使用环形谐振器传感器的液体感测系统和方法

文档序号:9522551阅读:497来源:国知局
使用环形谐振器传感器的液体感测系统和方法
【专利说明】
【背景技术】
[0001]传感器在感测系统中被利用以检测诸如光、温度、运动等之类的性质。一种类型的传感器是流体(液体和/或气体)传感器,其可操作成感测流体。由传感器在流体的某个特定性质上执行测量并且这些测量然后被用于确定流体自身的类型或确定流体的另一性质。
[0002]常见传感器是用于测量流体的吸收传感器并且典型的配置是直波导。直波导配置使用光经过的直线脊(肋)。脊与样品接触。波导的输出端口提供出射光并且输出信号在波导中的光与顶上的流体相互作用时改变。这些变化可以被测量并且关联到流体。
[0003]然而,这样的波导相对迟钝并且要求非常长的长度以便充分标识变化的液体。替代于增加灵敏度,一般需要多个波导并且将其形成为网格。该网格构造是脆弱的,并且作为结果,易受破坏。需要改进的传感器。
【附图说明】
[0004]图1是使用环形波导的传感器系统的图。
[0005]图2是图示了多通道环形波导传感器的侧视图的图。
[0006]图3A是图示了具有四个端口的环形多通道波导300的图。
[0007]图3B是图示了具有两个端口的环形多通道波导的图。
[0008]图4A是图示了通过光子晶体实现并且具有四个端口的环形多通道波导的图。
[0009]图4B是图示了通过光子晶体实现并且具有两个端口的环形多通道波导的图。
[0010]图5是具有锥形光栅区的波导的图。
[0011]图6是具有线性或非锥形光栅区的波导的图。
[0012]图7是图示了实现为具有六边形的组件的隔膜的结构的衬底的图。
[0013]图8是图示了操作具有多通道相互作用区的传感器的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0014]现在将参考随附的绘制图来描述本发明,其中相同的参考标号自始至终被用于指相同的元件,并且其中所图示的结构和设备不一定按比例绘制。
[0015]公开了利用具有多通道区的传感器的传感器系统和方法,所述多通道区具有笔直和/或弯曲的形状。多通道区允许光通过相互作用体积的多个通道,这意味着光与样本之间的多个相互作用。波导的大小、形状和组成可以变化或调整成测量不同类型的液体和气体。
[0016]图1是使用环形波导的传感器系统100的图。以简化形式提供系统100以便帮助理解。作为将环形传感器用于感测液体或气体的系统的示例来提供系统100。
[0017]系统100包括接口 102、环形传感器104和控制单元106。接口 102将环形传感器104耦合到控制单元106。接口 102可以被配置成提供用于通信的功率和/或信号。
[0018]控制单元106被配置成控制环形传感器104并且获取和利用由环形传感器104生成的测量。例如,在一个示例中,控制单元106可以被配置成基于来自环形传感器104的测量或输出信号来确定液体和液体的组成。
[0019]环形传感器104被配置成测量和/或检测接近环形传感器104的(多个)样品。传感器104可以被配置成测量接近传感器104的样品的化学和/或环境性质。样品可以被放置或定位成与传感器104接触。
[0020]传感器104包括弯曲或环形波导。以下提供合适形状的一些示例。光源耦合到波导的输入并且光检测器耦合到波导的输出。光多次经过弯曲或环形相互作用区。在光经过时,发生光的衰减。该衰减根据与相互作用区接触或接近于相互作用区的样品而变化。检测器测量输出光。该信息或测量可以被提供给控制单元106以供分析。测量关联到样品并且包括例如样品类型、液体、气体、温度等等。
[0021]图2是图示了多通道波导传感器200的侧视图的图。传感器200被用于检测和/或测量接近于传感器200的流体。传感器200使用光多次经过的多通道区以便增强吸收率并且减小用于传感器的大小。
[0022]传感器200包括波导201、光源208和光检测器210。光源208发射电磁场(或光)。光源208可以被配置成发射特定波长的光,诸如红外线。检测器210被配置成检测或测量由光源208发射的光在其经过波导201之后的波长。样品212接近于波导201定位或与波导201接触。样品212可以包括液体和/或气体。
[0023]波导201包括输入区202、多通道相互作用区204和输出区206并且形成在隔膜214上。波导201包括合适的材料,诸如硅,并且具有合适的尺寸。在一个示例中,波导201具有2微米的宽度和600纳米的高度。针对波导201的其它特性也可以被选择或调节,包括但不限于所使用的端口、用于相互作用区204的环形或盘形、材料等等。另外,在一个示例中,波导201是作为引导介质的肋形波导。肋形波导将光局限于在两个维度上经过。在另一示例中,波导是在其横截面/折射率方面具有周期性改变的光子晶体或分段波导,或者形成在其中。光子晶体或分段波导可以形成有2D或3D图案。
[0024]一般地,光子晶体是两种类型的周期性结构:材料板中的气孔和空气中的材料棒。对于材料板中的气孔,气孔布置在周期性晶格中。对于空气中的材料棒,棒布置在周期性晶格中。以下描述光子晶体的示例。板中的孔可以填充有相比于板的材料而言具有不同的折射率的材料。
[0025]输入区202从光源208接收所发射的光并且使光指向多通道相互作用区204。在一个示例中,光源208关于波导201面偏离定位并且输入区202被配置有光栅以允许光进入波导201。在另一示例中,光源208定位成使得指导所发射的光通过光导201。光栅具有合适的尺寸,诸如光栅周期、光栅高度和光栅区的长度(例如2mm),以便允许充足的光进入光导201。在又一示例中,光源208驻留在与波导201相同的芯片上并且与波导201成一直线。
[0026]隔膜214包括用于支撑波导201的合适材料和典型地数个其它波导/传感器。此夕卜,选择合适的材料以提供隔膜特性,包括例如折射率、柔性等等。隔膜214可以在某种程度上是刚性或柔性的,这取决于所使用的材料。在一个示例中,隔膜214包括关于波导在其背侧上的蜂巢结构,其促进强度同时准许柔性。在一个示例中,合适的材料是氮化硅。在另一示例中,合适的材料具有低折射率。
[0027]多通道相互作用区204 (还称为谐振器区)包括被配置成导致所引导的光多次经过或传播通过的环形或弯曲形状。环形形状和大小被配置用于所选波长和吸收率。当所引导的光经过吸收区时,所引导的光根据样品212而衰减。因此,变化的样品类型和特性(诸如寿命和温度)产生在整个区上不同的吸收率。作为结果,所引导的光衰减而从多通道相互作用区204出射。经相互作用的光在相比于所发射的光或没有样品212的情况下的光时衰减。
[0028]经相互作用的光在输出区206处从波导201出射。经相互作用的光由检测器210测量。在一个示例中,输出区206具有允许经相互作用的光从波导201出射的光栅。在另一示例中,输出区206具有与
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