一种基于拓扑光子高q腔的mems压力传感器
阅读说明：本技术 一种基于拓扑光子高q腔的mems压力传感器 (MEMS pressure sensor based on topological photon high Q cavity ) 是由 郭芃 姜颖 邬俊杰 冯立辉 卢继华 于 2021-08-24 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于拓扑光子高Q腔的MEMS压力传感器,属于MEMS压力传感器技术领域。所述压力传感器为敏感元件,包含1个有序列光子晶体板的Si片梁；所述光子晶体板为正多边体且厚度范围为0.5um～0.6um,边长范围为20um～250um；所述光子晶体板上设有周期为519.25nm的圆孔阵列,圆孔半径为175nm；所述Si片梁工作时：激光器发出的光通过光环形器耦合到Si片梁上,环境压力的变化使Si片梁发生形变,从而影响信号光返回值,使光谱仪上光的波长值发生变化。所述传感器有效减少了平面外散射的影响,从而Q值很高,高达1×10～(6),探测灵敏度也高达2.17×10～(6)pm/kPa；具有结构简单、体积小、成本低及利于量产的优势。(The invention relates to an MEMS pressure sensor based on a topological photon high Q cavity, and belongs to the technical field of MEMS pressure sensors. The pressure sensor is a sensitive element and comprises 1 Si wafer beam with a series of photonic crystal plates; the photonic crystal plate is a regular polygon, the thickness range is 0.5 um-0.6 um, and the side length range is 20 um-250 um; the photonic crystal plate is provided with a round hole array with the period of 519.25nm, and the radius of the round hole is 175 nm; when the Si sheet beam works: the light emitted by the laser is coupled to the Si plate beam through the optical circulator, and the Si plate beam is deformed due to the change of the environmental pressure, so that the return value of the signal light is influenced, and the wavelength value of the light on the spectrometer is changed. The sensor effectively reduces the influence of out-of-plane scattering, so that the Q value is very high and reaches 1 multiplied by 10 6 The detection sensitivity is as high as 2.17 multiplied by 10 6 pm/kPa; the device has the advantages of simple structure, small volume, low cost and contribution to mass production.)
技术领域
本发明具体涉及一种基于拓扑光子高Q腔的MEMS压力传感器，属于MEMS压力传感器技术领域。
背景技术
MEMS压力传感器是MEMS领域的一个经典研究方向，其可以用类似集成电路设计技术和制造工艺，进行高精度、低成本的大批量生产。传统的机械量压力传感器是基于金属弹性体受力变形，由机械量弹性形变到电量转换输出来进行测量。相对于传统的压力传感器，MEMS压力传感器具有尺寸小、稳定性高、功耗小、可批量制作和集成等特点，广泛应用于航空、航天、石油化工、地质勘探等各个领域。其中，硅微压力传感器以其材料性能优势、工艺可靠性、优越的性能参数等优点成MEMS技术迅速发展背景下压力检测领域内的研究热点和重点。
目前根据结构划分，市场上常见的硅微压力传感器大概主要有压阻式、电容式、谐振式和光纤式四种结构。其中，硅谐振式压力传感器相比于其他类型传感器，具有高精度、高稳定性和高抗干扰能力等特点。
压阻式硅微压力传感器是利用单晶硅的压阻效应，在硅膜片特定方向上注入连接成惠斯通电桥的半导体电阻形成感压元件，再结合电—力转换器件实现微压检测。该结构制作工艺简单，成本较低，输入输出之间存在良好的线性关系，但传感器的灵敏度受硅材料的温漂影响，必须进行温度补偿，建立一套完整的温度补偿技术，不仅增加成本，同时也增加了人力资源，从某种意义上来说，极大地限制了硅压阻压力传感器的广泛应用。
电容式硅微压力传感器有极距变化型和面积变化型两种，工作原理是利用极距或面积的变化量反应压力改变，转化为电容量的变化进行测量。该类传感器温度稳定性好，动态响应好。其中极距变化型压力传感器可以实现非接触测量，具有平均效应，但它具有较大的线性误差。面积变化型压力传感器具备线性优势，但灵敏度不够，工艺制备相对复杂。
光纤式硅压力传感器是光源发出的光经过光纤传输并投射到膜片的内表面上，然后反射，再由接收光纤接收并传回光敏元件，从而输出的信号随之发生变化。这种方法容易实现，成本低，但灵敏度普遍较低。
谐振式硅压力传感器是利用硅谐振器与选频放大器构成一个正反馈振荡系统，当此系统受到压力作用时，其固有的振荡频率发生变化，因此，根据其频率的变化就可以测量出压力的大小。谐振式硅微压力传感器的性能主要取决于谐振子的机械品质，精度、稳定性和分辨力相对于压阻式和电容式都具有数量级的优势。但是谐振式结构过于复杂，给加工造成很大难度。
目前硅谐振式压力传感器的相关研究已经进入成熟阶段，国外起步较早，日本横河电机株式会社设计的一种基于硅材料的双谐振应变计结构压力传感器，真空下Q值约为50000，精度达到了0.01％FS。国内也有很多研究团队进行了MEMS谐振式压力传感器相关研究，中国科学院电子学研究所2020年提出的一种微型共振式压差传感器，Q值达到了18000。
综上所述，寻找新的途径研究更高灵敏度、小型化的硅微压传感器十分有必要，本发明提供了一种基于拓扑光子高Q腔的MEMS压力传感器。
发明内容
本发明的目的在于针对现有MEMS压力传感器存在结构简单、小型化与灵敏度高不可兼得的问题，提出了一种基于拓扑光子高Q腔的MEMS压力传感器。
为了达到上述目的，本发明采取如下技术方案。
所述基于拓扑光子高Q腔的MEMS压力传感器为敏感元件，包含1个Si片梁；
其中，所述Si片梁为一有序列光子晶体板；
所述光子晶体板为正多边体，且正多边体的厚度范围为0.5um～0.6um；
正多边体的正多边形的边长数大于等于4，边长范围为20um～250um；
所述光子晶体板上设有周期性圆孔阵列，所述周期性圆孔阵列的周期为519.25nm，圆孔半径为175nm；
所述Si片梁约束于长方体基台里，长方体基台的上方接入一根光纤，光纤连接一个光环形器，光环形器连接光谱仪。
所述MEMS压力传感器的测试系统包含一个激光器，一个光环形器，一个敏感元件以及一台光谱仪；所述激光器与所述光环形器相连，所述光环形器分别与所述激光器、所述敏感元件以及所述光谱仪相连。
所述基于拓扑光子高Q腔的MEMS压力传感器的连接及工作过程如下：
步骤1、将所述MEMS压力传感器的Si片梁约束于长方体基台里；
步骤2、将所述长方体基台的上方接入一根光纤；
步骤3、将所述光纤连接一个光环形器；
步骤4、将所述光环形器连接光谱仪；
步骤5、当被检测环境压力发生改变时，所述Si片梁发生形变；
步骤6、光谱仪上显示述Si片梁发生形变对应的压力值；
至此，从步骤1到步骤6，完成了使用一种基于拓扑光子高Q腔的MEMS压力传感器测试压力连接及测试过程。
有益效果
本发明所述的一种基于拓扑光子高Q腔的MEMS压力传感器，与现有MEMS压力传感器相比，具有如下有益效果：
1.所述MEMS压力传感器利用力学效应和光子晶体的拓扑效应进行设计，由于光子晶体Q值的主要限制因素是制造缺陷或无序引起的散射损耗，所述MEMS压力传感器采用有序列的光子晶体板，有效减少了平面外散射的影响，从而Q值很高，使得制备出的所述MEMS压力传感器具备极高的探测灵敏度；
2.所述MEMS压力传感器通过MEMS工艺在硅片上加工完成，具有成本低、体积小的优势，利于量产。
附图说明
图1为本发明一种基于拓扑光子高Q腔的MEMS压力传感器实施例系统示意图；
图2为本发明一种基于拓扑光子高Q腔的MEMS压力传感器实施例中敏感元件的comsol仿真模型图；
图3为本发明一种基于拓扑光子高Q腔的MEMS压力传感器实例1中敏感元件形变量的comsol仿真结果图；
图4为本发明一种基于拓扑光子高Q腔的MEMS压力传感器实例2中敏感元件形变量的comsol仿真结果图；
图5为本发明一种基于拓扑光子高Q腔的MEMS压力传感器实例1中敏感元件边长尺寸与检测下限关系曲线图；
图6为本发明一种基于拓扑光子高Q腔的MEMS压力传感器实例1中敏感元件厚度与检测下限关系曲线图；
图7为本发明一种基于拓扑光子高Q腔的MEMS压力传感器实例2中敏感元件边长尺寸与灵敏度的关系曲线图；
图8为本发明一种基于拓扑光子高Q腔的MEMS压力传感器实例2中敏感元件边长尺寸与检测下限的关系曲线图；
图9为本发明一种基于拓扑光子高Q腔的MEMS压力传感器实例2中敏感元件Q值与灵敏度的关系曲线图；
图10为本发明一种基于拓扑光子高Q腔的MEMS压力传感器实例2中敏感元件Q值与检测下限的关系曲线图；
图11为本发明一种基于拓扑光子高Q腔的MEMS压力传感器的一种圆片形Si片梁连接基台的结构示意图；
图12为本发明一种基于拓扑光子高Q腔的MEMS压力传感器的一种方片形Si片梁连接基台的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。结合附图及具体实施例详细阐述本发明所述的一种基于拓扑光子高Q腔的MEMS压力传感器的具体实施。
实施例1
本发明提出的一种基于拓扑光子高Q腔的MEMS压力传感器，属于硅谐振式压力传感器类别，用于提高压力测量的灵敏度。所述MEMS压力传感器采用一种特殊的光子晶体板，所述光子晶体板上分布有特殊圆孔阵列，该结构可有效抑制因制造缺陷造成的面外散射损耗，极大地增强了所述MEMS压力传感器的Q值。我们通过COMSOL仿真，获得了高达1×106的品质因数，灵敏度高达2.17×106pm/kPa，相比于已知的其他硅谐振式压力传感器，所述压力传感器结构更简单，Q值与灵敏度更高。
所述基于拓扑光子高Q腔的MEMS压力传感器为包含1个Si片梁的敏感元件；所述Si片梁上分布有圆孔阵列，所述圆孔阵列的圆孔半径为175nm，阵列周期为519.25nm；当所述敏感元件被放入被检测环境时，会因环境压力变化产生形变。优选地所述Si片梁尺寸为250um×250um×0.5um时，检测下限为7.14×10-4Pa，灵敏度为2.17×106(pm/kPa)。
所述Si片梁约束于长方体基台里；所述基台上方悬有一根光纤；所述光纤连接一个光环形器；所述光环形器连接一个光谱仪。
本发明原理如下：激光器发出一道信号光，信号光通过光环形器耦合到Si片梁上，环境压力的改变将使Si片梁的形变量发生变化，从而影响信号光返回值，最后反映出的结果为光环形器第三端输出光的波长值变化。
图1为所述MEMS压力传感器测试系统示意图，图中包括激光器、光环形器、敏感元件和光谱仪；所述激光器与所述光环形器相连，所述光环形器分别与所述激光器、所述敏感元件以及所述光谱仪相连；激光器向光环形器发出信号激光，信号激光经过光环形器耦合到敏感元件上，从敏感元件返回的信号光再次通过光环形器输出到光谱仪上，从而可以得到信号光波长变化。
图2为所述敏感元件的comsol仿真结构图，图中为长20um、宽20um、高0.5um的Si片，所述Si片上分布有圆孔阵列，所述圆孔阵列的圆孔半径为175nm，阵列周期为519.25nm，如此构成了一个光子晶体板，由于其独特的拓扑特性，片上光子共振比预期的更不容易受到平面外散射损失的影响。
在所述基于拓扑光子高Q腔的MEMS压力传感器的实施例一中，我们对所述Si片梁进行四边约束，并分别从Si片梁的尺寸和厚度这两种维度出发，探讨Si片梁检测下限和灵敏度的影响因素。
图3为所述基于拓扑光子高Q腔的MEMS压力传感器实施例一中所述Si片梁形变量的comsol仿真结果图，当被检测环境压力发生变化时，该Si片梁会发生相应形变，形变量表现为面上总位移。图中Si片梁四边约束，长20um、宽20um、高0.5um，面载荷80N/m^2，梁中心到边缘的距离为10um，相对形变量约为1×10-5um，达到了微米量级下的百万分之一的形变。
图5为所述基于拓扑光子高Q腔的MEMS压力传感器实施例一中不同尺寸Si片梁对应的检测下限曲线图。从图中可以看出，尺寸越大，检测下限越低，检测精度越高。以所述Si片梁边长为X轴，检测下限为Y轴，可得拟合曲线公式为Y＝816163X-3.002。所述传感器选取的Si片梁的最优尺寸为250um×250um。优选地，所述Si片梁边长与厚度分别选定250um与0.5um。
图6为所述基于拓扑光子高Q腔的MEMS压力传感器实施例一中不同厚度Si片梁对应的检测下限曲线图。从图中可以看出，厚度越薄，检测下限越低，检测精度越高。以所述Si片梁厚度为X轴，检测下限为Y轴，可得拟合曲线公式为Y＝0.5625X2-0.2457X+0.0348。本发明选取的Si片梁的最优厚度为0.5um。当选取长250um，宽250um，厚度0.5um的Si片梁时，所述敏感元件的检测下限为0.0364Pa，灵敏度为4.25×104pm/kPa。
实施例2
在所述基于拓扑光子高Q腔的MEMS压力传感器的实施例2中，对所述Si片梁进行单边约束，且分别探讨了所述Si片梁尺寸边长、检测下限、灵敏度和Q值四者之间的关系。
图4为所述基于拓扑光子高Q腔的MEMS压力传感器的实施例2中所述Si片梁形变量的comsol仿真结果图，面载荷为1.6N/m^2，形变程度最高的边缘到约束边的距离为20um，相对形变量约为2×10-5um，同样达到了微米量级下的百万分之一的形变。
图7为所述基于拓扑光子高Q腔的MEMS压力传感器的实施例2中单边约束的Si片梁不同尺寸对应的灵敏度关系曲线图，其中虚线表示Q值为106的情况，实线表示Q值为105的情况；从图中可以看出所述Si片梁的灵敏度与Q值无关，尺寸越大灵敏度越高。图8为实施例2中单边约束的Si片梁不同尺寸对应的检测下限关系曲线图，其中虚线表示Q值为106的情况，实线表示Q值为105的情况；从图中可以看出所述Si片梁的检测极限与Q值有关，尺寸越大检测极限越小，检测精度越高。图9为实施例二中为单边约束的Si片梁不同Q值对应的灵敏度关系曲线图，其中虚线表示边长为50um的情况，实线表示边长为20um的情况；从图中可以看出，所述Si片梁灵敏度与Q值无关，尺寸越大灵敏度越高。图10为实施例二中单边约束的Si片梁不同Q值对应的检测下限关系曲线图，其中虚线表示边长为50um的情况，实线表示边长为20um的情况；从图中可以看出，所述Si片梁检测极限与Q值有关，尺寸越大检测极限越小，选取长250um，宽250um，厚度0.5um的Si片梁时，所述敏感元件的检测下限为7.14×10-4Pa，灵敏度为2.17×106pm/kPa。从图7，图8，图9，图10四幅图可以总结出以下结论：所述Si片梁灵敏度与Q值无关，尺寸越大灵敏度越高，检测极限与Q值有关(成反比)，尺寸越大检测极限越小。Q值越高，尺寸越大，所述敏感元件性能越优越。
针对所述传感器的具备圆孔阵列的Si片梁敏感元件，这里提出了两种连接结构：图11是一种圆片形Si片梁连接基台的结构示意图，图中长方体基台材质为二氧化硅，尺寸为20um×20um×5um，长方体基台正中有一个半径为5um，高度为5um的圆柱体孔洞；圆片形Si片梁半径为5um，厚度为0.5um，水平嵌入圆柱形孔洞中，所述圆片形Si片梁的上表面距所述长方体基台的上表面2.25um。
图12是一种方片形Si片梁连接基台的结构示意图，图中长方体基台材质为二氧化硅，尺寸为20um×20um×5um，长方体基台正中有一个长10um，宽10um，高5um的长方体孔洞；方片形Si片梁长为10um，宽为10um，厚度为0.5um，水平嵌入长方体孔洞中，所述方片形Si片梁的上表面距所述长方体基台的上表面2.25um。
以上所述仅为本发明的实施例，并非局限于该实施例和附图所公开的内容。该实施的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书的内容不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明所述方法的精神和权利要求范围的情况下对它进行的各种显而易见的改变都在本发明的保护范围之内。