[发明专利]一种基于堆栈型双模式光子晶体纳米束腔的超紧凑高灵敏度双参量传感器

权利要求书

1.提出一种支持空气模式和介质模式共存的堆栈型一维光子晶体纳米束双参传感器，在二氧化硅(SiO₂)衬底上，放置厚度固定、长度和宽度线性渐变的长方体硅(Si)块；这些硅块的晶格常数恒定为400nm，且整体结构关于中心对称；最后，在其表面涂覆一层吸水材料——聚氯乙烯(PVA)，来感知环境中湿度的变化；SiO₂基底的折射率为1.45，Si芯层的折射率为3.46，干燥PVA包层的折射率为1.49；SiO₂基底、Si芯层和PVA包层的厚度分别设为2μm、220nm和2μm。

2.提出一种利用双模式光子晶体纳米束腔进行双参量传感的实现方法：由于空气模和介质模的电场能量分布不同，对外界环境变化的灵敏度不同；利用空气模、介质模各自的温度灵敏度、湿度灵敏度构成的传感矩阵，通过检测透射谱空气模和介质模的谐振波长偏移量，可以构造二元一次方程组，计算出温度和折射率的变化量。

3.根据权利要求1和2所述的双模式堆栈型一维光子晶体纳米束腔双参量传感器，其特征为：支持空气模和介质模在单个一维光子晶体纳米束腔中共存。晶格常数a(硅块间距)恒定为400nm，长方体堆栈的长度和宽度从结构中心向两侧线性变化以形成高斯衰减镜像，且整体结构关于中心对称。用i代表结构一侧的第i个硅块，用i_max代表结构一侧的硅块数目。硅块的宽度(x方向)从中心向左右两侧线性减小，计算公式为l_x(i)＝l_x(1)-(i-1)·[l_x(1)-l_x(i_max)]/i_max，i∈[1,i_max]，其中，l_x(1)＝320nm，l_x(i_max)＝200nm，l_x(i)表示第i个硅块的宽度；硅块的长度(y方向)从中心向左右两侧线性增大，计算公式为l_y(i)＝l_y(1)+(i-1)·[l_y(i_max)-l_x(1)]/i_max，i∈[1,i_max]，其中，l_y(1)＝430nm，l_y(i_max)＝670nm，l_y(i)表示第i个硅块的长度。两边的硅块的数目都为14个，结构尺寸仅为14μm×0.67μm×0.22μm(长×宽×高)。

4.根据权利要求1和2所述的双模式堆栈型一维光子晶体纳米束双参量传感器，其特征在于：该结构置于空气环境中，激发出的空气模式和介质模式分别对周围环境的温度变化和相对湿度变化表现出不同的敏感性；空气模式的温度灵敏度为58.9pm/K，相对湿度灵敏度为-386.6pm/％RH，介质模式的温度灵敏度为47.6pm/K，相对湿度灵敏度为-764.3pm/％RH；由它们所构成的传感矩阵满秩，二元一次方程组有唯一解，可以计算出温度和相对湿度的改变量，实现双参量同时传感。

5.根据权利要求1和2所述的双模式堆栈型一维光子晶体纳米束双参量传感器，其特征在于：两侧的硅块的数目为14个，模式体积小，结构尺寸仅为14μm×0.67μm×0.22μm(长×宽×高)，有利于器件微型化和片上集成。