使用環形諧振器傳感器的液體感測系統和方法
【專利說明】
【背景技術】
[0001]傳感器在感測系統中被利用以檢測諸如光、溫度、運動等之類的性質。一種類型的傳感器是流體(液體和/或氣體)傳感器，其可操作成感測流體。由傳感器在流體的某個特定性質上執行測量并且這些測量然后被用于確定流體自身的類型或確定流體的另一性質。
[0002]常見傳感器是用于測量流體的吸收傳感器并且典型的配置是直波導。直波導配置使用光經過的直線脊(肋)。脊與樣品接觸。波導的輸出端口提供出射光并且輸出信號在波導中的光與頂上的流體相互作用時改變。這些變化可以被測量并且關聯到流體。
[0003]然而，這樣的波導相對遲鈍并且要求非常長的長度以便充分標識變化的液體。替代于增加靈敏度，一般需要多個波導并且將其形成為網格。該網格構造是脆弱的，并且作為結果，易受破壞。需要改進的傳感器。
【附圖說明】
[0004]圖1是使用環形波導的傳感器系統的圖。
[0005]圖2是圖示了多通道環形波導傳感器的側視圖的圖。
[0006]圖3A是圖示了具有四個端口的環形多通道波導300的圖。
[0007]圖3B是圖示了具有兩個端口的環形多通道波導的圖。
[0008]圖4A是圖示了通過光子晶體實現并且具有四個端口的環形多通道波導的圖。
[0009]圖4B是圖示了通過光子晶體實現并且具有兩個端口的環形多通道波導的圖。
[0010]圖5是具有錐形光柵區的波導的圖。
[0011]圖6是具有線性或非錐形光柵區的波導的圖。
[0012]圖7是圖示了實現為具有六邊形的組件的隔膜的結構的襯底的圖。
[0013]圖8是圖示了操作具有多通道相互作用區的傳感器的方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0014]現在將參考隨附的繪制圖來描述本發明，其中相同的參考標號自始至終被用于指相同的元件，并且其中所圖示的結構和設備不一定按比例繪制。
[0015]公開了利用具有多通道區的傳感器的傳感器系統和方法，所述多通道區具有筆直和/或彎曲的形狀。多通道區允許光通過相互作用體積的多個通道，這意味著光與樣本之間的多個相互作用。波導的大小、形狀和組成可以變化或調整成測量不同類型的液體和氣體。
[0016]圖1是使用環形波導的傳感器系統100的圖。以簡化形式提供系統100以便幫助理解。作為將環形傳感器用于感測液體或氣體的系統的示例來提供系統100。
[0017]系統100包括接口 102、環形傳感器104和控制單元106。接口 102將環形傳感器104耦合到控制單元106。接口 102可以被配置成提供用于通信的功率和/或信號。
[0018]控制單元106被配置成控制環形傳感器104并且獲取和利用由環形傳感器104生成的測量。例如，在一個示例中，控制單元106可以被配置成基于來自環形傳感器104的測量或輸出信號來確定液體和液體的組成。
[0019]環形傳感器104被配置成測量和/或檢測接近環形傳感器104的(多個)樣品。傳感器104可以被配置成測量接近傳感器104的樣品的化學和/或環境性質。樣品可以被放置或定位成與傳感器104接觸。
[0020]傳感器104包括彎曲或環形波導。以下提供合適形狀的一些示例。光源耦合到波導的輸入并且光檢測器耦合到波導的輸出。光多次經過彎曲或環形相互作用區。在光經過時，發生光的衰減。該衰減根據與相互作用區接觸或接近于相互作用區的樣品而變化。檢測器測量輸出光。該信息或測量可以被提供給控制單元106以供分析。測量關聯到樣品并且包括例如樣品類型、液體、氣體、溫度等等。
[0021]圖2是圖示了多通道波導傳感器200的側視圖的圖。傳感器200被用于檢測和/或測量接近于傳感器200的流體。傳感器200使用光多次經過的多通道區以便增強吸收率并且減小用于傳感器的大小。
[0022]傳感器200包括波導201、光源208和光檢測器210。光源208發射電磁場(或光)。光源208可以被配置成發射特定波長的光，諸如紅外線。檢測器210被配置成檢測或測量由光源208發射的光在其經過波導201之后的波長。樣品212接近于波導201定位或與波導201接觸。樣品212可以包括液體和/或氣體。
[0023]波導201包括輸入區202、多通道相互作用區204和輸出區206并且形成在隔膜214上。波導201包括合適的材料，諸如硅，并且具有合適的尺寸。在一個示例中，波導201具有2微米的寬度和600納米的高度。針對波導201的其它特性也可以被選擇或調節，包括但不限于所使用的端口、用于相互作用區204的環形或盤形、材料等等。另外，在一個示例中，波導201是作為引導介質的肋形波導。肋形波導將光局限于在兩個維度上經過。在另一示例中，波導是在其橫截面/折射率方面具有周期性改變的光子晶體或分段波導，或者形成在其中。光子晶體或分段波導可以形成有2D或3D圖案。
[0024]一般地，光子晶體是兩種類型的周期性結構:材料板中的氣孔和空氣中的材料棒。對于材料板中的氣孔，氣孔布置在周期性晶格中。對于空氣中的材料棒，棒布置在周期性晶格中。以下描述光子晶體的示例。板中的孔可以填充有相比于板的材料而言具有不同的折射率的材料。
[0025]輸入區202從光源208接收所發射的光并且使光指向多通道相互作用區204。在一個示例中，光源208關于波導201面偏離定位并且輸入區202被配置有光柵以允許光進入波導201。在另一示例中，光源208定位成使得指導所發射的光通過光導201。光柵具有合適的尺寸，諸如光柵周期、光柵高度和光柵區的長度(例如2mm)，以便允許充足的光進入光導201。在又一示例中，光源208駐留在與波導201相同的芯片上并且與波導201成一直線。
[0026]隔膜214包括用于支撐波導201的合適材料和典型地數個其它波導/傳感器。此夕卜，選擇合適的材料以提供隔膜特性，包括例如折射率、柔性等等。隔膜214可以在某種程度上是剛性或柔性的，這取決于所使用的材料。在一個示例中，隔膜214包括關于波導在其背側上的蜂巢結構，其促進強度同時準許柔性。在一個示例中，合適的材料是氮化硅。在另一示例中，合適的材料具有低折射率。
[0027]多通道相互作用區204 (還稱為諧振器區)包括被配置成導致所引導的光多次經過或傳播通過的環形或彎曲形狀。環形形狀和大小被配置用于所選波長和吸收率。當所引導的光經過吸收區時，所引導的光根據樣品212而衰減。因此，變化的樣品類型和特性(諸如壽命和溫度)產生在整個區上不同的吸收率。作為結果，所引導的光衰減而從多通道相互作用區204出射。經相互作用的光在相比于所發射的光或沒有樣品212的情況下的光時衰減。
[0028]經相互作用的光在輸出區206處從波導201出射。經相互作用的光由檢測器210測量。在一個示例中，輸出區206具有允許經相互作用的光從波導201出射的光柵。在另一示例中，輸出區206具有與