阅读说明：本技术 测量微小压力的压力传感器及系统 (Pressure sensor and system for measuring micro pressure ) 是由 不公告发明人 于 2020-05-06 设计创作，主要内容包括：本发明涉及测量微小压力的压力传感器及系统,主要涉及压力测量装置领域。本申请的压力传感器包括：光栅层、压电材料层、手性金属结构层和基底；由于光栅层和手性金属结构层之间的表面等离激元的共振位置受该光栅层和该手性金属结构层之间距离的影响非常敏感,当微小的压力作用在该光栅层上时,该光栅层和手性金属结构层之间的距离发生改变,进而使得该光栅层和该手性金属结构层之间的耦合情况发生改变,进一步的改变从该基底出射的出射光的共振位置,并通过该出射光的共振位置的变化情况得到待测压力的数据。(The invention relates to a pressure sensor and a system for measuring micro pressure, and mainly relates to the field of pressure measuring devices. The pressure sensor of the present application includes: the piezoelectric device comprises a grating layer, a piezoelectric material layer, a chiral metal structure layer and a substrate; because the resonance position of the surface plasmon between the grating layer and the chiral metal structure layer is very sensitive to the influence of the distance between the grating layer and the chiral metal structure layer, when a small pressure acts on the grating layer, the distance between the grating layer and the chiral metal structure layer is changed, so that the coupling condition between the grating layer and the chiral metal structure layer is changed, the resonance position of emergent light emitted from the substrate is further changed, and data of the pressure to be measured are obtained through the change condition of the resonance position of the emergent light.)

测量微小压力的压力传感器及系统

技术领域

本发明涉及压力测量装置领域，主要涉及一种测量微小压 力的压力传感器及系统。

背景技术

压力是指发生在两个物体的接触表面的作用力，或者是气 体对于固体和液体表面的垂直作用力，或者是液体对于固体表 面的垂直作用力。

现有技术，对于微小压力的测量，一般采用压力＝压强×受 力面积(F＝pS)，需要先测量受力的面积S，和压强p，然后通 过计算得到待测压力。

但是，当测量微小压力时，现有的压力测量装置由于存在 相对于微小压力较大的系统误差，使得测量得到的微小压力与 实际压力数值存在较大的差异，进而使得得到的微小压力结果 不准确。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一 种测量微小压力的压力传感器及系统，以解决现有技术中当测 量微小压力时，现有的压力测量装置由于存在相对于微小压力 较大的系统误差，使得测量得到的微小压力与实际压力数值存 在较大的差异，进而使得得到的微小压力结果不准确的问题。

为实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下： 第一方面，本申请提供一种测量微小压力的压力传感器，压力 传感器包括：光栅层、压电材料层、手性金属结构层和基底； 光栅层包括多个光栅条，手性金属结构层包括多个手性金属单 元，多个手性金属单元周期设置在基底的一侧，压电材料层设 置在多个手性金属单元远离基底的一侧，多个光栅条周期设置 在压电材料远离基底的一侧，且平行于手性金属结构层的任意 一条边，其中，多个光栅条和多个手性金属单元的设置周期不 同。

可选的，该压力传感器还包括金属颗粒，金属颗粒设置在 光栅层与压电材料层之间。

可选的，该压力传感器还包括金属颗粒，金属颗粒设置在 压电材料层与手性金属结构层之间。

可选的，该手性金属单元的形状可以为：E形、H形、G形 和F形中任意一种。

可选的，该压电材料层的材料为透明压电材料。

可选的，该压电材料层的材料为石英。

可选的，该基底的材料为二氧化硅。

可选的，该多个手性金属单元的材料均为贵金属。

第二方面，本申请提供一种测量微小压力的压力传感系统， 压力传感系统包括：光源、光谱仪和第一方面任意一项的压力 传感器，光源设置在光栅层远离基底的一侧，用于将光照射在 光栅层上，光谱仪设置在基底原理光源的一侧，用于接收并检 测出射光。

本发明的有益效果是：

本申请的压力传感器包括：光栅层、压电材料层、手性金 属结构层和基底；光栅层包括多个光栅条，手性金属结构层包 括多个手性金属单元，多个手性金属单元周期设置在基底的一 侧，压电材料层设置在多个手性金属单元远离基底的一侧，多 个光栅条相互平行且周期设置在压电材料远离基底的一侧，其 中，多个光栅条和多个手性金属单元的设置周期不同，由于光 栅层和手性金属结构层之间的表面等离激元的共振位置受该光 栅层和该手性金属结构层之间距离的影响非常敏感，当微小的 压力作用在该光栅层上时，该光栅层和手性金属结构层之间的 距离发生改变，进而使得该光栅层和该手性金属结构层之间的 耦合情况发生改变，进一步的改变从该基底出射的出射光的共 振位置，并通过该出射光的共振位置的变化情况得到待测压力 的数据。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实 施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图 仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限 定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前 提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为发明实施例提供的一种测量微小压力的压力传感器 的结构示意图；

图2为发明实施例提供的另一种测量微小压力的压力传感 器的俯视图；

图3为发明实施例提供的左旋圆偏振光照射下透射光谱；

图4为发明实施例提供的左旋圆偏振光照射下透射光谱；

图5为发明实施例提供的另一种测量微小压力的压力传感 器的结构示意图；

图6为发明实施例提供的另一种测量微小压力的压力传感 器的结构示意图；

图7为发明实施例提供的调控圆二色性光谱图。

图标：10-基底；20-手性金属结构层；21-手性金属单元； 30-压电材料层；40-光栅层；41-光栅条；50-金属颗粒。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下 面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方 案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一 金属板实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述 和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和 设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述 并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明 的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员 在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属 于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项， 因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不 需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、 “左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关 系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用 时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简 化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的 方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的 限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述， 而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水 平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖 直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可 以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规 定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解， 例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接； 可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以 通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本 领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发 明中的具体含义。

为了使本发明的实施过程更加清楚，下面将会结合附图进 行详细说明。

图1为发明实施例提供的一种测量微小压力的压力传感器的结 构示意图；图2为发明实施例提供的另一种测量微小压力的压 力传感器的俯视图；如图1和图2所示，本申请提供一种测量 微小压力的压力传感器，压力传感器包括：光栅层40、压电材 料层、手性金属结构层20和基底10；光栅层40包括多个光栅 条41，手性金属结构层20包括多个手性金属单元21，多个手 性金属单元21周期设置在基底10的一侧，压电材料层30设置 在多个手性金属单元21远离基底10的一侧，多个光栅条41周 期设置在压电材料远离基底10的一侧，且平行于手性金属结构 层20的任意一条边，其中，多个光栅条41和多个手性金属单 元21的设置周期不同。

手性金属结构层20中包括多个手性金属单元21，多个手性 金属单元21周期性的设置在基底10和压电材料层30之间，多 个手性金属单元21的设置数量和设置周期根据实际需要而定， 在此不做具体限定，为了方便说明在此以该手性金属单元21的 数量为16个进行说明，16个手性金属单元21成四行四列排列， 光栅层40也包括多个光栅条41，该多个光栅条41相互平行的 设置在压电材料层30远离手性金属结构层20的一侧，且光栅 条41数量与手性金属单元21的行或者列的个数有关，若该光 栅条41与手性金属单元21的行平行，则光栅条41的数量就等 于该手性金属单元21行的个数，若该光栅条41与手性金属单 元21的行平行列也同理，在此不做具体说明，则该光栅条41 的数量为四个，且每个光栅条41在基底10上的投影在每列手 性金属单元21在基底10上的投影区域内，一般的，光栅条41 在基底10上的投影靠近每列手性金属单元21投影的一条边， 由于光栅层40和手性金属结构层20之间的表面等离激元的共 振位置受该光栅层40和该手性金属结构层20之间距离的影响 非常敏感，当微小的压力作用在该光栅层40上时，该光栅层40 和手性金属结构层20之间的距离发生改变，进而使得该光栅层 40和该手性金属结构层20之间的耦合情况发生改变，进一步的 改变从该基底10出射的出射光的共振位置，并通过该出射光的 共振位置的变化情况得到待测压力的数据，另外，压电材料层 30设置在该光栅层40和手性金属结构层20之间，使得光栅层 40可以将压力传递到该压电材料层30之上，该压电材料层30 根据压力可以产生对应的电压，进一步使得表面等离激元的发 生变化，进一步的改变从该基底10出射的出射光的共振位置， 并通过该出射光的共振位置的变化情况得到待测压力的数据，需要说明的是，入射光可以是左旋圆偏振光，也可以是右旋圆 偏振光。

图3为发明实施例提供的左旋圆偏振光照射下透射光 谱；图4为发明实施例提供的左旋圆偏振光照射下透射光 谱；如图3和图4所示，为了进一步说明，本申请分别计 算了左旋圆偏振光和右旋圆偏振光照射下，该压力传感器 测量微小压力时，当压力作用在该光栅层40上，该光栅层 40和手性金属结构层20之间不同距离下，出射光的共振 位置改变情况，其中，三角折线表示光栅层40和手性金属 结构层20之间的距离为30纳米，圆圈折线表示光栅层40 和手性金属结构层20之间的距离为20纳米，方形折线表 示光栅层40和手性金属结构层20之间的距离为10纳米， 如图3和图4所示，图3为左旋圆偏振光照射时的透射光谱，图4为右旋圆偏振光照射时的透射光谱，可以通过对 出射光的光谱分析，并与未施加压力时的光谱进行对比， 结合图3或者图4就可以得到该待测微小压力。

图5为发明实施例提供的另一种测量微小压力的压力传感 器的结构示意图；如图5所示，可选的，该压力传感器还包括 金属颗粒50，金属颗粒50设置在光栅层40与压电材料层30之 间。

在金属颗粒50设置在光栅层40与压电材料层30之间设置 金属颗粒50，进而增加光栅层40与压电材料层30之间的耦合 强度，从而使得在改变光栅层40与压电材料层30之间间距的 时候，对共振位置的影响更大，进一步提高测量微小压力的灵 敏度。

图6为发明实施例提供的另一种测量微小压力的压力传感 器的结构示意图；如图6所示，可选的，该压力传感器还包括 金属颗粒50，金属颗粒50设置在压电材料层30与手性金属结 构层20之间。

在压电材料层30与手性金属结构层20之间设置金属颗粒 50，进而增加压电材料层30与手性金属结构层20之间的耦合 强度，从而使得在改变压电材料层30与手性金属结构层20之 间间距的时候，对共振位置的影响更大，进一步提高测量微小 压力的灵敏度。

可选的，该手性金属单元21的形状可以为：E形、H形、 G形和F形中任意一种。

可选的，该压电材料层30的材料为透明压电材料。

可选的，该压电材料层30的材料为石英。

可选的，该基底10的材料为二氧化硅。

可选的，该多个手性金属单元21的材料均为贵金属。

多个该手性金属单元21的材料可以为一种贵金属，也可以 为多种贵金属混和形成的混合贵金属，若多个手性金属单元21 的材料为多种混合贵金属，则混和贵金属中多种贵金属的混合 比例根据实际需要进行设置，在此不做具体限定。

图7为发明实施例提供的调控圆二色性光谱图，如图7所 示，可选的，本申请的压力传感器还可以用于调控圆二色性， 当在该压力传感器上施加压力时，光栅层40和手性金属结构层 20之间的耦合距离发生改变，耦合强度也发生改变，对于左旋 圆偏振光和右旋圆偏振光的响应也不同，接收到的透射率的性 号也会发生改变，经过多次实验，得到如图7所示的光谱图， 通过对光谱图的对比，可以实现对圆二色性的调控，其中，三 角折线表示光栅层40和手性金属结构层20之间的距离为30纳 米，圆圈折线表示光栅层40和手性金属结构层20之间的距离 为20纳米，方形折线表示光栅层40和手性金属结构层20之间 的距离为10纳米。

可选的，本申请的压力传感器还可以用于检测分子的手性， 将光栅层40和手性金属结构层20分别当作两个电极，将待测 分子放置在该光栅层40的多个光栅条41的缝隙中，当左旋光 照射和右旋光照射时，电流的变化可以反应分子的手性，通过 电流情况就可以得到待测分子的手性情况。

本申请的压力传感器包括：光栅层40、压电材料层30、手 性金属结构层20和基底10；光栅层40包括多个光栅条41，手 性金属结构层20包括多个手性金属单元21，多个手性金属单元21周期设置在基底10的一侧，压电材料层30设置在多个手性 金属单元21远离基底10的一侧，多个光栅条41相互平行且周 期设置在压电材料远离基底10的一侧，其中，多个光栅条41 和多个手性金属单元21的设置周期不同，由于光栅层40和手 性金属结构层20之间的表面等离激元的共振位置受该光栅层40 和该手性金属结构层20之间距离的影响非常敏感，当微小的压 力作用在该光栅层40上时，该光栅层40和手性金属结构层20 之间的距离发生改变，进而使得该光栅层40和该手性金属结构 层20之间的耦合情况发生改变，进一步的改变从该基底10出 射的出射光的共振位置，并通过该出射光的共振位置的变化情况得到待测压力的数据。

本申请提供一种测量微小压力的压力传感系统，压力传感 系统包括：光源、光谱仪和上述任意一项的压力传感器，光源 设置在光栅层40远离基底10的一侧，用于将光照射在光栅层 40上，光谱仪设置在基底10原理光源的一侧，用于接收并检测 出射光。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明， 对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。 凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、 改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。