[发明专利]一种基于拓扑光子高Q腔的MEMS压力传感器

说明书

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1×10supgt;6/supgt;，探测灵敏度也高达2.17×10supgt;6/supgt;pm/kPa；具有结构简单、体积小、成本低及利于量产的优势。

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。