一种柔性可拉伸的光子晶体传感器的制作方法

本实用新型属于光电器件技术领域，更具体地，涉及一种柔性可拉伸的光子晶体传感器。

背景技术：

光子晶体是指由不同折射率介电材料层所构成的能够调制光传播方向的周期性纳米结构。光子晶体一般由三层不同折射率的介电材料所形成，其中间层为折射率系数相对较高的材料用于耦合共振波长。光子晶体类传感器具有耗材小、稳定性高、易于集成并能够大规模生产的特点,使得其在生命科学、基因工程、医疗分析、生物医药等新兴领域得到了广泛应用。传统光子晶体结构器件所采用SiO2、Si等硬质材料作为基底层，使得这一类光子晶体结构器件不具有拉伸、弯曲等弹塑性形变的能力。在面向机器人触觉的多模态感知系统中，除了需要实时精确的检测数据信息，还要求检测器件能够实现对不同的外界物理量(压力、应变和温度等)进行分类感知、与非规则曲面基底共形接触以及承受较大的物理形变等功能。

中国专利CN 106646681A公开了一种光子晶体纳米流体传感器、其制备方法及应用，包括光刻胶层、硅晶片基底、第一折射率材料薄膜层、第二折射率材料薄膜层和聚合物材料封接层，该传感器为基于光子晶体的纳米流体传感器，成功解决了传统的光子晶体传感器消耗检测物过多、检测时间长、测试精度不高的问题，但该传感器采用SiO2、Si等硬质材料作为基底层，不具有拉伸、弯曲等弹塑性形变的能力。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种柔性可拉伸的光子晶体传感器，利用具有可拉伸性的弹塑性光学透明性材料作为传感器基底，从而能够充分发挥柔性基底的可拉伸性功能，对由外界物理量变动引起的光子晶体结构变化进行分类感知。

为实现上述目的，提供了一种柔性可拉伸的光子晶体传感器，其特征在于，包括柔性光栅基底层和高折射率光栅层，其中：

所述柔性光栅基底层包括柔性基底和设于柔性基底上的柔性光栅，所述柔性光栅包括呈周期交替排列的光栅凹槽和光栅凸台，所述光栅凹槽和光栅凸台的上表面均沉积有高折射率材料层。

进一步的，所述柔性光栅基底层由柔性PDMS纳米材料制备而成。

进一步的，所述高折射率材料层的厚度H2为50nm～200nm。

进一步的，所述高折射率材料层为ZnS、Si3N4、TiO2、ZnO或碲酸盐玻璃。

进一步的，所述光栅凹槽的宽度D1为100nm～300nm，所述光栅凸台的宽度D2为100nm～300nm。

进一步的，所述柔性光栅凸台的高度H1为50nm～100nm。

总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本实用新型采用柔性PDMS纳米光栅，并在在柔性光栅基底的表面沉积高折射率材料层，形成柔性可拉伸光子晶体传感器，成功的解决了传统的光子晶体传感器不具备柔性和可拉伸性的不足之处，为柔性光子晶体器件在机器人触觉感知领域的应用提供了基础，具有适应性强、检测精度高的特点。

(2)本实用新型的传感器为柔性可拉伸光子晶体传感器，柔性光栅基底层由柔性PDMS纳米材料，具有柔性和可拉伸性，当受到外界物理量绕动时，其光栅结构形变会反应在光子晶体的共振波谱上面，并通过光谱信息的分析进行应力应变检测，应变拉伸范围可以达到10％以上。

(3)本实用新型的光栅凹槽的宽度D1为100nm～300nm，所述光栅凸台的宽度D2为100nm～300nm，所述柔性光栅凸台的高度H1为50nm～100nm，有效增加了纳米通道的表体面积，当受到外界物理量绕动时，其光栅结构形变大，光子晶体获得的共振波谱清晰，检测速度快，检测实时性强、灵敏度高。

(4)本实用新型采用ZnS、Si3N4、TiO2、ZnO或碲酸盐玻璃高折射率材料层，沉积厚度H2为50nm～200nm，且其折射率材料层可根据共振波长的需求进行调制，从而增强了柔性光子晶体传感器的适应性和检测精度。

(5)本实用新型的柔性可拉伸光子晶体传感器，被检测物可以通过进出口直接进入的纳米流体通道内部，使得传感器的有效折射率系数发生变化，从而依据于纳米通道的巨大表体面积比进行快速检测，检测实时性强、灵敏度高。

附图说明

图1为本实用新型实施例涉及的柔性光子晶体传感器的横向结构示意图；

图2为本实用新型实施例涉及的柔性光子晶体的底部平视图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本实用新型旨在提出一种柔性可拉伸的光子晶体传感器，利用具有可拉伸性的弹塑性光学透明性材料作为基底制备。该方式能够充分发挥柔性基底的可拉伸性功能，对由外界物理量变动引起的光子晶体结构变化进行分类感知。

图1为本实用新型一种基于纳米复制成型的柔性光子晶体传感器的横向结构示意图。如图1所示，该柔性光子晶体传感器包括柔性光栅基底层1和高折射率光栅层2。其中，柔性光栅基底层1包括柔性基地薄膜层6和光栅层5，光栅层5包括多个相互间隔排布的通槽和凸台，通槽的底部和凸台的顶部沉积有高折射率材料层。通槽的宽度D1为100nm～300nm，凸台的宽度D2为100nm～300nm，凸台的高度H1为50nm～100nm，沉积的高折射率材料层的厚度H2为50nm～200nm，从而有效增加了纳米通道的表体面积，当受到外界物理量绕动时，其光栅结构形变大，光子晶体获得的共振波谱清晰，检测速度快，检测实时性强、灵敏度高。柔性光栅基底层由质量比为11:1～9:1的预聚体与固化剂在温度为80～100℃的条件下加热30～60min制备而成的柔性PDMS纳米材料，具有柔性和可拉伸性，当受到外界物理量绕动时，其光栅结构形变会反应在光子晶体的共振波谱上面，并通过光谱信息的分析进行应力应变检测，应变拉伸范围可以达到10％以上。本实用新型采用ZnS、Si3N4、TiO2、ZnO或碲酸盐玻璃高折射率材料层，沉积厚度H2为50nm～200nm。

图2为本实用新型实施例涉及的柔性光子晶体的底部平视图，其中8为传感器，柔性光子晶体的感知是由感知区域7来进行柔性光子晶体与外界物理量(应力、应变、温度和湿度等)的交互，而获得相应的光谱平移量与外界物理量变动间的对应关系。

实用新型的柔性光子晶体传感器，通过将具有高折射率系数的材料沉积在具有光学透明性的柔性光栅表面，制备出具有可拉伸性和柔性的光子晶体类感知器件，并依照柔性光子晶体器件的物理形变进行压力、应变、温度以及湿度等物理信息的感知。该传感器的具体测试方法是用白光照射传感器，并在传感器的另一面用光功率探测器接收透过光，从而得到光子晶体的共振频谱图。由于光子晶体本身的性质，该频谱图会有一个共振波峰。当柔性光子晶体受到压力、应变、温度或湿度等信息变化时，其结构发生一定的物理形变，从而使得柔性光子晶体的光栅周期发生变化。光栅周期的变化会引起光子晶体共振频谱图中的共振波峰发生频移，通过共振波峰的频移值大小就可以判定压力、应变、温度或湿度的变化量。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。