使用耦合结构的感测系统和方法
【专利说明】
【背景技术】
[0001]在感测系统中利用传感器来检测诸如光、温度、运动等的现象、性质和特征。一个类型的传感器是流体(液体或/和气体)传感器，其可操作用于感测流体。由传感器对流体的某些特定性质执行测量，并且然后使用这些测量结果来确定流体本身的类型或确定流体的另一性质。
[0002]常见传感器是被用于测量流体的吸收传感器，并且典型配置是直波导(WG)。该直波导配置使用光通过的直脊状物(肋)。该脊状物与样品接触。波导的输出端口提供光的离开，并且输出信号在波导中的光与在顶部的流体相互作用时改变。可以测量这些变化并使其与流体相关。
[0003]然而，此类波导是相对不灵敏的，并且要求非常长的长度以便充分地识别改变的流体。替换地，为了增加灵敏度，一般地需要多个波导并将其形成为网状物。此网状物结构是脆弱的，并且因此易被损坏。需要改进的传感器。
【附图说明】
[0004]图1是具有耦合结构的传感器系统的图。
[0005]图2A是图示出具有波导和耦合结构的传感器的一个可能配置的侧视图的图。
[0006]图2B是图示出具有耦合结构、波导和锥体(taper)的传感器的顶视图的图。
[0007]图3A是示出了用于耦合结构的示例性锥体轮廓(profile)的图。
[0008]图3B是示出了用于耦合结构的示例性曲线锥体轮廓的图。
[0009]图4是图示出在耦合区域中不具有图案的基于光子晶体(PhC)的波导的图。
[0010]图5是图示出在耦合区域中具有采用二维(2D)光子晶体形式的耦合图案的基于光子晶体的波导的图。
[0011]图6是图示出具有光栅图案作为耦合器的基于光子晶体的波导的图。
[0012]图7是图示出操作具有耦合结构的传感器的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0013]现在将参考附图来描述本公开，其中自始至终使用相似的参考数字来指代相似的元件，并且其中，所示结构和设备不一定按比例绘制。
[0014]下面公开了利用耦合结构来促进耦合效率的传感器系统和方法。传感器一般地包括电磁辐射的源、相互作用体积和检测器。该相互作用体积可以采用位于输入和输出耦合结构之间的波导的形式，其将来自源的输入光耦合到波导中，并将来自波导的输出光耦合到检测器。传感器利用光来测量周围环境的性质，并被用于样品识别、样品检测等。
[0015]波导组成互作用区域，光通过那里并与样品(流体)相互作用。光至少部分地根据接近于波导的条件和/或样品而衰减。
[0016]图1是具有耦合结构的传感器系统100的图。系统100是以简化形式提供的以便帮助理解。系统100作为使用具有耦合结构的波导传感器的系统的示例而提供。可以在一个或多个设备中形成或使用系统100。
[0017]系统100包括接口 102、传感器104和控制单元106。接口 102将传感器104耦合到控制单元106。可以将接口 102配置成提供用于通信的功率和/或信号。
[0018]控制单元106被配置成控制传感器104并获得且利用由传感器104生成的测量结果。例如，在一个示例中可以将控制单元106配置成基于来自传感器104的测量结果或输出信号而确定液体和液体的组成。
[0019]传感器104被配置成以相对高的耦合效率测量和/或检测接近于传感器结构104的(多个)样品。可以将传感器104配置成测量接近于传感器104的样品的化学和/或环境性质。可以将样品放置或定位成与传感器104接触或在104附近。
[0020]传感器104包括被配置成缓解耦合损耗并促进耦合效率的一个或多个耦合结构。该耦合结构允许光从光源进入波导并离开波导以便在检测器处进行测量。
[0021]耦合损耗是来自经由耦合结构进入和/或离开波导的光的衰减和/或损耗。如下面所示，来自光源的光必然需要进入和离开波导/互作用区域。耦合结构组成波导的平板(2D PhC)中的光栅(表面的起皱)或2D孔布置。该耦合结构被配置成将来自光源的光指引到波导中并将来自波导的光指引到检测器。耦合损耗由于光栅、2D PhC耦合器等而发生。耦合损耗越高，则需要生成越多的光且检测器需要越高的灵敏度。
[0022]传感器104的耦合结构被配置成通过包括并配置成锥形部分及其它性质而减轻耦合损耗、增强耦合效率并促进传感器部件的均匀性。其它性质中的某些包括组成、材料、晶格结构、表面的起皱等。
[0023]另外，传感器104的耦合结构被配置成选择光的波长并用作滤波器。可以按照以下各项来选择波长(i)光栅的周期性，(ii)2D PhC耦合器的周期性和半径，以及(iii) 2DPhC WG的周期性和半径及其它性质。例如，可以将耦合结构配置成仅传递光的红外波长。
[0024]光源指向被配置成将发射光引入到互作用区域中的输入耦合结构。光检测器或光电检测器位于输出耦合结构周围，其被配置成将离开的光朝着检测器指引。
[0025]随着光通过互作用区域，光在其特性中的一个或多个方面改变。在一个示例中，发生光衰减。在另一示例中，可以发生光谱标度上的光强度的最大值的位移。该衰减根据与互作用区域接触或接近于该互作用区域的样品而改变。检测器测量输出光。可以将此信息或测量结果提供给控制单元106以用于分析。测量结果与样品相关并包括例如样品类型、液体、气体、温度等。
[0026]图2A和2B描述了包括波导和耦合结构的传感器系统200。该耦合结构被配置成增强耦合效率并提供波长选择性。
[0027]图2A是图示出具有耦合结构的传感器系统200的侧视图的图。利用传感器系统200来检测和/或测量接近于传感器200的流体等。传感器系统200使用其中光通过且根据样品212而被衰减的互作用区域204。用于每个流体的特性是其吸收系数，这导致特性衰减。
[0028]传感器200包括元件201、光源208和光检测器210。元件201包括输入耦合结构202、波导互作用区域204以及输出親合结构206。光源208发射电磁场(光)。可以将光源208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发射的光的在其通过互作用区域204 (波导)之后的波长。样品212接近于波导/互作用区域204或与之相接触地定位。样品212可以包括液体和/或气体。
[0029]输入耦合结构202、互作用区域204和输出耦合结构206在薄膜214上形成。耦合结构202和206 ;以及区域204由适当材料构成，诸如硅(Si )、硫化铅(PbS)、砸化铅(PbSe )、氮化硅(SixNy)，并且具有适当的尺寸。在一个示例中，波导区域204具有2微米的宽度和600纳米的高度。还可以选择或调整其它特性，包括但不限于用于互作用区域204的形状、材料、源和检测器的位置等。在一个示例中，波导是在其截面/折射率方面具有周期性变化的光子晶体或分段波导或者在其中形成。可以用2D图案化来形成该光子晶体或分段波导。
[0030]一般地，光子晶体是两个类型的周期性结构:材料平板中的气孔和空气中的材料棒。对于材料平板中的气孔而言，将气孔布置成周期性晶格。对于空气中的材料棒而言