻抗(或者容抗)发生变化(文献5，R.K.Nahar and V.K.Khanna，“Ionic Doping and Inversion of theCharacteristic of thin film porous Al₂O₃ Humidity Sensor”，1998，Sen.ActuatorsB，46(1)：35-41；文献6，Y.Li，M.J.Yang，N.Camaioni and G.C.Miceli，“HumiditySensors Based on Polymer Solid Electrolytes：Investigation on the Capacitive andResistive Devices Construction”，2001，Sen.Actuators B，77(3)：625-631；文献7，K.S.Chou，T.K.Lee and J.F.Liu，“Sensoring Mechanism of a porous Ceramicas Humidity Sensor”，1999，Sen.Actuators B，56(1-2)：106-111；文献8，Y.Li andM.J.Yang，“Bilayer Thin Film Humidity Sensors Based on SodiumPolystyrenesulfonate and Substituted Polyacetylenes”，2002，Sen.Actuators B，87(1)：184-189)。因此，通过测量材料的阻抗(或者容抗)的变化，就可以探测周围环境的相对湿度的变化情况。利用电解质材料所构成的湿度传感器对环境温度的要求很严格(文献9，M.R.Yang and K.S.Chen，“Humidity Sensors Using Polyvinyl AlcoholMixed with Electrolytes”，1998，Sen.Actuators B，49(3)：240-247)。虽然由有机材料、陶瓷或者半导体材料构成的湿度传感器可以在很大的温度范围内使用(文献10，Y.Li and M.J.Yang，“Humidity Sensitive Properties of a Novel Soluble ConjugatedCopolymer：Ethynylbenzene-co-propargyl Alcohol”，2002，Sen.Actuators B，85(1-2)：73-78；文献11，J.R.Ying，C.R.Wan and P.J.He，“Sol-gel ProcessedTiO₂-K₂O-LiZnVO₄ Ceramic Thin Film as Innovative Humidity Sensors”，2000，Sen.Actuators B，62(3)：165-170)，但是，这种利用测量电学参量来进行湿度传感的方法具有很大的缺陷：一是传感器中的电子元件容易受到外界的电磁干扰而影响正常工作，因此，必须采取严格的电磁屏蔽措施；二是传感器中的电子元件长期与空气接触，容易被空气中的水蒸气所腐蚀，从而影响传感器的寿命。三是传感器中包含很多的电信号转换元件，难以实现集成化，极大地限制了湿度传感器的实际应用。

发明内容

本发明克服已有技术中湿度传感器依靠电学参量来进行的内在缺陷，提供一种依靠光学参量来进行湿度传感的二维光子晶体湿度传感器及其实现方法。

本发明的技术内容：一种二维光子晶体湿度传感器，包括一周期晶格的光子晶体，该晶体为一刻蚀有周期性分布空气孔的一层对水分子具有吸附效应的有机薄膜，其特征在于：在空气孔中设有介电圆柱，介电圆柱的半径为0.37倍的光子晶体晶格常数。

所述光子晶体有机薄膜为聚甲基三乙烯乙二醇丙烯酸酯(P(MTGA-r-AA))、聚甲基二乙烯乙二醇丙烯酸酯(P(MDGA-r-AA))、聚甲基乙烯乙二醇丙烯酸酯(P(MMGA-r-AA))、聚甲基三乙烯乙二醇丙烯酸酯与聚甲基丙烯酸甲酯交联聚合物(PMMA-P(MTGA-r-AA)-PMMA)及各种亲水有机高分子材料。

所述介电圆柱为钛酸锶(SrTiO₃)、铌酸锂(LiNbO₃)、掺鈰钛酸钡(Ce:BaTiO₃)及各种疏水高折射率介电材料。

所述薄膜光子晶体的厚度为大于200nm，使得基模TE₀导波模式能够在介电薄膜中传输，从而实现单模传输。

一种二维光子晶体湿度传感器的实现方法：其步骤包括：

(1)根据如权利要求1所述的二维光子晶体湿度传感器的结构参数，利用平面波展开法、多重散射法或者时域有限差分法，计算出光子晶体的透过谱；

(2)从光子晶体的透过谱中选择一波长位于光子带隙边缘的入射激光，测量入射激光对二维光子晶体湿度传感器的透过率；

(3)根据光子晶体在不同相对湿度条件下，其折射率发生变化，利用入射激光透过率的变化，测得环境相对湿度的变化。

一种二维光子晶体湿度传感器的制备方法：其步骤包括：

(1)通过脉冲激光淀积技术或者化学气相沉积技术等薄膜技术，在石英基片上制备高折射率介电材料薄膜；

(2)通过微加工聚焦离子束刻蚀或者电子束曝光与反应离子束刻蚀技术，制备正方晶格的高折射率介电圆柱；

(3)利用旋转涂布技术在在介电圆柱的间隙填满亲水有机材料。

本发明的技术效果：采用以有机物薄膜作为背景材料，在其中周期性排布正方晶格的高折射率介电圆柱而构成的二维光子晶体，利用亲水的有机高分子聚合物对水分子的吸附效应，有机聚合物吸附空气中的水分子，引起有机物薄膜折射率的改变，导致光子晶体的有效折射率发生变化，使光子带隙的位置发生移动，引起入射激光的透过率发生变化，再通过测量入射激光透过率的变化，就能够探测环境相对湿度的变化情况，从而提供一种二维光子晶体作为湿度传感器的应用。

本发明的优点在于：

1、通过光学参量(激光的透过率)来测量环境的相对湿度，不受电磁干扰，不易被空气中的水蒸气腐蚀。

2、有机薄膜材料湿度诱导入射激光透过率变化的响应时间在微秒量级，比其他材料湿度诱导的电学量变化的响应时间快10⁶的量级。

3、本发明的光子晶体制备简单，使用和测量非常方便，重复性、稳定性和准确性好，非常利于集成。

附图说明

下面结合附图，对本发明做出详细描述。

图1为本发明二维光子晶体湿度传感器的结构示意图；

图2为二维光子晶体作为湿度传感器的应用示意图；

图3为二维光子晶体湿度传感器的原理图；

图4为本发明实施例中的光子晶体透过谱曲线；

图5为本发明的二维光子晶体作为湿度传感器应用的装置示意图；

图6为本发明实施例中二维光子晶体湿度传感器的湿度响应特征曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述：

一、光子晶体及其制备。

本发明提供的一种二维光子晶体是以有机物薄膜3作为背景材料，在其中周期性排布正方晶格的空气孔中设置疏水的高折射率介电圆柱1而构成的，如图1所示。

1、光子晶体结构参数的要求：

(1)光子晶体为正方晶格的二维光子晶体。

(2)光子晶体的厚度大于200nm，使二维光子晶体支持基模TE₀导波模式，从而实现单模传输。

(3)高折射率介电圆柱之间的距离由晶格常数2确定。

根据布拉格衍射公式，晶格常数a和入射激光的波长λ满足以下关系式：

$\mathrm{\λ}=\frac{2}{\sqrt{3}}\stackrel{\‾}{n}a---\left(1\right)$

其中， n为光子晶体的有效折射率； $\stackrel{\‾}{n}=\sqrt{n_1^2{f}_1+n_2^2{f}_2},$ 式中n₁为有机材料的折射率，f₁为有机材料占整个光子晶体的体积比，n₂介电圆柱的折射率，f₂为介电圆柱占整个光子晶体的体积比。

因此，光子晶体的晶格常数a为入射光的波长λ比1.15倍的有效折射率 n。

(4)介电圆柱的半径r为0.37倍的晶格常数a。

更详细的光子晶体的晶格常数、圆柱半径的参数可以通过平面波展开法、多重散射法或者时域有限差分法，通过计算机模拟计算获得。

2、光子晶体材料的要求：

入射激光的波长可选取在可见光波段到近红外波段。相应地，对材料的要求是：

(1)有机聚合物材料的要求：

为亲水的、从可见光到近红外波段透明的有机高分子聚合物材料，包括聚甲基三乙烯乙二醇丙烯酸酯(P(MTGA-r-AA))、聚甲基二乙烯乙二醇丙烯酸酯(P(MDGA-r-AA))、聚甲基乙烯乙二醇丙烯酸酯(P(MMGA-r-AA))、聚甲基三乙烯乙二醇丙烯酸酯与聚甲基丙烯酸甲酯交联聚合物(PMMA-P(MTGA-r-AA)-PMMA)及各种有机高分子聚合物材料。

(2)高折射率介电材料的要求：

为疏水的、从可见光到近红外波段透明的介电材料，包括钛酸锶(SrTiO₃)、铌酸锂(LiNbO₃)、掺鈰钛酸钡(Ce:BaTiO₃)及各种介电材料。

3、光子晶体的制备：

(1)通过脉冲激光淀积技术或者化学气相沉积技术等薄膜技术，在石英基片上制备300nm厚的高折射率介电材料薄膜；

(2)通过现代成熟的微加工聚焦离子束刻蚀或者电子束曝光与反应离子束刻蚀技术，制备正方晶格的二维介电圆柱，高折射率介电圆柱半径50nm～90nm；晶格常数105nm～200nm。

(3)利用旋转涂布技术在介电圆柱的间隙填满亲水有机材料，填充厚度为300nm。

二、光子晶体作为湿度传感器的实现方法。

本发明利用一个简单的光学***来取代复杂的电子学探测装置；利用光学量的变化实时反映外部环境相对湿度的变化。

1、传感原理：

亲水的有机物材料对水分子具有吸附效应，能够吸附空气中的水分子。曝露于空气中的亲水有机物迅速吸附空气中的水分子。有机高分子与水分子的相互作用，使有机聚合物薄膜的厚度增加。相应地使有机聚合物的折射率发生改变。有机材料的折射率n₁可以通过以下公式计算出来：

$\frac{n_1^2-n_0^2}{n_1^2+2n_0^2}=\mathrm{\φ}\frac{n_w^2-n_0^2}{n_w^2+2n_0^2}---\left(2\right)$

其中，n₀为有机材料在周围环境的相对湿度为0时的折射率；φ为0.4倍的相对湿度数值；n_w为水的折射率。利用公式(2)就可以得到在不同相对湿度条件下的有机材料的折射率n₁。

有机物折射率的改变导致整个光子晶体的有效折射率 n发生变化，使光子晶体的光子带隙发生移动。利用公式(1)可以获得光子带隙的移动范围Δλ：

$\mathrm{\Δ\λ}=\frac{2}{\sqrt{3}}a(\stackrel{\‾}{n}-{\stackrel{\‾}{n}}^{\′})---\left(3\right)$

其中， n为变化前的光子晶体有效折射率， n′为变化后的光子晶体有效折射率。如果选择入射激光的波长位于光子带隙的边缘，则入射激光的透过率也相应地发生改变。通过测量入射激光透过率的变化，就能够探测环境相对湿度的变化情况，由此提供一种二维光子晶体作为湿度传感器的应用。

各参量之间的关系如图2所示：

传感原理示意图如图3所示。

由光子晶体的透过谱可以看出，对于固定波长λ₀的入射激光，如果位于光子带隙的边缘，由于环境相对湿度的变化而导致光子带隙的移动，则入射激光的透过率T也相应地发生变化。同样，测量入射激光透过率的变化，就能够探测环境相对湿度的变化。

图3中，T为在一定相对湿度条件下的入射激光透过率，T₀是相对湿度为0时的入射激光透过率。

2、二维光子晶体作为湿度传感器的实现方法。

二维光子晶体作为湿度传感器的应用，可通过以下步骤来实现：

(1)根据光子晶体的结构参数，利用平面波展开法、多重散射法或者时域有限差分法，计算出光子晶体的透过谱，如图3所示。

(2)根据测得的入射激光的透过率，计算出透过率的变化ΔT＝|T-T₀|，

其中，T是测到的入射激光透过率，T₀是相对湿度为0时的入射激光透过率。

(3)依据光子晶体的透过谱，计算出光子带隙的迁移量Δλ＝|λ_T-λ₀|。

其中，λ_T是入射激光透过率为T时所对应的的波长值，λ₀是入射激光的初始波长。

(4)依据公式(3)计算出有机材料的折射率n₁。

(5)依据公式(2)得出环境相对湿度的数值。

三、本发明的具体实施例如下：

1、制备图1所示的一种二维有机光子晶体；

本实施例的光子晶体由在石英基片上外延生长的厚度为300nm的SrTiO₃平面薄膜，通过电子束曝光和反应离子束刻蚀而成的周期性正方晶格介电圆柱，利用旋转涂布技术在介电圆柱的间隙填满有机材料P(MTGA-r-AA)，填充厚度为300nm。在薄膜3上有正方晶格周期分布的介电圆柱1，圆柱1的半径为65nm，晶格常数2为160nm。

光子晶体的光子带隙位于可见光波段，如图4所示，554nm的波长位于光子带隙的短波带边。

在实际使用中，所述的二维平面SrTiO₃薄膜也可根据要求使用商品化的材料薄膜。

2、二维光子晶体作为湿度传感器应用。

图5是本发明实施例中的二维光子晶体作为湿度传感器应用的装置示意图。

其中激光器4为YAG激光器(美国光谱公司制造，重复频率10Hz，脉冲宽度为35ps)泵浦的OPA激光器(中科院物理所OPA-714)发出的554nm的激光，由会聚透镜5通过端面耦合的方式耦合到二维平面薄膜光子晶体中，透过薄膜光子晶体的激光束由会聚透镜6进行会聚后，经过收集透镜7射入单色仪8的入射狭缝，单色仪8的输出信号经过光电倍增管9放大后，输入计算机10进行数据的采集和处理。

图6是本发明二维光子晶体湿度传感器的湿度响应特征曲线，可以看出，光子晶体的湿度响应覆盖了整个的相对湿度范围(从0到100％RH)，表明光子晶体湿度传感器具有很宽的量程；光子晶体湿度传感器的湿度响应曲线近似于线性变化，表明光子晶体湿度传感器的测量值具有很高的准确度；从湿度响应特征曲线的斜率可以得出，光子晶体湿度传感器的分辨率优于0.9％RH，远远好于实际应用所要求的分辨率1.5％RH。

由此，实现了二维薄膜光子晶体作为湿度传感器的应用。

Claims (6)

1、一种二维光子晶体湿度传感器，包括一周期晶格的光子晶体，该晶体为一刻蚀有周期性分布空气孔的一层对水分子具有吸附效应的有机薄膜，其特征在于：在空气孔中设有疏水高折射率介电圆柱，介电圆柱的半径为0.37倍薄膜光子晶体的晶格常数。

2、如权利要求1所述的二维光子晶体湿度传感器，其特征在于：所述薄膜光子晶体为聚甲基三乙烯乙二醇丙烯酸酯、聚甲基二乙烯乙二醇丙烯酸酯、聚甲基乙烯乙二醇丙烯酸酯、聚甲基三乙烯乙二醇丙烯酸酯与聚甲基丙烯酸甲酯交联聚合物及各种亲水有机高分子材料。

3、如权利要求1或2所述的二维光子晶体湿度传感器，其特征在于：所述疏水高折射率介电圆柱为钛酸锶、铌酸锂、掺鈰钛酸钡及各种疏水介电材料。

4、如权利要求1所述的二维光子晶体湿度传感器，其特征在于：所述薄膜光子晶体的厚度大于200nm。

5、一种二维光子晶体湿度传感器的实现方法：其步骤包括：

(1)根据如权利要求1所述的二维光子晶体湿度传感器的结构参数，利用平面波展开法、多重散射法或者时域有限差分法，计算出光子晶体的透过谱；

(2)从光子晶体的透过谱中选择一波长位于光子带隙边缘的入射激光，测量入射激光对二维光子晶体湿度传感器的透过率；

(3)根据光子晶体在不同相对湿度条件下，其折射率发生变化，利用入射激光透过率的变化，测得环境相对湿度的变化。

6、一种二维光子晶体湿度传感器的制备方法：其步骤包括：

(1)通过脉冲激光淀积技术或者化学气相沉积技术等薄膜技术，在石英基片上制备高折射率介电材料薄膜；

(2)通过微加工聚焦离子束刻蚀或者电子束曝光与反应离子束刻蚀技术，制备正方晶格的高折射率介电圆柱；

(3)利用旋转涂布技术在介电圆柱的间隙填满亲水有机薄膜。

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