專利名稱：使用光子晶體的目標(biāo)物質(zhì)傳感器及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種使用光子晶體檢測(cè)目標(biāo)物質(zhì)的傳感器及其方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)出版物(R.Wehrspohn著，“光子晶體”，ISBN3-527-40432-5，238-246頁(yè))公開了一種使用光子晶體的傳感器。該傳感器使用塊狀的三維光子晶體作為傳感元件，并且配置為通過關(guān)于所述傳感元件的厚度相對(duì)的面之一引入目標(biāo)氣體，并通過該傳感元件的上述一個(gè)面導(dǎo)入(guide)波長(zhǎng)與目標(biāo)氣體的吸收波長(zhǎng)相匹配的光，從而利用檢測(cè)器例如光檢測(cè)器檢測(cè)從該傳感元件的另一面發(fā)出的光，以根據(jù)檢測(cè)到的光強(qiáng)度計(jì)算氣體濃度。
通常，將在光子晶體中傳播的電磁波的群速Vg定義為Vg＝(dβ/dω)-1，這里β是傳播常數(shù)，ω是頻率。因此，群速Vg隨著頻率ω變化與傳播常數(shù)β變化的比值的減小而降低，并且當(dāng)頻率ω與傳播常數(shù)β之間的關(guān)系滿足駐波條件(波導(dǎo)模式的邊界條件)時(shí)群速Vg變?yōu)榱恪?br> 上述出版物中公開的傳感器設(shè)計(jì)為通過將三維光子晶體中傳播的群速Vg設(shè)定為真空中光速的大約30％來延長(zhǎng)光程長(zhǎng)度，所以三維光子晶體需要具有幾厘米的厚度(即沿著入射光方向的尺寸)。因此三維光子晶體需要具有100nm量級(jí)的均勻折射率周期結(jié)構(gòu)，其可滿足獲得預(yù)期群速的頻率ω和傳播常數(shù)β的條件。然而，當(dāng)折射率周期結(jié)構(gòu)變形時(shí)，在變形部位群速偏離預(yù)期值，從而不能精確測(cè)量濃度。因此，三維光子晶體需要通過十分精確的制造技術(shù)來制造。
此外，由于三維光子晶體具有較大的厚度，因此傳播模式為包括較慢群速模式和較快群速模式的多種模式，與恒定的群速相比，可能降低靈敏度。另外，由于靈敏度可能隨著入射光與各種傳播模式的耦合效率而改變，因此需要將三維光子晶體相對(duì)于光源精確定位。
另外，由于具有較低群速Vg的光在空間中的電場(chǎng)強(qiáng)度分布與標(biāo)準(zhǔn)光在空間中的高斯分布頗為不同，因此，為了避免光耦合損失需要復(fù)雜的耦合結(jié)構(gòu)來轉(zhuǎn)換電場(chǎng)強(qiáng)度分布，否則在三維光子晶體的光入射面上可發(fā)現(xiàn)光耦合損失而使靈敏度降低。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述問題，本發(fā)明提供一種目標(biāo)物質(zhì)傳感器和目標(biāo)物質(zhì)檢測(cè)方法，該傳感器對(duì)于目標(biāo)物質(zhì)具有高靈敏度并通過使用光子晶體而可減小尺寸。
根據(jù)本發(fā)明的傳感器包括提供電磁波的電磁波源、光子傳感器元件和檢測(cè)器。該光子傳感器元件具有光子晶體結(jié)構(gòu)并配置為包括傳感器波導(dǎo)，用于引入電磁波；以及傳感諧振器，與該傳感器波導(dǎo)電磁耦合，以使特定波長(zhǎng)的電磁波諧振。該傳感諧振器暴露于包含目標(biāo)物質(zhì)的氣氛中，以改變從該傳感諧振器發(fā)出的電磁波的特性。該檢測(cè)器配置為接收從該傳感諧振器發(fā)出的電磁波，以識(shí)別該電磁波的強(qiáng)度變化并發(fā)出表示目標(biāo)物質(zhì)特性的信號(hào)。這樣配置的傳感器利用在光子晶體中形成的諧振器處發(fā)生的特定波長(zhǎng)的電磁波的諧振，根據(jù)從該諧振器發(fā)出的電磁波的強(qiáng)度來檢測(cè)目標(biāo)物質(zhì)的特性。因此，該光子傳感器元件可以由設(shè)置有傳感器波導(dǎo)和傳感諧振器的二維光子晶體制成，從而可以制成薄結(jié)構(gòu)。另外，與依賴三維光子晶體的現(xiàn)有傳感器相比，該傳感器減少需要精確光子晶體結(jié)構(gòu)的部分的數(shù)量，因此能夠以更低的成本制造。
優(yōu)選地，該檢測(cè)器配置為根據(jù)所述電磁波的特性變化來確定目標(biāo)物質(zhì)的濃度，并發(fā)出表示該目標(biāo)物質(zhì)濃度的所述信號(hào)。
為了檢測(cè)目標(biāo)物質(zhì)的濃度，根據(jù)如下情況采用不同的方案依賴目標(biāo)物質(zhì)吸收特定波長(zhǎng)的電磁波的現(xiàn)象的情況和依賴在存在目標(biāo)物質(zhì)的情況下從諧振器發(fā)出的電磁波的波長(zhǎng)偏移的現(xiàn)象的情況。
當(dāng)依賴目標(biāo)物質(zhì)吸收特定波長(zhǎng)的電磁波的現(xiàn)象時(shí)，光子傳感器元件配置為在光子晶體結(jié)構(gòu)中還包括參考波導(dǎo)和參考諧振器。該參考波導(dǎo)配置為從電磁波源引入電磁波。該參考諧振器與該參考波導(dǎo)電磁耦合以使引入的特定波長(zhǎng)的電磁波諧振。檢測(cè)器配置為包括輸出強(qiáng)度計(jì)，提供檢測(cè)信號(hào)，該檢測(cè)信號(hào)表示從傳感諧振器發(fā)出的特定波長(zhǎng)電磁波的強(qiáng)度；參考強(qiáng)度計(jì)，提供參考信號(hào)，該參考信號(hào)表示從所述諧振器發(fā)出的特定波長(zhǎng)電磁波的強(qiáng)度；以及濃度計(jì)，將檢測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)進(jìn)行比較以獲取特定波長(zhǎng)的電磁波的衰減量，從而根據(jù)所述衰減量計(jì)算目標(biāo)物質(zhì)的濃度。因此，通過將諧振器設(shè)計(jì)為使得具有與目標(biāo)物質(zhì)吸收的電磁波的波長(zhǎng)相等的波長(zhǎng)的電磁波諧振，能夠參照目標(biāo)物質(zhì)的電磁波吸收特性而進(jìn)行精確的濃度檢測(cè)。
在這種情況下，優(yōu)選地，光子傳感器元件具有排列成二維陣列的光子晶體結(jié)構(gòu)，傳感器波導(dǎo)和參考波導(dǎo)均在二維光子晶體結(jié)構(gòu)中延伸以在波導(dǎo)的相對(duì)端分別定義輸入端口和輸出端口。每個(gè)輸入端口設(shè)置為接收來自電磁波源的電磁波，而每個(gè)輸出端口連接到每個(gè)對(duì)應(yīng)的輸出強(qiáng)度計(jì)和參考強(qiáng)度計(jì)其中之一，用以提供從每個(gè)對(duì)應(yīng)的傳感諧振器和參考諧振器其中之一發(fā)出的電磁波。
優(yōu)選地，所述傳感諧振器和參考諧振器均分別設(shè)置在傳感器波導(dǎo)和參考波導(dǎo)中。另外，優(yōu)選地，多個(gè)諧振器串聯(lián)排列在相應(yīng)的波導(dǎo)中以提高下降效率(drop efficiency)、即發(fā)射的電磁波的輸出效率，從而提高檢測(cè)靈敏度。
另外，光子傳感器元件可配置為包括傳感輸出波導(dǎo)和參考輸出波導(dǎo)。該傳感輸出波導(dǎo)和該參考輸出波導(dǎo)平行于對(duì)應(yīng)的傳感器波導(dǎo)和參考波導(dǎo)其中之一延伸，并分別與傳感諧振器和參考諧振器電磁耦合。傳感輸出波導(dǎo)和參考輸出波導(dǎo)均在其一個(gè)縱向端定義輸出端口，該輸出端口連接到每個(gè)對(duì)應(yīng)的輸出強(qiáng)度計(jì)和參考強(qiáng)度計(jì)其中之一。
另外，輸出強(qiáng)度計(jì)和參考強(qiáng)度計(jì)均以與光子傳感器元件的平面隔開的關(guān)系設(shè)置，并連接到每個(gè)對(duì)應(yīng)的傳感諧振器和參考諧振器其中之一以接收從其中發(fā)出的電磁波。
另外，同樣可以使傳感諧振器和參考諧振器共用一個(gè)電磁波輸入通道。在這種情況下，光子傳感器元件配置為包括具有不同的配置并以并排關(guān)系排列的第一光子晶體結(jié)構(gòu)和第二光子晶體結(jié)構(gòu)。傳感器波導(dǎo)包括輸入波導(dǎo)，穿過第一和第二光子晶體結(jié)構(gòu)延伸；第一輸出波導(dǎo)，在第一晶體結(jié)構(gòu)的范圍內(nèi)延伸；以及第二輸出波導(dǎo)，在第二晶體結(jié)構(gòu)的范圍內(nèi)延伸。傳感諧振器形成在該第一晶體結(jié)構(gòu)中。參考諧振器配置為引起與傳感諧振器固有的特定波長(zhǎng)(λ1)不同的波長(zhǎng)(λ2)的電磁波諧振。對(duì)于這種設(shè)置，通過設(shè)置使與目標(biāo)物質(zhì)吸收的電磁波的波長(zhǎng)相等的、第一波長(zhǎng)(λ1)的電磁波諧振的傳感諧振器，在參考諧振器處諧振的第二波長(zhǎng)(λ2)的電磁波不受目標(biāo)物質(zhì)的影響，這消除了將參考諧振器與包含目標(biāo)物質(zhì)的氣氛相隔離的需要。
在本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例中，公開了一種用于測(cè)量目標(biāo)物質(zhì)濃度的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)基于如下現(xiàn)象通過與目標(biāo)物質(zhì)接觸，諧振部分周圍的折射率將改變。當(dāng)諧振部分周圍的折射率改變時(shí)，在諧振部分諧振的電磁波的波長(zhǎng)將偏移。在這種情況下，由于折射率的變化、即諧振波長(zhǎng)的偏移量由目標(biāo)物質(zhì)本身確定，因此通過檢測(cè)具有相應(yīng)于目標(biāo)物質(zhì)偏移的波長(zhǎng)的電磁波的強(qiáng)度，能夠獲得目標(biāo)物質(zhì)的濃度。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)方案，電磁波源為傳感器波導(dǎo)提供包括不同波長(zhǎng)的電磁波，從而傳感諧振器使目標(biāo)物質(zhì)確定的特定波長(zhǎng)的電磁波諧振。就此，檢測(cè)器配置為選擇從傳感諧振器發(fā)出的特定波長(zhǎng)的電磁波(由于存在目標(biāo)物質(zhì)而改變波長(zhǎng)的電磁波)，并通過分析選擇的特定波長(zhǎng)的電磁波的強(qiáng)度能夠計(jì)算目標(biāo)物質(zhì)的濃度。這個(gè)方案可用于檢測(cè)沒有表現(xiàn)出吸收特定波長(zhǎng)的電磁波的目標(biāo)物質(zhì)，并且能夠除去參考諧振器和相關(guān)的元件以實(shí)現(xiàn)更小型的傳感器。
盡管通常需要光譜功能來選擇特定波長(zhǎng)的電磁波，但是在不使用光譜功能的情況下也可以實(shí)現(xiàn)該方案。為此，電磁波源配置為產(chǎn)生可變波長(zhǎng)的電磁波，并將波長(zhǎng)隨時(shí)間變化的電磁波提供給光子傳感器元件。波長(zhǎng)的掃描范圍設(shè)置為包括由目標(biāo)物質(zhì)的折射率確定的特定波長(zhǎng)，以使檢測(cè)器在特定波長(zhǎng)的電磁波被引入時(shí)從諧振器獲取電磁波的強(qiáng)度，用以測(cè)量目標(biāo)物質(zhì)的濃度。
另外，利用傳感諧振器處波長(zhǎng)偏移的方案可用于檢測(cè)各種目標(biāo)物質(zhì)。在這種情況下，傳感器配置為具有多個(gè)檢測(cè)單元，每個(gè)檢測(cè)單元由傳感器波導(dǎo)、傳感諧振器和檢測(cè)器構(gòu)成。單個(gè)檢測(cè)單元的傳感諧振器設(shè)置為使與在其它檢測(cè)單元的諧振器處諧振的電磁波的波長(zhǎng)不同的波長(zhǎng)的電磁波諧振，即根據(jù)目標(biāo)物質(zhì)，從而能夠根據(jù)對(duì)應(yīng)的電磁波強(qiáng)度獲得多種目標(biāo)物質(zhì)的濃度。
優(yōu)選地，傳感諧振器包括反應(yīng)器，作為確定地引起或增強(qiáng)相應(yīng)于目標(biāo)物質(zhì)的波長(zhǎng)偏移的裝置，該反應(yīng)器與目標(biāo)物質(zhì)反應(yīng)以使傳感諧振器周圍的折射率發(fā)生顯著變化，從而相應(yīng)地引起顯著的波長(zhǎng)偏移。
當(dāng)使用反應(yīng)器時(shí)，可以將該反應(yīng)器應(yīng)用于在光子傳感器元件中形成的兩個(gè)傳感諧振器其中之一。在這種情況下，通過參考合成電磁波能夠確定在反應(yīng)器中反應(yīng)的目標(biāo)物質(zhì)的濃度，該合成電磁波由來自具有反應(yīng)器的傳感諧振器的電磁波和來自沒有反應(yīng)器的傳感諧振器的電磁波組成。
在利用傳感諧振器處諧振的電磁波的波長(zhǎng)偏移的方案中，多個(gè)傳感諧振器排列成二維陣列，以易于設(shè)計(jì)平面?zhèn)鞲衅?。在這種情況下，與多個(gè)傳感諧振器相匹配地，多個(gè)檢測(cè)器排列成二維陣列，以使單個(gè)檢測(cè)器能夠確定不同的濃度，從而提供目標(biāo)物質(zhì)在二維平面內(nèi)的濃度分布。
另外，除了目標(biāo)物質(zhì)的濃度之外，同樣可以檢測(cè)分散在一定區(qū)域上的不同目標(biāo)物質(zhì)的種類。在這種情況下，多個(gè)傳感諧振器排列成二維陣列，而多個(gè)檢測(cè)器相應(yīng)地排列成二維陣列。多個(gè)傳感諧振器配置為使不同波長(zhǎng)的電磁波諧振，以根據(jù)分別從多個(gè)檢測(cè)器發(fā)出的特定波長(zhǎng)的電磁波的強(qiáng)度識(shí)別不同種類的目標(biāo)物質(zhì)，從而能夠提供不同的目標(biāo)物質(zhì)在二維平面內(nèi)的分布。
另外，本發(fā)明公開了一種根據(jù)由設(shè)置在不同于傳感諧振器的部位的反應(yīng)器引起的電磁波強(qiáng)度變化來確定目標(biāo)物質(zhì)濃度的先進(jìn)結(jié)構(gòu)。例如，在將反應(yīng)器設(shè)置在傳感器波導(dǎo)中時(shí)，傳感器波導(dǎo)的折射率將隨著目標(biāo)物質(zhì)的反應(yīng)而改變，從而改變傳感器波導(dǎo)與傳感諧振器之間的有效波導(dǎo)長(zhǎng)度，進(jìn)而改變檢測(cè)器接收到的電磁波的強(qiáng)度。檢測(cè)器配置為根據(jù)電磁波的強(qiáng)度變化計(jì)算目標(biāo)物質(zhì)的濃度。
在將反應(yīng)器設(shè)置在光子傳感器元件中的兩個(gè)傳感諧振器之間的能量耦合通道中時(shí)，能量耦合通道的有效波導(dǎo)長(zhǎng)度將隨著目標(biāo)物質(zhì)的反應(yīng)而改變，從而通過分析最終的電磁波強(qiáng)度變化能夠確定目標(biāo)物質(zhì)的濃度。
另外，本發(fā)明提出一種通過將上述反應(yīng)器與特定的光子晶體結(jié)構(gòu)結(jié)合而能夠進(jìn)行高靈敏濃度檢測(cè)的光子傳感器元件的結(jié)構(gòu)。該光子傳感器元件包括彼此不同并以并排關(guān)系排列在二維陣列中的第一光子晶體結(jié)構(gòu)和第二光子晶體結(jié)構(gòu)。傳感器波導(dǎo)由相互平行延伸的輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)構(gòu)成。輸入和輸出波導(dǎo)均在第一光子晶體結(jié)構(gòu)的全長(zhǎng)上延伸并延伸到第二光子晶體結(jié)構(gòu)中。傳感諧振器形成在輸入波導(dǎo)與輸出波導(dǎo)之間的第一晶體結(jié)構(gòu)中以與上述波導(dǎo)電磁耦合。輸入波導(dǎo)在其遠(yuǎn)離第二晶體結(jié)構(gòu)的一個(gè)縱向端定義輸入端口，該輸入端口用于接收來自電磁波源的電磁波。輸出波導(dǎo)在其遠(yuǎn)離第二光子晶體結(jié)構(gòu)的一個(gè)縱向端定義輸出端口，該輸出端口用于發(fā)射在傳感諧振器處諧振的特定波長(zhǎng)的電磁波。輸入波導(dǎo)在第一和第二晶體結(jié)構(gòu)之間的界面處形成有輸入反射鏡，該輸入反射鏡用于向所述輸出端口反射特定波長(zhǎng)的電磁波。此外，輸出波導(dǎo)在第一和第二晶體結(jié)構(gòu)之間的界面處形成有輸出反射鏡，該輸出反射鏡用于向輸入端口反射特定波長(zhǎng)的電磁波。每個(gè)這樣配置的輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)在橋接第一和第二晶體結(jié)構(gòu)的部位設(shè)置有反應(yīng)器。該反應(yīng)器配置為與目標(biāo)物質(zhì)反應(yīng)以改變反射效率，從而改變目標(biāo)檢測(cè)器接收到的電磁波的強(qiáng)度。該檢測(cè)器設(shè)置為計(jì)算作為強(qiáng)度的函數(shù)的目標(biāo)物質(zhì)的濃度。由于輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)設(shè)置為橋接不同光子晶體結(jié)構(gòu)且二者之間設(shè)置有反射鏡，并且由于輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)在橋接不同光子晶體結(jié)構(gòu)的各個(gè)部位形成有反應(yīng)器，該反應(yīng)器相應(yīng)于目標(biāo)物質(zhì)的存在而改變電磁波的特性，因此所述反射鏡能夠放大折射率的變化以使向傳感諧振器傳播的電磁波產(chǎn)生相位偏移，從而提高在傳感諧振器處諧振且從傳感諧振器發(fā)出的特定波長(zhǎng)的電磁波的下降效率，以確保目標(biāo)物質(zhì)的高靈敏性濃度檢測(cè)。
優(yōu)選地，本發(fā)明的傳感器包括控制器，該控制器配置為監(jiān)控表示環(huán)境條件的環(huán)境參數(shù)。該控制器設(shè)置為根據(jù)環(huán)境參數(shù)改變傳感諧振器的光學(xué)特性，以使特定波長(zhǎng)的電磁波諧振，從而能夠在補(bǔ)償外界干擾例如溫度的情況下進(jìn)行精確測(cè)量。例如，為了改變光子傳感器元件的光學(xué)特性以保持傳感諧振器的特性恒定，光子傳感器元件可以設(shè)置有加熱器，該加熱器由控制器激勵(lì)，以控制傳感諧振器的溫度。
此外，優(yōu)選地，本發(fā)明的傳感器包括恢復(fù)裝置，該恢復(fù)裝置配置為清除陷在傳感諧振器上的目標(biāo)物質(zhì)或雜質(zhì)。該恢復(fù)裝置可以是加熱器，該加熱器通過加熱將目標(biāo)物質(zhì)或雜質(zhì)從傳感諧振器的表面驅(qū)除。
另外，加熱器可以用作調(diào)制裝置，該調(diào)制裝置調(diào)制在波導(dǎo)中傳播的電磁波的波長(zhǎng)和的強(qiáng)度其中之一。也就是說，加熱器的周期性通電能夠周期性地調(diào)制從諧振器發(fā)出的電磁波的強(qiáng)度或波長(zhǎng)。因此，在檢測(cè)器中只有經(jīng)過調(diào)制的電磁波才能被選擇，以將其與噪聲電磁波相區(qū)別開，從而提高檢測(cè)精度。
本發(fā)明還提供一種使用光子晶體檢測(cè)目標(biāo)物質(zhì)濃度的方法。這種方法利用光子傳感器元件，該光子傳感器元件配置為包括傳感器波導(dǎo)，引入電磁波；以及傳感諧振器，與該傳感器波導(dǎo)電磁耦合以使特定波長(zhǎng)的電磁波諧振。該方法包括如下步驟將傳感諧振器暴露于包含目標(biāo)物質(zhì)的氣氛中，并通過該傳感器波導(dǎo)引入特定波長(zhǎng)的電磁波；檢測(cè)在傳感諧振器處諧振的電磁波的強(qiáng)度；以及分析該強(qiáng)度以計(jì)算所述目標(biāo)物質(zhì)的濃度。


圖1是示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的傳感器的示意圖。
圖2是圖1所示傳感器的功能框圖。
圖3是示出圖1所示傳感器的濃度檢測(cè)的曲線圖。
圖4是圖1所示傳感器中使用的光子傳感器元件的另一實(shí)例的立體圖。
圖5是圖1所示傳感器中使用的光子傳感器元件的又一實(shí)例的立體圖。
圖6是圖1所示傳感器中使用的光子傳感器元件的又一實(shí)例的立體圖。
圖7是圖1所示傳感器中使用的光子傳感器元件的又一實(shí)例的立體圖。
圖8是圖1所示傳感器中使用的光子傳感器元件的再一實(shí)例的立體圖。
圖9是示出根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的傳感器的示意圖。
圖10是示出根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的傳感器的示意圖。
圖11是圖10所示傳感器的功能框圖。
圖12是示出圖10所示傳感器的濃度檢測(cè)的曲線圖。
圖13是圖10所示傳感器中使用的光子傳感器元件的立體圖。
圖14是圖13中包括傳感諧振器的部分的局部放大俯視圖。
圖15是圖13中包括傳感諧振器的部分的局部放大剖視圖。
圖16是圖13所示傳感器中使用的光子傳感器元件的另一實(shí)例的立體圖。
圖17是圖13所示傳感器中使用的光子傳感器元件的又一實(shí)例的立體圖。
圖18是圖13所示傳感器中使用的光子傳感器元件的又一實(shí)例的立體圖。
圖19是圖13所示傳感器中使用的光子傳感器元件的又一實(shí)例的立體圖。
圖20是圖13所示傳感器中使用的光子傳感器元件的再一實(shí)例的立體圖。
圖21是示出根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例的傳感器的示意圖。
圖22是圖21所示傳感器的功能框圖。
圖23是示出根據(jù)本發(fā)明第五實(shí)施例的傳感器的示意圖。
圖24是圖23所示傳感器中使用的光子傳感器元件的另一實(shí)例的立體圖。
圖25是圖23所示傳感器中使用的光子傳感器元件的又一實(shí)例的立體圖。
圖26是示出根據(jù)本發(fā)明第六實(shí)施例的傳感器的示意圖。
具體實(shí)施例方式
根據(jù)本發(fā)明的傳感器使用具有二維光子晶體結(jié)構(gòu)的光子傳感器元件20。該光子晶體結(jié)構(gòu)包括基材(matrix)和設(shè)置在該基材中的材料，該材料的折射率不同于基材的折射率，以提供改變?nèi)肷潆姶挪ǖ姆较蚝蛡鞑ニ俣鹊墓鈱W(xué)特性。本發(fā)明使用的光子晶體包括折射率為3.4的硅半導(dǎo)體基體(厚度為250nm)和在該基材中以420nm的間距排列成二維陣列的微小圓孔(φ＝240nm)。從而，微孔中折射率為1的空氣周期性散布在襯底中(折射率為3.4)以提供光子晶體的特性。硅半導(dǎo)體位于氧化的硅層、即SOI襯底(折射率為1.5)上。換句話說，該光子晶體由SOI襯底制成，該SOI襯底的硅半導(dǎo)體層被蝕刻而形成大量的圓孔以在硅半導(dǎo)體層中實(shí)現(xiàn)光子晶體結(jié)構(gòu)。
光子傳感器元件20形成有波導(dǎo)22和諧振器24，其中波導(dǎo)22用于引入電磁波，而諧振器24使引入到波導(dǎo)中的具有特定波長(zhǎng)的電磁波諧振。上述波導(dǎo)和諧振器是通過在光子晶體結(jié)構(gòu)的周期結(jié)構(gòu)中設(shè)置缺陷、即無孔部分而形成。
當(dāng)使用處于光傳輸帶寬例如C帶(1530nm至1565nm)或L帶(1565nm至1625nm)內(nèi)的電磁波時(shí)，光子晶體1中的圓孔以0.42μm的周期(即二維光子晶體的折射率周期結(jié)構(gòu)的周期，或二維三角形格子的格點(diǎn)之間的格間距(inter-lattice distance))排列成陣列，圓孔的半徑定為0.92a，傳感器元件的厚度定為0.6a。從而，形成某一帶寬的光子帶隙，其不傳播在與光子晶體的厚度方向垂直的二維平面中任一方向上入射的、具有上述頻帶的電磁波(光)。波導(dǎo)22和諧振器24沒有適當(dāng)數(shù)量的圓孔以能夠傳播電磁波。周期(a)的值和圓孔的半徑不限于上述值，周期(a)可以接近具有上述帶寬的電磁波的波長(zhǎng)(例如，電磁波波長(zhǎng)的一半)。
本發(fā)明配置為利用在光子晶體的諧振器處發(fā)生的諧振來檢測(cè)目標(biāo)物質(zhì)的濃度，并根據(jù)目標(biāo)物質(zhì)的種類通過不同的機(jī)制進(jìn)行濃度檢測(cè)。目標(biāo)物質(zhì)可基本上分為下列兩類1)表現(xiàn)吸收特定波長(zhǎng)電磁波的顯著特性的物質(zhì)；以及2)表現(xiàn)改變氣氛折射率的顯著特性的物質(zhì)。
本發(fā)明基于與目標(biāo)物質(zhì)的種類相關(guān)的上述兩種特性，首先參照利用上述1)特性說明濃度檢測(cè)的第一實(shí)施例。
<第一實(shí)施例>
在本實(shí)施例中，引起目標(biāo)物質(zhì)吸收的特定波長(zhǎng)的電磁波在諧振器處諧振，從而根據(jù)從諧振器輸出的衰減因子來檢測(cè)目標(biāo)物質(zhì)。適用的目標(biāo)物質(zhì)包括具有吸收特定波長(zhǎng)電磁波的顯著特性的物質(zhì)，例如碳酸氧和氮?dú)庖约邦愃茪怏w。
圖1和圖2示出根據(jù)本實(shí)施例的傳感器，其中光子傳感器元件20形成有傳感器波導(dǎo)22和參考波導(dǎo)32以及傳感諧振器24和參考諧振器34，其中傳感器波導(dǎo)22和參考波導(dǎo)32引入電磁波，所述電磁波包括具有特定波長(zhǎng)的電磁波，例如波長(zhǎng)為2μm至13μm的紅外線；而傳感諧振器24和參考諧振器34分別與上述波導(dǎo)電磁耦合(couple)。每個(gè)諧振器均配置為使(目標(biāo)物質(zhì)吸收的)特定波長(zhǎng)的電磁波諧振。傳感諧振器24和傳感器波導(dǎo)22暴露于包含目標(biāo)物質(zhì)的氣氛中以測(cè)量被存在的目標(biāo)物質(zhì)吸收的電磁波的強(qiáng)度。另一方面，參考波導(dǎo)32和參考諧振器34通過屏蔽板(shield)36而與含有目標(biāo)物質(zhì)的大氣隔離以獲取電磁波的參考強(qiáng)度，從而根據(jù)兩種強(qiáng)度之差獲取電磁波的衰減因子，進(jìn)而根據(jù)該衰減因子確定目標(biāo)物質(zhì)的濃度。
為了實(shí)現(xiàn)上述功能，根據(jù)本實(shí)施例的傳感器設(shè)置有電磁波源10，其用于向光子傳感器元件20提供電磁波；分配器11，其用于向傳感器波導(dǎo)22和參考波導(dǎo)32分配電磁波；輸出強(qiáng)度計(jì)41，其用于測(cè)量從傳感諧振器24發(fā)出的電磁波的強(qiáng)度；參考強(qiáng)度計(jì)51，其用于測(cè)量從參考諧振器34發(fā)出的電磁波的強(qiáng)度；濃度計(jì)42，其根據(jù)在輸出強(qiáng)度計(jì)41和參考強(qiáng)度計(jì)51處獲得的電磁波的強(qiáng)度之差獲取電磁波的衰減因子，以確定目標(biāo)物質(zhì)的濃度。輸出強(qiáng)度計(jì)41、參考強(qiáng)度計(jì)51和濃度計(jì)42共同地稱作檢測(cè)器40，并由單一的微處理器實(shí)現(xiàn)。檢測(cè)器40將表示在濃度計(jì)42處獲取的濃度的濃度信號(hào)輸出至顯示器60以顯示該濃度。
傳感器波導(dǎo)22和參考波導(dǎo)32在光子傳感器元件的全長(zhǎng)上線性延伸，以在一個(gè)縱向端定義輸入端口21和31，在另一縱向端定義輸出端口23和33。饋送器(feeder)12分別連接(couple)到輸入端口21和31以從電磁波源將電磁波引入到單個(gè)波導(dǎo)。輸出端口23和33分別連接到輸出強(qiáng)度計(jì)41和參考強(qiáng)度計(jì)51以將從傳感諧振器24和參考諧振器34發(fā)出的特定波長(zhǎng)的電磁波傳輸?shù)缴鲜鰪?qiáng)度計(jì)。傳感諧振器24和參考諧振器34均形成在每個(gè)對(duì)應(yīng)波導(dǎo)的縱向中心處以傳播在對(duì)應(yīng)的諧振器處諧振的電磁波。強(qiáng)度計(jì)41提供表示在諧振器24中諧振的電磁波的強(qiáng)度的檢測(cè)信號(hào)，而強(qiáng)度計(jì)51提供表示在諧振器34中諧振的電磁波的強(qiáng)度的參考信號(hào)。濃度計(jì)42根據(jù)輸出強(qiáng)度計(jì)41的檢測(cè)信號(hào)與參考強(qiáng)度計(jì)的參考信號(hào)之差確定由于目標(biāo)物質(zhì)的存在而產(chǎn)生的衰減因子。該衰減因子由下面的公式1表示L=Iref-IoutIref]]>(公式1)這里，Iref是參考強(qiáng)度計(jì)51的輸出，Iout是輸出強(qiáng)度計(jì)41的輸出。
從而，發(fā)現(xiàn)獲得的衰減因子(L)與目標(biāo)物質(zhì)的吸收因子具有如圖3所示的關(guān)系。由于吸收因子對(duì)應(yīng)于氣氛中目標(biāo)物質(zhì)的濃度并且檢波器40配置為具有表示衰減因子和濃度之間關(guān)系的公式，因此濃度計(jì)42能夠根據(jù)衰減因子確定目標(biāo)物質(zhì)的濃度。電磁波的輸出強(qiáng)度由下面的公式確定。
Iout=1(1+Qin2Qa)]]>(公式2)Qin是由諧振器與波導(dǎo)之間的耦合強(qiáng)度確定的Q值，而Qa是由諧振器中吸收的能量損失量確定的Q值。更具體地，Qin是諧振器與波導(dǎo)之間的Q值，Qa是由諧振器的吸收而導(dǎo)致的Q值，Qy由諧振器與自由空間之間的Q值確定并滿足關(guān)系Qy＞＞Qin。Qin可視為與諧振器和波導(dǎo)構(gòu)成的系統(tǒng)中從諧振器泄漏到波導(dǎo)的能量額有關(guān)的值(即表示在諧振器和波導(dǎo)構(gòu)成的系統(tǒng)中在諧振器中積累的能量額)。當(dāng)用W表示在諧振器中積累的能量并用dW/dt表示單位時(shí)間內(nèi)從諧振器到波導(dǎo)的能量損失時(shí)，定義Qin＝ω0×W/(dW/dt)。Qa可視為與因諧振器中的吸收而損失的能量額有關(guān)的值。當(dāng)用W表示在諧振器中積累的能量并用-dW/dt表示單位時(shí)間內(nèi)因諧振器中的吸收引起的能量損失時(shí)，定義Qa＝ω0×W/(dW/dt)，因此Qa＝(ω0×nm)/(a×c)，其中nm為諧振器24的有效折射率，a為吸收因子，c為光速。
就此而論，電磁波的輸出強(qiáng)度可認(rèn)為是下降效率(D)，其表示為引入到輸入端口的電磁波強(qiáng)度S+1與從輸出端口發(fā)出的電磁波強(qiáng)度S-2之比，如下面的公式所示D=|S-2S+1|2]]>(公式3)為了補(bǔ)償外界干擾以進(jìn)行穩(wěn)定的測(cè)量，圖2所示的方案包括控制器70，其監(jiān)控從電磁波源10輸出的電磁波強(qiáng)度以通過反饋控制保持輸出強(qiáng)度恒定。
除了圖1的配置之外，光子傳感器元件可配置為如圖4至圖9所示。盡管只關(guān)于傳感器波導(dǎo)22和傳感諧振器24說明上述結(jié)構(gòu)，但是類似的配置可應(yīng)用到參考波導(dǎo)和參考諧振器。
圖4的光子傳感器元件20在傳感器波導(dǎo)22中形成有多個(gè)傳感諧振器24，并且在相反的縱向端分別形成有電磁波的輸入端口21和輸出端口23。每個(gè)傳感諧振器24設(shè)計(jì)為使具有特定波長(zhǎng)的相同電磁波諧振，并設(shè)置為增加與目標(biāo)物質(zhì)接觸的機(jī)會(huì)，從而提高目標(biāo)物質(zhì)的檢測(cè)靈敏度。
圖5的光子傳感器元件20整體地形成有加熱器80，通過加熱器80進(jìn)行熱控制來保持光子傳感器元件的均勻光學(xué)特性，從而對(duì)目標(biāo)物質(zhì)進(jìn)行精確的濃度檢測(cè)。通過使用溫度傳感器并通過圖2所示的控制器進(jìn)行熱控制。除了這一用途，加熱器80還可用于通過加熱將目標(biāo)物質(zhì)和雜質(zhì)從傳感諧振器中驅(qū)除。加熱器的適時(shí)加熱能夠恢復(fù)傳感器元件。該加熱器優(yōu)選由珀?duì)柼?Peltier)元件制成。
另外，加熱器可用作調(diào)制裝置，用以調(diào)制在波導(dǎo)中傳播的電磁波的波長(zhǎng)或強(qiáng)度。即加熱器的周期性通電能夠周期性地調(diào)制從諧振器發(fā)出的電磁波的強(qiáng)度或波長(zhǎng)，以使分析器能夠從檢測(cè)器檢測(cè)到的電磁波中只選擇經(jīng)調(diào)制的電磁波，從而將其與不是來自諧振器的電磁波噪聲區(qū)別開，以提高檢測(cè)精度。該調(diào)制裝置不限于加熱器，可以包括那些能夠?qū)碜噪姶挪ㄔ吹碾姶挪ㄟM(jìn)行波長(zhǎng)調(diào)制或強(qiáng)度調(diào)制的裝置。例如，為了周期性地中斷電磁波源的輸出，調(diào)制裝置可配置為包括斷路旋轉(zhuǎn)板(chopping rotary plate)和馬達(dá)，該馬達(dá)由控制器控制以驅(qū)動(dòng)斷路旋轉(zhuǎn)板。
在圖6的光子傳感器元件20中，傳感器波導(dǎo)由相互平行延伸的輸入波導(dǎo)22A和輸出波導(dǎo)22B組成。傳感諧振器24設(shè)置在輸入波導(dǎo)22A與輸出波導(dǎo)22B之間的中間部位，以從位于輸入波導(dǎo)22A一端的輸入端口21接收特定波長(zhǎng)地電磁波，并使該電磁波諧振。該電磁波通過輸出波導(dǎo)22B傳播，以通過位于輸出波導(dǎo)一端的輸出端口23將該電磁波發(fā)射到檢測(cè)器。
在圖7的光子傳感器元件20中，傳感器波導(dǎo)22在其相反的縱向端定義輸入端口21和輸出端口23，而傳感諧振器24形成在光子傳感器元件20的橫向上隔開的部位，即在與傳感器波導(dǎo)的縱向相垂直的方向上隔開的部位，從而使從傳感諧振器24發(fā)出的電磁波通過輸出端口23輸出到檢測(cè)器。
圖8的光子傳感器元件20配置為在光子傳感器元件的厚度方向上從傳感諧振器24發(fā)射電磁波，以將傳感諧振器24與設(shè)置在該傳感諧振器上方的檢測(cè)器電磁耦合。
在上面的實(shí)施例中，傳感器波導(dǎo)22和傳感諧振器24與檢測(cè)器40協(xié)作，以提供檢測(cè)一種目標(biāo)物質(zhì)的濃度的單一檢測(cè)單元。因此，通過關(guān)于不同種類的目標(biāo)物質(zhì)提供多個(gè)檢測(cè)單元，能夠測(cè)量不同種類的目標(biāo)物質(zhì)的濃度。在這種情況下，使不同波長(zhǎng)的電磁波諧振的多個(gè)傳感諧振器和對(duì)應(yīng)數(shù)量的傳感器波導(dǎo)一起形成在一個(gè)光子傳感器元件中。
<第二實(shí)施例>
圖9示出本發(fā)明的第二實(shí)施例，其中光子傳感器元件20配置為通過單一輸入端口21將來自電磁波源10的電磁波提供給傳感諧振器24和參考諧振器34。光子傳感器元件20形成有第一光子晶體結(jié)構(gòu)PC1和第二光子晶體結(jié)構(gòu)PC2，第一光子晶體結(jié)構(gòu)PC1和第二光子晶體結(jié)構(gòu)PC2是彼此不同的晶體結(jié)構(gòu)。即這兩種不同的晶體結(jié)構(gòu)具有以不同的周期排列在二維陣列中的改變折射率的微小圓孔，以選擇性傳播不同波長(zhǎng)的電磁波。傳感器波導(dǎo)包括延伸過兩種晶體結(jié)構(gòu)PC1和PC2的輸入波導(dǎo)22A和分別屬于每一種晶體結(jié)構(gòu)的兩個(gè)輸出波導(dǎo)22B1和22B2。傳感諧振器24和參考諧振器34分別形成在晶體結(jié)構(gòu)PC1和PC2中，以與輸入波導(dǎo)22A和輸出波導(dǎo)22B1和22B2電磁耦合。光子晶體結(jié)構(gòu)PC1和PC2設(shè)計(jì)為分別使波長(zhǎng)彼此不同的電磁波在諧振器24和34中諧振。即第一光子晶體結(jié)構(gòu)PC1引起目標(biāo)物質(zhì)吸收的、具有第一波長(zhǎng)(λ1)的電磁波諧振，而第二光子晶體結(jié)構(gòu)引起具有不同于第一波長(zhǎng)(λ1)的第二波長(zhǎng)(λ2)的電磁波諧振。使用具有與圖1和圖2所示相同結(jié)構(gòu)的檢測(cè)器40，以使輸出強(qiáng)度計(jì)41檢測(cè)具有第一波長(zhǎng)(λ1)的電磁波的強(qiáng)度，而參考強(qiáng)度計(jì)51檢測(cè)具有第二波長(zhǎng)(λ2)的電磁波的強(qiáng)度。濃度計(jì)42比較第一波長(zhǎng)(λ1)的電磁波強(qiáng)度和第二波長(zhǎng)(λ2)電磁波強(qiáng)度，從而獲得第一波長(zhǎng)(λ1)的電磁波的衰減因子，并以與第一實(shí)施例中相同的方式根據(jù)衰減因子計(jì)算目標(biāo)物質(zhì)的濃度。
在本實(shí)施例中，由于傳感諧振器24設(shè)置為使目標(biāo)物質(zhì)吸收的、具有第一波長(zhǎng)(λ1)的電磁波諧振，而參考諧振器34設(shè)置為使具有與第一波長(zhǎng)不同的第二波長(zhǎng)(λ2)的電磁波諧振，從而在參考諧振器34處諧振的電磁波不受目標(biāo)物質(zhì)的影響。因此，需要將參考諧振器34與包含目標(biāo)物質(zhì)的氣氛隔離。
<第三實(shí)施例>
圖10和圖11示出了一實(shí)施例，其公開了一種實(shí)現(xiàn)對(duì)具有改變氣氛折射率的顯著特性的目標(biāo)物質(zhì)進(jìn)行測(cè)量的方案。該目標(biāo)物質(zhì)包括例如蒸汽和酒精。目標(biāo)物質(zhì)的濃度測(cè)量是利用以下現(xiàn)象相應(yīng)于由于目標(biāo)物質(zhì)的存在而導(dǎo)致的傳感諧振器周圍的折射率改變，傳感諧振器處諧振的電磁波的波長(zhǎng)偏移。圖12表示目標(biāo)物質(zhì)的折射率與在諧振器處諧振的電磁波的對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)之間的關(guān)系。因此，通過將傳感諧振器設(shè)計(jì)為在由目標(biāo)物質(zhì)確定的特定波長(zhǎng)諧振，目標(biāo)物質(zhì)的濃度可視為從傳感電極24發(fā)出的輸出強(qiáng)度的函數(shù)。
為此，本實(shí)施例配置為將包括特定波長(zhǎng)的較寬帶寬中的電磁波引入到傳感器波導(dǎo)22，以從傳感諧振器24發(fā)出的電磁波中選取出目標(biāo)物質(zhì)固有的特定波長(zhǎng)的電磁波的強(qiáng)度，并根據(jù)電磁強(qiáng)度計(jì)算濃度。圖中所示實(shí)施例的光子傳感器元件20配置為具有由相互平行延伸的輸入波導(dǎo)22A和輸出波導(dǎo)22B構(gòu)成的傳感器波導(dǎo)和設(shè)置在上述波導(dǎo)之間的傳感諧振器24。傳感諧振器24暴露于包含目標(biāo)物質(zhì)的氣氛中，從而當(dāng)諧振器與預(yù)期的目標(biāo)物質(zhì)接觸時(shí)，該諧振器使通過位于輸入波導(dǎo)22A一個(gè)縱向端的輸入端口21引入的電磁波中目標(biāo)物質(zhì)固有的特定波長(zhǎng)的電磁波諧振。然后，諧振的電磁波通過位于輸出波導(dǎo)22B一個(gè)縱向端的輸出端口23被輸出到檢測(cè)器40。
檢測(cè)器40配置為具有光譜分析功能，以通過光譜選擇具有由目標(biāo)物質(zhì)確定的特定波長(zhǎng)的電磁波、獲取選擇的電磁波的強(qiáng)度、確定與該電磁波強(qiáng)度成比例的目標(biāo)物質(zhì)的濃度以及輸出表示目標(biāo)物質(zhì)濃度的濃度信號(hào)。顯示器60設(shè)置為相應(yīng)于濃度信號(hào)顯示濃度。
電磁波源10提供包括由目標(biāo)物質(zhì)確定的波長(zhǎng)例如2μm至13μm的較寬帶寬中的電磁波。
圖13至圖20示出如上討論的第三實(shí)施例中使用的光子傳感器元件20的各種改型。
在圖13至圖15的改型中，傳感諧振器24在其頂部形成有反應(yīng)器80，該反應(yīng)器80吸收目標(biāo)物質(zhì)或與目標(biāo)物質(zhì)反應(yīng)以改變傳感諧振器24中諧振的電磁波的波長(zhǎng)。反應(yīng)器80設(shè)置為確定地引起或放大取決于目標(biāo)物質(zhì)的波長(zhǎng)偏移，并且反應(yīng)器80由如下材料制成由于目標(biāo)物質(zhì)的存在，明顯地改變諧振器24周圍的折射率。例如，在實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物質(zhì)為水的濕度傳感器時(shí)，可使用吸收水的SiO2或者聚合物。在實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物質(zhì)為生物材料的生物傳感器時(shí)，可使用如羧酸鹽的受體(receptor)。在圖14中，“M”用于示意性地表示被吸收至反應(yīng)器80的目標(biāo)物質(zhì)的分子。
圖16至圖18的改型配置為在光子傳感器元件20中具有兩個(gè)諧振器24A和24B，并且僅在其中一個(gè)諧振器24A上設(shè)置反應(yīng)器80。在存在目標(biāo)物質(zhì)的情況下，一個(gè)諧振器24A中諧振的電磁波的波長(zhǎng)偏離另一個(gè)諧振器24B中諧振的電磁波的波長(zhǎng)，從而削弱兩個(gè)諧振器之間的電磁耦合力，進(jìn)而改變輸出到檢測(cè)器40的電磁波的強(qiáng)度。檢測(cè)器40識(shí)別電磁波強(qiáng)度的變化，從而根據(jù)該變化確定目標(biāo)物質(zhì)的濃度。雖然檢測(cè)器40設(shè)置為根據(jù)設(shè)置有反應(yīng)器的諧振器處諧振的電磁波的強(qiáng)度變化來確定濃度，但是在沒有反應(yīng)器的諧振器處諧振的電磁波的強(qiáng)度同樣適用。
在圖16的改型中，沿著光子傳感器元件20的橫向，兩個(gè)諧振器24A和24B設(shè)置在輸入波導(dǎo)22A和輸出波導(dǎo)22B之間。在圖17的改型中，沿著波導(dǎo)22且在波導(dǎo)22之外設(shè)置兩個(gè)諧振器24A和24B。在圖18的改型中，在位于波導(dǎo)22中心的一行中設(shè)置兩個(gè)諧振器24A和24B。
圖19的改型配置為在一個(gè)光子傳感器元件20中包括多對(duì)波導(dǎo)22和諧振器24，并包括用于每一對(duì)波導(dǎo)22和諧振器24的一組電磁波源10和檢測(cè)器40。諧振器24設(shè)計(jì)為使具有不同波長(zhǎng)的電磁波諧振，用于多種目標(biāo)物質(zhì)的濃度測(cè)量。在這種情況下，至少一個(gè)諧振器可以設(shè)置有上述反應(yīng)器。
將圖20的改型配置為平面?zhèn)鞲衅鳎渲性趩我还庾觽鞲衅髟?0中沿其一個(gè)維度設(shè)置多個(gè)平行波導(dǎo)22，并且在二維平面中交叉地排列多個(gè)諧振器24。來自單一電磁波源10的電磁波被引入到每個(gè)波導(dǎo)22，而諧振器24分別連接到檢測(cè)器40。檢測(cè)器40也排列在二維平面中并由框架90支撐。每個(gè)檢測(cè)器40在與諧振器24的平面垂直的方向上與諧振器24的平面隔開，以接收從每個(gè)諧振器24發(fā)出的電磁波。諧振器24設(shè)計(jì)為與相鄰的波導(dǎo)22電磁耦合，并使具有不同波長(zhǎng)的電磁波諧振，從而能夠識(shí)別平面內(nèi)折射率變化，即平面內(nèi)目標(biāo)物質(zhì)的變化。也就是說，來自不同諧振器24的電磁波強(qiáng)度分別代表不同目標(biāo)物質(zhì)的濃度。因此，除了濃度檢測(cè)之外，例如，還能夠檢測(cè)目標(biāo)物質(zhì)經(jīng)歷的反應(yīng)進(jìn)程，也能夠檢測(cè)目標(biāo)物質(zhì)的平面內(nèi)分布。當(dāng)多個(gè)諧振器24設(shè)計(jì)為使相同波長(zhǎng)的電磁波諧振時(shí)，能夠獲得特定目標(biāo)物質(zhì)的平面內(nèi)濃度分布。另外，在此改型中，諧振器可以另外設(shè)置有反應(yīng)器。
<第四實(shí)施例>
圖21和圖22示出本發(fā)明的第四實(shí)施例，其基本上與第三實(shí)施例相同，但是使用提供可變波長(zhǎng)的電磁波的電磁波源10，從而通過波長(zhǎng)掃描為光子傳感器元件20提供波長(zhǎng)隨時(shí)間變化的電磁波。將波長(zhǎng)掃描的范圍設(shè)定為包括由目標(biāo)物質(zhì)的折射率確定的特定波長(zhǎng)。由檢測(cè)器40進(jìn)行濃度測(cè)量，檢測(cè)器40在從電磁波源10引入特定波長(zhǎng)的電磁波時(shí)從諧振器24獲取電磁波強(qiáng)度。為此，本實(shí)施例包括掃描控制器46，掃描控制器46隨時(shí)間改變來自電磁波源10的電磁波的波長(zhǎng)，同時(shí)將電磁波輸出的讀取與波長(zhǎng)掃描同步。為了進(jìn)行濃度測(cè)量，將具有與對(duì)應(yīng)于目標(biāo)物質(zhì)的特定波長(zhǎng)不同的波長(zhǎng)的電磁波的強(qiáng)度存儲(chǔ)為參考強(qiáng)度，將特定波長(zhǎng)的電磁波的強(qiáng)度與該參考強(qiáng)度進(jìn)行比較來計(jì)算目標(biāo)物質(zhì)的濃度。按這種設(shè)置，能夠分析在波長(zhǎng)掃描范圍內(nèi)變化的每一波長(zhǎng)的電磁波強(qiáng)度，從而獲得各種目標(biāo)物質(zhì)的濃度。除了圖21的結(jié)構(gòu)之外，本實(shí)施例的光子傳感器元件20可以具有如圖5至圖8和圖13至圖18所示的任何一種結(jié)構(gòu)。
另外，為了提高測(cè)量精度，本實(shí)施例可包括循環(huán)調(diào)制從諧振器發(fā)出的電磁波的強(qiáng)度或從電磁波源提供到諧振器的電磁波的強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)。
<第五實(shí)施例>
圖23示出了本發(fā)明的第五實(shí)施例，其中將上述反應(yīng)器80設(shè)置在光子傳感器元件20中貫穿諧振器24的電磁波通道中。當(dāng)反應(yīng)器80吸收目標(biāo)物質(zhì)或與目標(biāo)物質(zhì)反應(yīng)時(shí)，電磁波通道(能量耦合通道)中的電磁耦合效率，即有效波導(dǎo)長(zhǎng)度改變，從而相應(yīng)地改變檢測(cè)器40檢測(cè)到的電磁波強(qiáng)度。對(duì)于目標(biāo)物質(zhì)的濃度測(cè)量，依賴于電磁波強(qiáng)度的變化。在本實(shí)施例中，為了改變?cè)诖嬖谀繕?biāo)物質(zhì)的情況下與設(shè)置在波導(dǎo)22中心附近的諧振器24的電磁耦合效率，將反應(yīng)器80設(shè)置在波導(dǎo)22的中心處，在波導(dǎo)22的相反端分別形成有輸入端口21和輸出端口23。
圖24示出第五實(shí)施例的改型，其中在光子傳感器元件20中在與波導(dǎo)22平行排列的兩個(gè)諧振器24之間形成反應(yīng)器80，用于根據(jù)兩個(gè)諧振器之間的電磁耦合效率的變化進(jìn)行目標(biāo)物質(zhì)的濃度測(cè)量。
圖25示出第五實(shí)施例的改型，其中在光子傳感器元件20中在兩個(gè)平行的波導(dǎo)、即輸入波導(dǎo)22A和輸出波導(dǎo)22B之間排列的兩個(gè)諧振器24之間形成反應(yīng)器80，用于根據(jù)兩個(gè)諧振器之間的電磁耦合效率的變化進(jìn)行目標(biāo)物質(zhì)的濃度測(cè)量。
<第六實(shí)施例>
圖26示出本發(fā)明的第六實(shí)施例，其中光子傳感器元件20配置為具有第一光子晶體結(jié)構(gòu)PC1和第二光子晶體結(jié)構(gòu)PC2，第二光子晶體結(jié)構(gòu)PC2的晶體結(jié)構(gòu)不同于第一晶體結(jié)構(gòu)但其從第一晶體結(jié)構(gòu)連續(xù)形成。在這些晶體結(jié)構(gòu)中，為了選擇性地傳播不同波長(zhǎng)的電磁波，用于改變折射率的微小圓孔以彼此不同的周期排列成二維陣列。輸入波導(dǎo)22A和輸出波導(dǎo)22B均形成為橋接第一晶體結(jié)構(gòu)PC1和第二晶體結(jié)構(gòu)PC2。在第一晶體結(jié)構(gòu)PC1的一端，輸入波導(dǎo)22A和輸出波導(dǎo)22B分別形成有電磁波的輸入端口21和輸出端口23。諧振器24設(shè)置在第一光子晶體結(jié)構(gòu)PC1中的輸入波導(dǎo)22A和輸出波導(dǎo)22B之間以與這兩個(gè)波導(dǎo)電磁耦合。諧振器24設(shè)計(jì)為使具有特定波長(zhǎng)的電磁波諧振。
輸入波導(dǎo)22A在第一晶體結(jié)構(gòu)PC1與第二晶體結(jié)構(gòu)PC2之間的界面處形成有輸入反射鏡25A，該輸入反射鏡只反射在諧振器處諧振的特定波長(zhǎng)的電磁波，而使其它波長(zhǎng)的電磁波通過。同樣地，輸出波導(dǎo)22B在第一晶體結(jié)構(gòu)PC1與第二晶體結(jié)構(gòu)PC2之間的界面處形成有輸出反射鏡25A，該輸出反射鏡只反射在諧振器處諧振的特定波長(zhǎng)的電磁波，而使其它波長(zhǎng)的電磁波通過。上述反射器基于如下根據(jù)形成第一晶體結(jié)構(gòu)PC1和第二晶體結(jié)構(gòu)PC2具有彼此不同的周期結(jié)構(gòu)，并負(fù)責(zé)提高將在諧振器24處諧振的特定波長(zhǎng)的電磁波從輸入波導(dǎo)22A傳播到諧振器24的效率和提高將在諧振器24處諧振的特定波長(zhǎng)的電磁波通過輸出波導(dǎo)22B輸出到檢測(cè)器40的效率。
輸入波導(dǎo)22A和輸出波導(dǎo)22B在橋接第一晶體結(jié)構(gòu)PC1和第二晶體結(jié)構(gòu)PC2的部位分別形成有上述反應(yīng)器80，上述反應(yīng)器在與目標(biāo)物質(zhì)反應(yīng)時(shí)，改變上述晶體結(jié)構(gòu)之間的界面特性，以改變輸入反射鏡25A和輸出反射鏡25B的功能，從而顯著降低反射在諧振器24處諧振的特定波長(zhǎng)的電磁波的功能。因此，在反應(yīng)器80處識(shí)別目標(biāo)物質(zhì)時(shí)，從輸出波導(dǎo)22B發(fā)出的特定波長(zhǎng)的電磁波的強(qiáng)度降低，從而根據(jù)電磁波強(qiáng)度的變化能夠計(jì)算目標(biāo)物質(zhì)的濃度。即根據(jù)檢測(cè)器40接收到的電磁波強(qiáng)度獲得下降效率(D)，并根據(jù)下降效率(D)獲得濃度。下降效率(D)是輸出電磁波強(qiáng)度S-2與輸入電磁波強(qiáng)度S+1之比，如上面的公式3所示。
下降效率(D)也用下面的公式表示。
D=|S-2S+1|2=4{Qinb/(1+cosθ1·Qinr/(1+cosθ2)}4(ω-ω′0ω0)2+{1Qv+1Qinb/((1+cosθ1)+1Qinr/((1+cosθ2)}2]]>(公式4)θ1＝2β1×d1+Δ1(公式5)θ2＝2β2×d2+Δ2(公式6)Qinb＝ω0×W/(-dW/dt) (公式7)Qinb＝ω0×W/(-dW/dt) (公式8)ω0′=ω0(1+sinθ12Qinb+sinθ22Qinv)]]>(公式9)在上面的公式中，d1是沿著輸入波導(dǎo)22A的長(zhǎng)度方向諧振器24與輸入反射鏡25A之間的距離；d2是沿著輸出波導(dǎo)22B的長(zhǎng)度方向諧振器24與輸出反射鏡25B之間的距離；β1是輸入波導(dǎo)22A的傳播因子；β2是輸出波導(dǎo)22B的傳播因子；Δ1是在輸入反射鏡25A上反射的電磁波的反射相位變化；Δ2是在輸出反射鏡25B上反射的電磁波的反射相位變化；
θ1是在輸入反射鏡25A上反射并返回至諧振器24周圍的電磁波的相位偏移量。
θ2是在輸出反射鏡25B上反射并返回至諧振器24周圍的電磁波的相位偏移量。
ω0是諧振器24的諧振頻率；Qinb是諧振器24與輸入波導(dǎo)22A之間的Q值；Qinr是諧振器24與輸出波導(dǎo)22B之間的Q值；W是諧振器24中積累的能量；以及dW/dt是每單位時(shí)間從諧振器24到輸入波導(dǎo)22A的能量損失，每單位時(shí)間從諧振器24到輸出波導(dǎo)22B的能量損失。
由于本實(shí)施例的光子傳感器元件20配置為通過在疊置在SiO2襯底上的硅半導(dǎo)體層中形成大量微小圓孔來實(shí)現(xiàn)光子晶體結(jié)構(gòu)，其中將諧振器24制作為通過消除圓孔，即通過用Si填充孔而形成的施主型缺陷，因此到自由空間的輻射損失較小以提供高Qv，從而Qinb/(1+cosθ1)＜＜Qv。因此，上面公式4中的“1/Qv”項(xiàng)可以被忽略。從而，通過設(shè)置滿足關(guān)系Qinb/(1+cosθ1)＝Qinr/(1+cosθ2)和θ1、θ2≠2Nπ(N＝0、1、...)的參數(shù)d1、d2、β1、β2、Δ1、D2、θ1、θ2、Qinb、Qinr、Qv，在沒有目標(biāo)物質(zhì)的情況下能夠提供大約為1(即100％)的下降效率；而在存在目標(biāo)物質(zhì)的情況下能夠使下降效率在很大程度上不同，從而實(shí)現(xiàn)高靈敏度的濃度測(cè)量。
注意就此而論，雖然上述實(shí)施例使用硅半導(dǎo)體的光子晶體作為光子傳感器元件，但是本發(fā)明不應(yīng)局限于此，可以使用各種光子晶體例如GaAs和InP。
此外，根據(jù)目標(biāo)物質(zhì)的種類，可適當(dāng)?shù)剡x擇從電磁波源提供給光子傳感器元件的電磁波的波長(zhǎng)。根據(jù)目標(biāo)物質(zhì)，可應(yīng)用的電磁波可適當(dāng)?shù)剡x自光學(xué)傳輸帶寬例如C帶(1530nm至1565nm)和L帶(1565nm至1625nm)的電磁波。另外，電磁波源10可選自產(chǎn)生光傳輸帶寬的電磁波的裝置，包括發(fā)光二極管、半導(dǎo)體激光器、鹵素?zé)簟SE(放大自發(fā)發(fā)射)光源和SC(超連續(xù))光源。當(dāng)產(chǎn)生近紅外波長(zhǎng)帶時(shí)，可以使用黑體發(fā)射光源例如具有所謂微橋結(jié)構(gòu)的紅外輻射元件，在該紅外輻射元件中線性加熱器橋接在矩形支撐襯底一個(gè)面上的兩點(diǎn)之間，例如該襯底使用通過微加工技術(shù)制造的硅襯底。
雖然上述實(shí)施例公開了用于檢測(cè)預(yù)定目標(biāo)物質(zhì)濃度的結(jié)構(gòu)，但是本發(fā)明不應(yīng)局限于此，并且通過分析從光子傳感器元件輸出的電磁波強(qiáng)度本發(fā)明同樣可用于檢測(cè)目標(biāo)物質(zhì)的種類或特性。
另外，雖然上述實(shí)施例公開了作為氣體傳感器、濕度傳感器和生物傳感器的應(yīng)用，但是本發(fā)明不應(yīng)局限于此，并且本發(fā)明可用作檢測(cè)其它物質(zhì)的傳感器例如離子傳感器。
本申請(qǐng)要求2004年03月24日申請(qǐng)的日本專利申請(qǐng)No.2004-87666的優(yōu)先權(quán)，并援引該日本專利申請(qǐng)中公開的全部?jī)?nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種用于確定目標(biāo)物質(zhì)特性的傳感器，所述傳感器包括電磁波源，提供電磁波；光子傳感器元件，具有光子晶體結(jié)構(gòu)并配置為包括傳感器波導(dǎo)，用于引入所述電磁波；以及傳感諧振器，與所述傳感器波導(dǎo)電磁耦合，用于使特定波長(zhǎng)的電磁波諧振，所述傳感諧振器暴露于包含所述目標(biāo)物質(zhì)的氣氛中以改變從所述傳感諧振器發(fā)出的所述電磁波的特性；以及檢測(cè)器，配置為接收從所述傳感諧振器發(fā)出的電磁波以識(shí)別所述電磁波的強(qiáng)度變化，并發(fā)出表示所述目標(biāo)物質(zhì)特性的信號(hào)。
2.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其中，所述檢測(cè)器配置為根據(jù)所述電磁波的特性變化確定所述目標(biāo)物質(zhì)的濃度，并發(fā)出表示所述目標(biāo)物質(zhì)濃度的所述信號(hào)。
3.如權(quán)利要求2所述的傳感器，其中，所述光子傳感器元件在所述光子晶體結(jié)構(gòu)中包括參考波導(dǎo)和參考諧振器，所述參考波導(dǎo)引入來自所述電磁波源的所述電磁波，所述參考諧振器與所述參考波導(dǎo)電磁耦合以使引入的所述特定波長(zhǎng)的電磁波諧振，所述參考諧振器被相對(duì)于所述目標(biāo)物質(zhì)隱蔽起來，所述檢測(cè)器包括輸出強(qiáng)度計(jì)，提供檢測(cè)信號(hào)，所述檢測(cè)信號(hào)表示從所述傳感諧振器發(fā)出的所述特定波長(zhǎng)的電磁波的強(qiáng)度；參考強(qiáng)度計(jì)，提供參考信號(hào)，所述參考信號(hào)表示從所述參考諧振器發(fā)出的所述特定波長(zhǎng)的電磁波的強(qiáng)度；以及濃度計(jì)，將所述檢測(cè)信號(hào)與所述參考信號(hào)進(jìn)行比較以獲取所述特定波長(zhǎng)的電磁波的衰減量，從而根據(jù)所述衰減量計(jì)算所述目標(biāo)物質(zhì)的濃度。
4.如權(quán)利要求3所述的傳感器，其中，所述光子傳感器元件具有排列成二維陣列的光子晶體結(jié)構(gòu)；所述傳感器波導(dǎo)和所述參考波導(dǎo)均在二維光子晶體結(jié)構(gòu)中延伸，以在所述波導(dǎo)的相反端分別定義輸入端口和輸出端口；每個(gè)所述輸入端口設(shè)置為接收來自所述電磁波源的所述電磁波，每個(gè)所述輸出端口連接到每個(gè)對(duì)應(yīng)的所述輸出強(qiáng)度計(jì)和所述參考強(qiáng)度計(jì)其中之一，以提供從每個(gè)對(duì)應(yīng)的所述傳感諧振器和所述參考諧振器其中之一發(fā)出的電磁波。
5.如權(quán)利要求3所述的傳感器，其中，所述光子傳感器元件具有排列成二維陣列的光子晶體結(jié)構(gòu)；所述傳感器波導(dǎo)和所述參考波導(dǎo)均在二維光子晶體結(jié)構(gòu)中延伸，以在所述波導(dǎo)的相反端分別定義輸入端口和輸出端口；所述傳感諧振器和所述參考諧振器分別設(shè)置在所述傳感器波導(dǎo)和所述參考波導(dǎo)中，每個(gè)所述輸入端口設(shè)置為接收來自所述電磁波源的所述電磁波，每個(gè)所述輸出端口連接到每個(gè)對(duì)應(yīng)的所述輸出強(qiáng)度計(jì)和所述參考強(qiáng)度計(jì)其中之一，以提供從每個(gè)對(duì)應(yīng)的所述傳感諧振器和所述參考諧振器其中之一發(fā)出的電磁波。
6.如權(quán)利要求5所述的傳感器，其中，多個(gè)所述傳感諧振器沿著所述傳感器波導(dǎo)排列。
7.如權(quán)利要求3所述的傳感器，其中，所述光子傳感器元件具有排列成二維陣列的光子晶體結(jié)構(gòu)；所述傳感器波導(dǎo)和所述參考波導(dǎo)均在二維光子晶體結(jié)構(gòu)中延伸，以在其一個(gè)縱向端定義輸入端口，每個(gè)所述輸入端口設(shè)置為接收來自所述電磁波源的所述電磁波，所述光子傳感器元件還包括傳感輸出波導(dǎo)和參考輸出波導(dǎo)，所述傳感輸出波導(dǎo)和所述參考輸出波導(dǎo)平行于對(duì)應(yīng)的所述傳感器波導(dǎo)和所述參考波導(dǎo)其中之一延伸，并分別與所述傳感器諧振器和所述參考諧振器電磁耦合，所述傳感輸出波導(dǎo)和所述參考輸出波導(dǎo)均在其一個(gè)縱向端定義連接到每個(gè)對(duì)應(yīng)的所述輸出強(qiáng)度計(jì)和所述參考強(qiáng)度計(jì)其中之一的輸出端口。
8.如權(quán)利要求3所述的傳感器，其中，所述光子傳感器元件具有排列成二維陣列的光子晶體結(jié)構(gòu)；所述傳感器波導(dǎo)和所述參考波導(dǎo)均在所述二維光子晶體結(jié)構(gòu)中延伸，以在其一個(gè)縱向端定義輸入端口；每個(gè)所述輸入端口設(shè)置為接收來自所述電磁源的所述電磁波，所述輸出強(qiáng)度計(jì)和所述參考強(qiáng)度計(jì)均以與所述光子傳感器元件的平面隔開的關(guān)系設(shè)置，并連接到每個(gè)對(duì)應(yīng)的所述傳感諧振器和所述參考諧振器其中之一以接收從其發(fā)出的電磁波。
9.如權(quán)利要求2所述的傳感器，其中，所述光子傳感器元件包括具有不同配置并在二維陣列中以并排關(guān)系排列的第一光子晶體結(jié)構(gòu)和第二光子晶體結(jié)構(gòu)，所述傳感器波導(dǎo)包括輸入波導(dǎo)，穿過所述第一和第二光子晶體結(jié)構(gòu)延伸；第一輸出波導(dǎo)，在所述第一晶體結(jié)構(gòu)的范圍內(nèi)延伸；第二輸出波導(dǎo)，在所述第二晶體結(jié)構(gòu)的范圍內(nèi)延伸，所述傳感諧振器形成在所述第一晶體結(jié)構(gòu)中；所述第二晶體結(jié)構(gòu)包括參考諧振器，所述參考諧振器引起波長(zhǎng)與所述傳感諧振器固有的所述特定波長(zhǎng)不同的電磁波諧振；所述檢測(cè)器包括輸出強(qiáng)度計(jì)，配置為提供檢測(cè)信號(hào)，所述檢測(cè)信號(hào)表示從所述傳感諧振器發(fā)出的所述特定波長(zhǎng)的電磁波的強(qiáng)度；參考強(qiáng)度計(jì)，配置為提供參考信號(hào)，所述參考信號(hào)表示從所述參考諧振器發(fā)出的電磁波的強(qiáng)度；以及濃度計(jì)，配置為將所述檢測(cè)信號(hào)與所述參考信號(hào)進(jìn)行比較以獲取所述傳感諧振器處所述特定波長(zhǎng)的電磁波的衰減量，從而計(jì)算作為所述衰減量函數(shù)的所述目標(biāo)物質(zhì)的濃度。
10.如權(quán)利要求2所述的傳感器，其中，所述電磁波源提供不同波長(zhǎng)的電磁波，從而所述傳感諧振器使所述目標(biāo)物質(zhì)確定的所述特定波長(zhǎng)的電磁波諧振，所述檢測(cè)器配置為選擇從所述傳感諧振器發(fā)出的所述特定波長(zhǎng)的電磁波，并根據(jù)這樣選擇的電磁波的強(qiáng)度計(jì)算所述目標(biāo)物質(zhì)的濃度。
11.如權(quán)利要求2所述的傳感器，其中，所述電磁波源配置為掃描電磁波以隨時(shí)間改變其波長(zhǎng)，從而所述傳感諧振器使所述目標(biāo)物質(zhì)確定的特定波長(zhǎng)的電磁波諧振，所述檢測(cè)器配置為提供從所述傳感諧振器發(fā)出的所述特定波長(zhǎng)的電磁波的強(qiáng)度，并根據(jù)所述電磁波的強(qiáng)度計(jì)算所述目標(biāo)物質(zhì)的濃度。
12.如權(quán)利要求10或11所述的傳感器，其中，所述傳感器波導(dǎo)與所述傳感諧振器和所述檢測(cè)器協(xié)作，以定義用于檢測(cè)特定種類的所述目標(biāo)物質(zhì)的單一檢測(cè)單元，所述傳感器包括多個(gè)所述檢測(cè)單元，其中所述傳感諧振器配置為使波長(zhǎng)彼此不同的電磁波諧振，用以感測(cè)不同種類的目標(biāo)物質(zhì)。
13.如權(quán)利要求10或11所述的傳感器，其中，所述傳感諧振器設(shè)置有反應(yīng)器，所述反應(yīng)器與所述目標(biāo)物質(zhì)反應(yīng)以改變?cè)谒鰝鞲兄C振器中諧振的電磁波的波長(zhǎng)，用以使所述特定波長(zhǎng)的電磁波諧振。
14.如權(quán)利要求10或11所述的傳感器，其中，所述光子傳感器元件包括兩個(gè)所述傳感諧振器，所述傳感諧振器其中之一設(shè)置有反應(yīng)器，所述反應(yīng)器與所述目標(biāo)物質(zhì)反應(yīng)以改變?cè)谒鰝鞲兄C振器中諧振的電磁波的波長(zhǎng)，所述兩個(gè)傳感諧振器電磁耦合以提供發(fā)送至所述檢測(cè)器的合成電磁波。
15.如權(quán)利要求10或11所述的傳感器，其中，多個(gè)所述傳感諧振器排列成二維陣列，多個(gè)所述檢測(cè)器排列成二維陣列，并分別連接到所述傳感諧振器以獲取所述特定波長(zhǎng)的電磁波的強(qiáng)度，所述檢測(cè)器配置為計(jì)算與每個(gè)所述傳感諧振器有關(guān)的濃度，提供所述傳感諧振器陣列上的濃度分布。
16.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其中，所述電磁波源提供不同波長(zhǎng)的電磁波，以允許所述傳感諧振器使所述特定波長(zhǎng)的電磁波諧振；多個(gè)所述檢測(cè)器排列成二維陣列，并分別連接到所述傳感諧振器以獲取所述特定波長(zhǎng)的電磁波的強(qiáng)度；所述多個(gè)傳感諧振器配置為使不同波長(zhǎng)的電磁波諧振；所述多個(gè)檢測(cè)器配置為根據(jù)分別從所述傳感諧振器發(fā)出的電磁波的強(qiáng)度檢測(cè)不同種類目標(biāo)物質(zhì)的存在，從而提供不同種類目標(biāo)物質(zhì)的二維分布。
17.如權(quán)利要求2所述的傳感器，其中，所述傳感諧振器配置為使所述特定波長(zhǎng)的所述電磁波諧振；在所述傳感器波導(dǎo)中與所述傳感諧振器電磁耦合的部位設(shè)置有反應(yīng)器；所述反應(yīng)器配置為與所述目標(biāo)物質(zhì)反應(yīng)，以改變所述傳感器波導(dǎo)到所述傳感諧振器之間的有效波導(dǎo)長(zhǎng)度，從而改變所述目標(biāo)檢測(cè)器中接收到的電磁波的強(qiáng)度；所述檢測(cè)器配置為根據(jù)電磁波的強(qiáng)度變化計(jì)算所述目標(biāo)物質(zhì)的濃度。
18.如權(quán)利要求2所述的傳感器，其中，兩個(gè)所述傳感諧振器形成在所述光子傳感器元件中并且相互電磁耦合，所述傳感諧振器配置為使所述特定波長(zhǎng)的所述電磁波諧振，在所述兩個(gè)傳感諧振器之間的能量耦合通道中設(shè)置有反應(yīng)器，所述反應(yīng)器配置為與所述目標(biāo)物質(zhì)反應(yīng)以改變所述能量耦合通道的有效波導(dǎo)長(zhǎng)度，從而改變從所述傳感諧振器發(fā)出的電磁波的強(qiáng)度，所述檢測(cè)器配置為根據(jù)電磁波的強(qiáng)度變化計(jì)算所述目標(biāo)物質(zhì)的濃度。
19.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其中，所述光子傳感器元件包括彼此不同并在二維陣列中以并排關(guān)系排列的第一光子晶體結(jié)構(gòu)和第二光子晶體結(jié)構(gòu)；所述傳感器波導(dǎo)由相互平行延伸的輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)構(gòu)成，所述輸入和輸出波導(dǎo)均在所述第一光子晶體結(jié)構(gòu)的全長(zhǎng)上延伸并延伸到所述第二光子晶體結(jié)構(gòu)中；所述傳感諧振器形成在所述輸入波導(dǎo)與所述輸出波導(dǎo)之間的所述第一晶體結(jié)構(gòu)中；所述輸入波導(dǎo)在其遠(yuǎn)離所述第二晶體結(jié)構(gòu)的一個(gè)縱向端定義輸入端口，用于接收來自所述電磁波源的所述電磁波；所述輸出波導(dǎo)在其遠(yuǎn)離所述第二晶體結(jié)構(gòu)的一個(gè)縱向端定義輸出端口，用于發(fā)射在所述傳感諧振器處諧振的所述特定波長(zhǎng)的電磁波；所述輸入波導(dǎo)在所述第一和第二晶體結(jié)構(gòu)之間的界面處形成有輸入反射鏡，用于向所述輸出端口反射所述特定波長(zhǎng)的電磁波；所述輸出波導(dǎo)在所述第一和第二晶體結(jié)構(gòu)之間的界面處形成有輸出反射鏡，用于向所述輸入端口反射所述特定波長(zhǎng)的電磁波；所述輸入波導(dǎo)和所述輸出波導(dǎo)均在橋接所述第一和第二晶體結(jié)構(gòu)的部位設(shè)置有反應(yīng)器；所述反應(yīng)器配置為與所述目標(biāo)物質(zhì)反應(yīng)，以改變所述輸入反射鏡和所述輸出反射鏡的反射效率，從而改變所述目標(biāo)檢測(cè)器接收到的電磁波的強(qiáng)度；以及所述檢測(cè)器配置為根據(jù)電磁波的強(qiáng)度變化計(jì)算所述目標(biāo)物質(zhì)的濃度。
20.如權(quán)利要求1所述的傳感器，還包括控制器，配置為監(jiān)控表示環(huán)境條件的環(huán)境參數(shù)；所述控制器根據(jù)所述環(huán)境參數(shù)改變所述傳感諧振器的光學(xué)特性，以使所述特定波長(zhǎng)的電磁波諧振。
21.如權(quán)利要求20所述的傳感器，其中，所述光子傳感器元件設(shè)置有加熱器，所述加熱器由所述控制器激勵(lì)，以改變所述傳感諧振器的所述光學(xué)特性。
22.如權(quán)利要求1所述的傳感器，還包括恢復(fù)裝置，配置為清除陷在所述傳感諧振器上的目標(biāo)物質(zhì)或雜質(zhì)。
23.如權(quán)利要求22所述的傳感器，其中，所述恢復(fù)裝置是設(shè)置在所述光子傳感器元件一側(cè)的加熱器，以通過加熱將目標(biāo)物質(zhì)或雜質(zhì)從所述傳感諧振器的表面驅(qū)除。
24.如權(quán)利要求1所述的傳感器，還包括調(diào)制裝置，配置為調(diào)制從所述電磁波源提供至所述波導(dǎo)的所述電磁波的波長(zhǎng)和強(qiáng)度其中之一。
25.一種用于檢測(cè)目標(biāo)物質(zhì)濃度的方法，所述方法利用光子傳感器元件，所述光子傳感器元件配置為包括引入電磁波的傳感器波導(dǎo)，以及與所述傳感器波導(dǎo)電磁耦合、用于使特定波長(zhǎng)的所述電磁波諧振的傳感諧振器，所述方法包括如下步驟將所述傳感諧振器暴露于包含所述目標(biāo)物質(zhì)的氣氛中；通過所述傳感器波導(dǎo)引入所述特定波長(zhǎng)的電磁波；檢測(cè)在所述傳感諧振器處諧振的電磁波的強(qiáng)度；以及分析所述強(qiáng)度以計(jì)算所述目標(biāo)物質(zhì)的濃度。
全文摘要
本發(fā)明提供一種使用光子晶體檢測(cè)目標(biāo)物質(zhì)的目標(biāo)物質(zhì)傳感器及其方法，該目標(biāo)物質(zhì)傳感器具有高靈敏度并可減小尺寸。本發(fā)明的傳感器包括提供電磁波的電磁波源、光子傳感器元件和檢測(cè)器。該光子傳感器元件具有光子晶體結(jié)構(gòu)并配置為包括傳感器波導(dǎo)，用于引入電磁波；以及傳感諧振器，與該傳感器波導(dǎo)電磁耦合，用于使特定波長(zhǎng)的電磁波諧振。該傳感諧振器暴露于包含目標(biāo)物質(zhì)的氣氛中以改變從傳感諧振器發(fā)出的電磁波的性質(zhì)。該檢測(cè)器配置為接收從該傳感諧振器發(fā)出的電磁波以識(shí)別電磁波的強(qiáng)度變化，并發(fā)出表示目標(biāo)物質(zhì)性質(zhì)的信號(hào)。
文檔編號(hào)G01N21/45GK1950692SQ200580009249
公開日2007年4月18日 申請(qǐng)日期2005年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月24日
發(fā)明者野田進(jìn), 淺野卓, 高野仁路 申請(qǐng)人:國(guó)立大學(xué)法人京都大學(xué), 松下電工株式會(huì)社