唐 軍， 雷龍海， 張 偉， 張?zhí)於鳎?薛晨陽(yáng)， 張文棟， 劉 俊*

1. 中北大學(xué)， 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山西 太原 030051

2. 中北大學(xué), 電子測(cè)試技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山西 太原 030051

Si基雙環(huán)級(jí)聯(lián)光學(xué)諧振腔應(yīng)變檢測(cè)研究

唐 軍1,2， 雷龍海1,2， 張 偉1,2， 張?zhí)於?,2， 薛晨陽(yáng)1,2， 張文棟1,2， 劉 俊1,2*

1. 中北大學(xué)， 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山西 太原 030051

2. 中北大學(xué), 電子測(cè)試技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山西 太原 030051

絕緣襯底上的硅材料制備的光學(xué)微環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)具有高靈敏度、 結(jié)構(gòu)尺寸小和極低模式體積等特性， 被廣泛應(yīng)用到光信息傳遞、 慣性導(dǎo)航領(lǐng)域， 但極少被應(yīng)用到力學(xué)信號(hào)的測(cè)試， 為此， 研究了一種基于硅基光學(xué)微環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)的懸臂梁式應(yīng)力/應(yīng)變敏感計(jì)， 利用微環(huán)諧振腔環(huán)形波導(dǎo)徑向形變量作為感應(yīng)應(yīng)力的中間物理量， 在外界應(yīng)力作用下， 環(huán)形波導(dǎo)的半徑將發(fā)生改變， 使結(jié)構(gòu)的光學(xué)諧振參數(shù)產(chǎn)生變化， 從而使光學(xué)微環(huán)諧振腔諧振譜線發(fā)生明顯紅移， 體現(xiàn)出良好的應(yīng)力/應(yīng)變敏感特性； 通過(guò)設(shè)計(jì)雙環(huán)級(jí)聯(lián)光學(xué)微腔， 并采用MEMS光刻、 ICP腐蝕工藝制備了嵌入式光學(xué)微腔應(yīng)變計(jì)結(jié)構(gòu)， 結(jié)合理論計(jì)算了懸臂梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變敏感特性， 經(jīng)仿真及實(shí)驗(yàn)得到， 應(yīng)變計(jì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力/應(yīng)變靈敏度分別為0.185 pm·kPa-1， 18.04 pm·microstrain-1， 與單環(huán)微腔結(jié)構(gòu)相比， 線性量程增加了近50.3%， 應(yīng)力靈敏度提高了近10.6%， 初步驗(yàn)證了嵌入式光學(xué)微腔結(jié)構(gòu)進(jìn)行高靈敏度應(yīng)力/應(yīng)變檢測(cè)的可行性， 有望實(shí)現(xiàn)新型光學(xué)力敏傳感器件的微型化、 集成化。

應(yīng)變檢測(cè)； 光學(xué)諧振腔； 諧振譜線； 絕緣襯底上的硅

引 言

隨著微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的發(fā)展， 微型化、 集成化硅基力敏傳感結(jié)構(gòu)成為了光學(xué)傳感器領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)[1-3]， 目前基于壓阻式、 電容式、 諧振式[4-5]等傳感模式的硅基壓力傳感器已實(shí)現(xiàn)了從應(yīng)力/應(yīng)變到電學(xué)信號(hào)的轉(zhuǎn)換而被廣泛的應(yīng)用在航空航天、 海洋探測(cè)、 醫(yī)療診斷等眾多傳感領(lǐng)域[6-8]。

Si基微環(huán)諧振腔是一種新型的高靈敏度光力敏傳感結(jié)構(gòu)， 目前主要應(yīng)用在光通信、 光互連、 光學(xué)陀螺[9]等光電子、 慣性導(dǎo)航器件上， 在生化傳感領(lǐng)域， 只有少數(shù)相關(guān)報(bào)道， Carlos A Barrios等[10-11]利用微環(huán)諧振腔波導(dǎo)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了212nm/折射率單元(RIU)的靈敏檢測(cè)， 通過(guò)利用絕緣襯底上的硅(SOI)環(huán)形諧振腔的高靈敏度傳感特性， 實(shí)現(xiàn)了10 nm左右的微小位移探測(cè)。 但極少有人把光學(xué)諧振腔結(jié)構(gòu)的這種高靈敏特性應(yīng)用到力學(xué)信號(hào)測(cè)試， 微光機(jī)電系統(tǒng)(MOEMS)力敏傳感器件， 來(lái)實(shí)現(xiàn)嵌入式的力學(xué)信號(hào)高靈敏度檢測(cè)。

研究了一種基于硅基光學(xué)環(huán)形諧振腔結(jié)構(gòu)的懸臂梁式應(yīng)力/應(yīng)變敏感計(jì)， 利用SOI基微環(huán)諧振腔環(huán)形波導(dǎo)徑向形變量作為感應(yīng)應(yīng)力的中間物理量， 在外界應(yīng)力作用下， 環(huán)形波導(dǎo)的半徑將發(fā)生改變， 致使結(jié)構(gòu)的光學(xué)諧振參數(shù)產(chǎn)生變化， 導(dǎo)致光學(xué)微環(huán)諧振腔諧振譜線發(fā)生明顯紅移， 體現(xiàn)出了良好的應(yīng)力敏感特性。 有相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道， 利用類(lèi)似傳感模式得到的器件靈敏度高達(dá)1.47 pm·kPa-1, 0.47～1.3 pm·microstrain-1[3， 12-14]。

理論計(jì)算了懸臂梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變敏感特性， 設(shè)計(jì)了微腔結(jié)構(gòu)， 采用傳統(tǒng)MEMS光刻、 腐蝕工藝技術(shù)在SOI襯底上制備了懸臂梁雙環(huán)級(jí)聯(lián)微腔嵌入式應(yīng)變計(jì)結(jié)構(gòu)， 通過(guò)仿真及實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到， 應(yīng)變計(jì)結(jié)構(gòu)的靈敏度為0.185 pm·kPa-1， 18.04 pm·microstrain-1。

1 實(shí)驗(yàn)部分

實(shí)驗(yàn)中所用SOI晶片從上海新傲科技股份有限公司直接購(gòu)買(mǎi)， 晶圓片尺寸為6inch(150 mm)， 底層硅、 埋氧層二氧化硅及頂層波導(dǎo)硅厚度分別為675， 3和0.22 μm， 主要通過(guò)光刻、 電子束曝光及ICP深硅刻蝕工藝加工制備光學(xué)微環(huán)諧振腔波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。 分別制備了半徑為20 μm的單環(huán)(1環(huán))、 雙環(huán)(2環(huán))級(jí)聯(lián)光學(xué)微環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)兩種樣品。

采用力-光加壓測(cè)試系統(tǒng)平臺(tái)， 如圖1(a)所示， 主要由New focus TLB-6700激光源、 螺旋微加壓裝置、 4NIC-K15光電探測(cè)器及Tektronix DPO2024示波器組成。 激光源的輸出電流為70 mA， 波長(zhǎng)掃面范圍為1 520～1 570 nm。

測(cè)試時(shí)SOI晶圓片固定在螺旋微加壓裝置上， 輸入光纖、 微加壓裝置、 輸出光纖同時(shí)被固定在三維高精度隔振調(diào)節(jié)架上， 可通過(guò)調(diào)節(jié)架實(shí)現(xiàn)錐形透鏡光纖與SOI結(jié)構(gòu)的精確垂直耦合， 利用螺旋微加壓旋鈕對(duì)懸臂梁波導(dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加壓， 進(jìn)而改變環(huán)形諧振腔結(jié)構(gòu)光學(xué)諧振模式， 并將輸出信號(hào)與輸出光纖、 光電探測(cè)器及示波器相連， 最終實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的力-光信號(hào)的測(cè)試。

Fig.1 (a): Schematic diagram of the mechanical-optical test system; (b): Structure diagram of the cantilever optical microring resonator; (c) & (d): FESEM image of the microring resonator

2 結(jié)果與討論

2.1 雙環(huán)級(jí)聯(lián)光學(xué)諧振腔的設(shè)計(jì)制備

SOI懸臂梁式雙環(huán)級(jí)聯(lián)光學(xué)諧振腔， 結(jié)構(gòu)尺寸為10 mm×5 mm×0.678 mm(0.678 mm為襯底材料的厚度)， 如圖1(b)所示， 由直波導(dǎo)， 環(huán)形諧振腔及懸臂梁型襯底材料組成， 主要利用電子束光刻、 ICP深硅刻蝕及濕法工藝加工制備， 其中直波導(dǎo)(波導(dǎo)長(zhǎng)2 250 μm)位于懸臂梁結(jié)構(gòu)的固定端， 便于測(cè)試過(guò)程中波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)與輸入、 輸出光纖實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定耦合， 環(huán)形諧振腔則位于懸臂梁受力端端部， 當(dāng)有外界應(yīng)力作用在懸臂梁末端時(shí)， 結(jié)構(gòu)發(fā)生彎曲產(chǎn)生應(yīng)變， 引起光學(xué)微環(huán)諧振腔環(huán)形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)發(fā)生徑向形變， 最終影響結(jié)構(gòu)的光學(xué)諧振譜線， 通過(guò)對(duì)諧振譜線紅移量的測(cè)試分析， 可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力/應(yīng)變敏感特性研究。

圖1(c)和(d)為制備的SOI雙環(huán)級(jí)聯(lián)諧振腔S-4800掃描電鏡(SEM)圖片， 從SEM圖片可知， 所得樣品結(jié)構(gòu)波導(dǎo)寬度為498 nm， 直波導(dǎo)與環(huán)形諧振腔最小耦合間隙約99.2 nm， 截面尺寸為498 nm×220 nm， 與設(shè)計(jì)之初的尺寸(波導(dǎo)寬度500 nm， 耦合間隙100 nm)相比， 均出現(xiàn)了一定的減小， 這是由于工藝刻蝕過(guò)程中， 尺寸的邊沿效應(yīng)造成的， 這樣的結(jié)果是合理的， 而且滿足光波導(dǎo)單模傳輸條件。

2.2 應(yīng)變測(cè)試

通過(guò)螺旋加壓裝置及力-光測(cè)試系統(tǒng)， 分別測(cè)試得到了半徑為20 μm的單環(huán)、 雙環(huán)級(jí)聯(lián)光學(xué)諧振腔結(jié)構(gòu)在不同撓度變形值(y)時(shí)的歸一化諧振譜線圖， 如圖2(a)和(b)所示， 波長(zhǎng)變化范圍為1 539～1 548 nm。 表1為SOI雙環(huán)級(jí)聯(lián)光學(xué)微環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)加壓測(cè)試數(shù)據(jù)。

Table 1 Mechanical-optical testing data of the SOI bicyclic cascade optical microring resonator

加壓位移/mm撓度變形y/μm譜線紅移量Δλm/nm0000 02200 480 04400 820 07701 530 101001 870 121202 100 141402 67

從圖2(a)可知， 光學(xué)諧振譜線紅移量Δλm隨著懸臂梁型單環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)撓度變形值y的增大， 發(fā)生了先增加后減小的現(xiàn)象， 這是由于環(huán)形波導(dǎo)周長(zhǎng)變化和波導(dǎo)有效折射率改變共同作用的影響： 當(dāng)光學(xué)微環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)在一定撓度變化范圍內(nèi)時(shí)(低應(yīng)力)， 環(huán)形波導(dǎo)周長(zhǎng)增加所產(chǎn)生的光學(xué)諧振譜線漂移(紅移)是波導(dǎo)結(jié)構(gòu)有效折射率變化對(duì)諧振譜線的影響(藍(lán)移)的三倍有余[3]， 在這種情況下， 光學(xué)諧振譜線紅移量Δλm主要受環(huán)形波導(dǎo)半徑變化的影響， 而波導(dǎo)結(jié)構(gòu)有效折射率的改變所產(chǎn)生的微小譜線漂移可忽略， 根據(jù)回音壁模式(WGM)， 光學(xué)諧振譜線紅移量Δλm與波導(dǎo)半徑改變量ΔR有如下關(guān)系

(1)

其中，λm表示光學(xué)微環(huán)諧振腔諧振波長(zhǎng)；neff表示微環(huán)諧振腔波導(dǎo)結(jié)構(gòu)有效折射率；m表示微環(huán)諧振腔的不同諧振模式， 可為任意非零正整數(shù)；R為環(huán)形波導(dǎo)半徑。

Fig.2 Resonant spectra of the SOI optical microring resonator with different deflection deformations

(a): Single-loop structure;

(b)： Bicyclic cascade structure

如式(1)， 當(dāng)有外界應(yīng)力作用在懸臂梁光學(xué)微環(huán)諧振腔環(huán)形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)末端時(shí)， 結(jié)構(gòu)發(fā)生彎曲產(chǎn)生應(yīng)變， 環(huán)形波導(dǎo)半徑R將發(fā)生徑向形變而變大， 使諧振譜線紅移量Δλm發(fā)生了線性紅移， 出現(xiàn)了先增大現(xiàn)象； 當(dāng)微腔結(jié)構(gòu)撓度變形達(dá)到一定值而繼續(xù)增大時(shí)(高應(yīng)變)， 此時(shí)結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的光彈效應(yīng)和泊松效應(yīng)將對(duì)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)有效折射率造成較大改變[15], 在這種情況下， 光學(xué)諧振譜線紅移量Δλm受環(huán)形波導(dǎo)周長(zhǎng)和波導(dǎo)有效折射率改變共同的影響， 根據(jù)光彈效應(yīng)和泊松效應(yīng)，光學(xué)諧振譜線紅移量Δλm可描述為

(2)

其中， Δneff表示波導(dǎo)有效折射率改變量， 所以， 諧振譜線紅移量出現(xiàn)了非線性漂移， 整體的紅移量值出現(xiàn)了減小， 但諧振譜線漂移依舊主要受波導(dǎo)周長(zhǎng)改變的影響， 最終實(shí)驗(yàn)測(cè)得譜線仍發(fā)生了1.02 nm紅移。

圖2(b)為雙環(huán)級(jí)聯(lián)光學(xué)諧振腔結(jié)構(gòu)在不同撓度變形值時(shí)的歸一化諧振譜線圖， 從該圖可知， 光學(xué)諧振譜線紅移量隨著懸臂梁微環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)撓度變形值的增大， 發(fā)生了一致線性紅移， 紅移量值如表1所示， 這是由于雙環(huán)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)環(huán)形波導(dǎo)周長(zhǎng)相比于單環(huán)微腔結(jié)構(gòu)周長(zhǎng)的變化發(fā)生了成倍的改變， 使得環(huán)形波導(dǎo)周長(zhǎng)增加所產(chǎn)生的光學(xué)諧振譜線漂移在整個(gè)撓度變形中占主導(dǎo)地位， 在這種情況下， 波導(dǎo)結(jié)構(gòu)有效折射率的改變所產(chǎn)生的微小譜線漂移可忽略， 光學(xué)諧振譜線紅移量Δλm與波導(dǎo)半徑改變量ΔR關(guān)系如式(1)， 所以， 諧振譜線最終發(fā)生了一致線性紅移。

2.3 仿真及分析

利用Ansys有限元軟件， 對(duì)SOI懸臂梁型雙環(huán)級(jí)聯(lián)光學(xué)微環(huán)諧振腔環(huán)上應(yīng)力及環(huán)形波導(dǎo)徑向形變量進(jìn)行了仿真， 通過(guò)在懸臂梁自由端施加外力， 使其分別發(fā)生20， 40， 70， 100， 120及140 μm的撓度變形y， 并得到了仿真數(shù)據(jù)， 如表2所示。

Table 2 Simulation data of stress and radial deformation of the SOI bicyclic cascade optical microring resonator

撓度變形y/μm環(huán)上應(yīng)力值δ/MPa環(huán)徑向形變?chǔ)/nm000201 951539 946403 993881 742706 8636140 51009 7770200 1312011 7330240 1814013 6900280 23

Fig.3 Simulation diagram of deflection deformation of the SOI optical microring resonator via the stress induced

(a)： The amount of deflection deformation γyγ=20 μm; (b): The amount of deflection deformationy=100 μm; (c): The simulation diagram of radial deformation of the ring waveguide structure after the stress induced

圖3為SOI光學(xué)微環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)在外力作用下的部分撓度變形仿真圖及環(huán)形波導(dǎo)受力后的徑向形變模擬圖， 圖中XY坐標(biāo)代表懸臂梁所在平面，Z坐標(biāo)為垂直于懸臂梁平面方向， 仿真過(guò)程中撓度變形值y(0≤y≤140 μm)即為Z方向形變量。

當(dāng)應(yīng)力作用在懸臂梁型光學(xué)微環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)襯底材料末端時(shí)， 襯底將發(fā)生撓度變形y， 如圖4(a)和(b)所示， 懸臂梁襯底結(jié)構(gòu)由于彎曲變形， 將在其端部位置產(chǎn)生應(yīng)力作用， 并在環(huán)形波導(dǎo)的半徑方向發(fā)生形變， 同時(shí)將應(yīng)力從襯底傳遞到環(huán)形波導(dǎo)， 使環(huán)形波導(dǎo)發(fā)生徑向位移ΔR， 如圖4(c)和(d)所示。 根據(jù)材料力學(xué)相關(guān)理論

(3)

(4)

其中，Dsub為襯底材料的剛度，Dwav為環(huán)形波導(dǎo)材料的剛度，E為襯底材料的楊氏模量，ν為襯底材料的泊松比，h(h=0.678 mm)和hb(hb=220 nm)分別為襯底材料和環(huán)形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的厚度。

Fig.4 Structure diagram of the cantilever optical microring resonator

(a): Before stress applied; (b): After stress applied; (c): Deformation diagram of the ring waveguide: Before stress applied; (d): Deformation diagram of the ring waveguide after stress applied

由于h>100hb, 所以襯底的剛度Dsub>106Dwav， 因此， 當(dāng)外加應(yīng)力作用在光學(xué)微環(huán)諧振腔襯底材料上時(shí)， 頂層環(huán)形波導(dǎo)對(duì)襯底材料的影響可忽略， 而頂層環(huán)形波導(dǎo)發(fā)生的徑向形變則是由于襯底對(duì)環(huán)形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的平面剪切應(yīng)力所致。 又因?yàn)橐r底材料與環(huán)形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)直接接觸， 所以環(huán)形波導(dǎo)產(chǎn)生的徑向形變量ΔR則完全等于相同徑向位置的襯底材料的徑向位移u。 在仿真數(shù)據(jù)中， 正是提取襯底材料徑向位移u作為相同位置處環(huán)形波導(dǎo)的徑向形變量ΔR。

由仿真數(shù)據(jù)結(jié)果， 可擬合得到SOI雙環(huán)級(jí)聯(lián)光學(xué)微環(huán)諧振腔環(huán)形波導(dǎo)徑向形變?chǔ)與環(huán)上所受應(yīng)力δ的關(guān)系， 如圖5所示， 當(dāng)應(yīng)力從0增加到13.69 MPa時(shí)， 環(huán)形波導(dǎo)的徑向形變?chǔ)與環(huán)上應(yīng)力δ呈現(xiàn)線性比例關(guān)系， 即

(5)

其中，T1為雙環(huán)級(jí)聯(lián)環(huán)形諧振腔波導(dǎo)結(jié)構(gòu)應(yīng)力靈敏度， 它表征了光學(xué)微環(huán)諧振腔環(huán)形波導(dǎo)徑向形變?chǔ)對(duì)應(yīng)力δ的靈敏程度，T1與環(huán)形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的初始半徑及級(jí)聯(lián)環(huán)個(gè)數(shù)有關(guān)。 經(jīng)曲線擬合計(jì)算得到T1=20.47 pm·kPa-1。

利用Ansys有限元軟件對(duì)SOI懸臂梁?jiǎn)苇h(huán)光學(xué)微環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)也進(jìn)行了應(yīng)力、 徑向位移的仿真， 結(jié)果如圖5， 由該圖分析可知， 在一定應(yīng)力范圍內(nèi)， SOI光學(xué)微環(huán)諧振腔環(huán)形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)， 其徑向形變?chǔ)與環(huán)上所承載應(yīng)力值δ也呈線性關(guān)系， 驗(yàn)證了式(5)的合理性及仿真模擬的正確性； 同時(shí)， 從圖還可以看出， 不同級(jí)聯(lián)個(gè)數(shù)的微環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)力的敏感程度不同， 這是由結(jié)構(gòu)自身參數(shù)決定的, 與波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的初始半徑及級(jí)聯(lián)環(huán)個(gè)數(shù)有關(guān)。

Fig.5 Linear fitting diagram of the radial deformation ΔRand the stressδin the ring of the SOI cantilever optical microring resonator

將式(5)代入式(1)可得

(6)

其中，T2為雙環(huán)級(jí)聯(lián)光學(xué)微環(huán)諧振腔諧振譜線應(yīng)力檢測(cè)靈敏度， 它表征了光學(xué)微環(huán)諧振腔諧振波長(zhǎng)紅移量Δλm對(duì)懸臂梁波導(dǎo)結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力δ的靈敏程度， 它與微環(huán)諧振腔環(huán)形波導(dǎo)初始半徑、 結(jié)構(gòu)有效折射率及級(jí)聯(lián)環(huán)個(gè)數(shù)有關(guān)。

結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)試及模擬仿真數(shù)據(jù)， 可得到SOI懸臂梁?jiǎn)苇h(huán)、 雙環(huán)級(jí)聯(lián)光學(xué)微環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)諧振譜線紅移量Δλm與環(huán)上應(yīng)力δ之間的關(guān)系， 如圖6(a)和(b)所示， 并通過(guò)數(shù)據(jù)擬合計(jì)算得到， 兩種微腔結(jié)構(gòu)諧振譜線最大紅移量Δλm分別為1.52和2.67 nm， 對(duì)于雙環(huán)級(jí)聯(lián)微腔結(jié)構(gòu)， 在應(yīng)力0～13.69 MPa范圍內(nèi)， 其線性斜率達(dá)到了0.185 pm·kPa-1， 即光學(xué)微環(huán)諧振腔諧振譜線應(yīng)力檢測(cè)靈敏度， 同時(shí)應(yīng)變檢測(cè)靈敏度達(dá)18.04 pm·microstrain-1， 與單環(huán)微腔結(jié)構(gòu)(在應(yīng)力0～9.11 MPa線性量程范圍內(nèi)， 應(yīng)力/應(yīng)變檢測(cè)靈敏度分別為0.167 pm·kPa-1， 15.21 pm·microstrain-1)相比， 具有更大的工作量程(增加了近50.3%)， 應(yīng)力靈敏度提高了近10.6%， 表現(xiàn)出了良好的應(yīng)力/應(yīng)變靈敏特性， 適合較大應(yīng)力、 應(yīng)變范圍內(nèi)的檢測(cè)， 驗(yàn)證了波導(dǎo)結(jié)構(gòu)徑向形變量ΔR作為感應(yīng)應(yīng)力的中間物理量可實(shí)現(xiàn)力作用下的諧振譜線測(cè)試轉(zhuǎn)化為力學(xué)信號(hào)信息， 對(duì)外界應(yīng)力/應(yīng)變進(jìn)行高靈敏度檢測(cè)。

3 結(jié) 論

研究了SOI懸臂梁雙環(huán)級(jí)聯(lián)光學(xué)微環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)應(yīng)力/應(yīng)變靈敏特性， 采用傳統(tǒng)MEMS工藝設(shè)計(jì)并制備了微腔結(jié)構(gòu)， 在0～13.69 MPa量程內(nèi)， 光學(xué)微環(huán)諧振腔輸出信號(hào)與外應(yīng)力呈線性比例關(guān)系， 傳感器結(jié)構(gòu)的應(yīng)力/應(yīng)變靈敏度分別達(dá)到了0.185 pm·kPa-1， 18.04 pm·microstrain-1， 與單環(huán)微腔結(jié)構(gòu)相比， 線性量程增加了近50.3%， 應(yīng)力靈敏度提高了近10.6%， 相信經(jīng)過(guò)繼續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)， 該結(jié)構(gòu)能夠應(yīng)用到微光機(jī)電系統(tǒng)(MOEMS)力學(xué)傳感結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)嵌入式高靈敏度的應(yīng)力/應(yīng)變檢測(cè)。

Fig.6 Linear fitting diagram of the redshift amount Δλm and the stress δ in the ring of the optical microring resonator

[1] Li Fan, Leo T Varghese, Yi Xuan, et al. Opt. Express, 2012, 20(18): 20564.

[2] Hallynck E, Bienstman P. IEEE Photonics Journal, 2012, 4(2): 443.

[3] Westerveld W J, Leinders S M, Muilwijk P M, et al. IEEE J. Sel. Top. Quantum Electronics, 2014, 20(4): 5900110.

[4] Gowrishetty U R, Walsh K, McNamara S, et al. Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems Conference, 2009. TRANSDUCERS 2009. International, 2009. 1134.

[5] Chavan A V， Wise K D. Electron Devices, IEEE Transactions on, 2002, 49(1): 164.

[6] Harman K, Hodgins B, Patchell J, et al. Security Technology, 2009. 43rd Annual International Camahan Conference on, 2009. 232.

[7] Xu Juncheng, Wang Xingwei, Cooper K L, et al. IEEE Photonics Technology Letters, 2006, 18(10)： 1134.

[8] Krco S, Tsiatsis V, Matusikova K, et al. Mobile Adhoc and Sensor Systems, 2007. MAHSS 2007. IEEE Intematonal Conference on, 2007. 1.

[9] Jacob Scheuer, Amnon Yariv. PRL, 2006, 96(053901): 1.

[10] Carlos A Barrios, Kristinn B Gylfason, Benito Sanchez. Opt. Lett., 2007, 32(21): 3080.

[11] Ciminelli C, Dell’Olio F, Conteduca D. Optics & Laser Technology, 2014, 59: 60.

[12] Zhao X, Tsai J M, Cai H, et al. Opt. Express, 2012, 20(8): 8535.

[13] Taillaert D, Van Paepegem W, Vlekken J, et al. Proc. SPIE， 6619, 2007, 661914.

[14] Wouter J Westerveld, Jose Pozo, Peter J Harmsma, et al. Opt. Letters, 2012, 37: 479.

[15] Cai J, Ishikawa Y, Wada K. Opt. Express, 2013, 21: 7162.

*Corresponding author

Study on Strain Detection with Si Based on Bicyclic Cascade Optical Microring Resonator

TANG Jun1,2， LEI Long-hai1,2， ZHANG Wei1,2， ZHANG Tian-en1,2， XUE Chen-yang1,2， ZHANG Wen-dong1,2，LIU Jun1,2*

1. Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement (North University of China), Ministry of Education, North University of China, Taiyuan 030051, China

2. Key Laboratory of Science and Technology for Electronic Test & Measurement, North University of China, Taiyuan 030051, China

Optical micro-ring resonator prepared on Silicon-On-Insulator (SOI) has high sensitivity, small size and low mode volume. Its high sensitivity has been widely applied to the optical information transmission and inertial navigation devices field, while it is rarely applied in the testing of Mechanics. This paper presents a cantilever stress/strain gauge with an optical micro-ring resonator. It is proposed the using of radius change of ring waveguide for the sensing element. When external stress is put on the structure, the radius of the SOI ring waveguide will be subjected to variation, which causes the optical resonant parameters to change. This ultimately leads to a red-shift of resonant spectrum, and shows the excellent characteristics of the structure’s stress/strain sensitivity. Designed a bicyclic cascade embedded optical micro-cavity structure, which was prepared by employing MEMS lithography and ICP etching process. The characteristic of stress/strain sensitivity was calculated theoretically. Two values of 0.185 pm·kPa-1and 18.04 pm·microstrain-1were obtained experimentally, which also was verified by theoretical simulations. Comparing with the single-loop micro-cavity structure, its measuring range and stress sensitivity increased by nearly 50.3%, 10.6%, respectively. This paper provides a new method to develop micro-opto-electromechanical system (MOEMS) sensors.

Strain detection; Optical resonator; Resonant spectrum; Silicon-on-insulator

Dec. 19, 2014; accepted Apr. 12, 2015)

2014-12-19，

2015-04-12

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51225504)資助

唐 軍， 1981年生, 中北大學(xué)副教授 e-mail: tangjun@nuc.edu.cn *通訊聯(lián)系人 e-mail: liuj@nuc.edu.cn

TN815

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)03-0874-06