بخشی از مقاله
چکیده
نویسندگان بر مبنای کریستال فوتونی، طرحی جدید از حسگر فشار ارائه می نمایند که دارای دقت بالا و محدوده دینامیکی گسترده می باشد. این حسگر مبتنی بر کریستال فوتونی دو بعدی با آرایه مربعی میله ای سیلیکونی احاطه شده با هوا می باشد. این حسگر شامل یک موجبر کریستال فوتونی می باشد که به یک نانوکاواک کریستال فوتونی متصل است. موجبر با حذف یک ردیف از میله های Si پیکربندی شده و نانوکاواک با تغییر شعاع میله Si تشکیل شده است. حسگر با طول موج 1300 تا nm1400 طراحی شده است. نتایج شبیه سازی نشان می دهد که طول موج تشدیدی نانوکاواک با افزایش فشار به صورت خطی به طول موج های بزرگتر تغییر یافته است. حسگر طراحی شده در فشار اعمال شده دارای یک رفتار خطی بین 0.1 تا GPa 4 و حساسیت فشار nm/GPa 3 می باشد.
مقدمه
از دهه گذشته، کریستال فوتونی - PhCs - برای کنترل و دستکاری نور دارای ساختار اختیاری جالب بوده است. PhCs ها ریزساختارهای دوره ای، با دوره ای با طول موج نوری می باشند که ضریب شکست مواد را در یک، دو یا سه جهت تغییر می دهند. خواص ذاتی آنها از قبیل گاف انرژی فوتونی - PBG - ، بازتاب- تراگسیل، انعطاف پذیری بالا در امر طراحی و امکان ایجاد در محدوده نانومتر، امکان استفاده از این ساختار ها را در برنامه های کاربردی نظیر موجبرها، نانوتشدیدگرها، فیبرهای کریستال فوتونی ممکن می سازد .[5-1] زمینه های تحقیقاتی در مورد ساختارهای PBG، بواسطه برنامه های کاربردی جدید و متعددی که هر روزه معرفی می شود، در حال رشد انفجاری می باشند.[6]
سنسورهای نوری براساس کوپلرهای جهتی ، تداخل سنج ماخ زندر ، رینگ نانو تشدیدگرها ، میکرو رینگ تشدیدگرها ، برای کاربردهای مختلف طراحی شده است . سنسورهای فوتونیک کریستال و حلقه های فوتونیک کریستال تشدیدگر برای حسگرهای شیمیایی ، حسگر توان و نیرو ، حسگر گاز و ضریب شکست ، تشخیص ویروس دانگ ، سنسور فشار ، محیط آبی و زیست حسگر ها کاربرد دارد .به طور معمول، دو روش برای حسگرهای نوری وجود دارد یکی طرح تغییر طول موج رزونانس و دیگری طرح تغییر شدت طول موج است.
برای عملکرد سنجش،تغییر طول موج رزونانس، در این دو روش ترجیح داده که منجر به حساسیت بالا میشود. کاربرد آنها به عنوان حسگر، یک زمینه تحقیقاتی جدید می باشد که به نظر می رسد در سیستم های نانو الکترو مکانیکی - NEMS - قابل اجرا باشد. خو و همکارانش بر اساس کوپلر هم جهت PhC دو بعدی - 2D - ، به معرفی و تجزیه و تحلیل یک میکروحسگر جابجایی پرداختند که طیف دینامیکی بالایی دارد و در آن محدوده سنجش می تواند به بزرگی ده ها یا حتی تعداد بیشتری ثابت شبکه باشد.[7] شی و همکاران بر اساس یک PhC نانو متخلخل پلیمری که دارای برگشت پذیری و تکرارپذیری عالی [8] می باشند، به گزارش در مورد حسگر رطوبت نوری پرداختند.
در مورد سایر موارد از قبیل حسگر ضریب شکست [9]، حسگر شیمیایی و حسگر نفت [10] نیز گزارش شده است.حسگر فشار PhC را می توان با اتصال یک موجبر و یک نانوکاواک ایجاد نمود. موجبر بواسطه معرفی عیب خطی در ساختار 2D PhC و نانوکاواک بواسطه معرفی عیب نقطه ای در ساختار PHC ایجاد شده است.طول موج تشدیدی نانوکاواک تابعی از شکل، ابعاد و سطح نقایص می باشد. این نکته در حسگر فشار بسیار مهم می باشد. هنگامی که به نانوکاواک فشار وارد می شود، ویژگی های آن تغییر می یابد و در نتیجه یک ارتباط خطی بین فشار و تغییر طول موج تشدیدی بوجود می آید 11]، .[12 در این مقاله، یک حسگر فشار خطی و با دقت بالای جدید ارائه می نماییم.
اصل حسگر فشارْاثر فشار هیدرواستاتیک بر ویژگی های الکترونی و نوری مواد از قبیل شکاف انرژی و ضریب شکست را می توان برای کاربردهای سنجش در نظر گرفت. وقتی که یک کریستال بواسطه فشار متراکم شد، گاف انرژی افزایش می یابد. زمانی که ضرایب نوری مانند فتوالاستیک، پیزوالکتریک و گذردهی در کرنش های مختلف تغییر یابد، ضریب شکست Si اصلاح می شود. PBG در ساختار PhC، به ضریب شکست، ثابت شبکه و نسبت شعاع به ثابت شبکه وابسته می باشد. با اعمال فشار بر PhC ، ضریب شکست مواد، شکل هندسی PhC و ساختار PBG تغییر می یابد.
طیف موجبر، در موجبر PhC متصل به خروجی نانوکاواک بواسطه کرنش های مختلف تغییر می یابد. از سوی دیگر، طول موج تشدیدی نانوکاواک به شکل هندسی نقصی بستگی دارد که موجب ایجاد کاواک می گردد. با اعمال فشار خاص در این ساختار، می توان طول موج تشدیدی و تغییر طول موج تشدیدی نانوکاواک را به عنوان تابعی از فشار اندازه گیری نمود. این نکته در حسگر فشار PhC امری اساسی می باشد. در این بخش، مدولاسیون ضریب شکست ناشی از فشار اعمال شده را محاسبه می نماییم. برای تعیین ضریب شکست ساختار تنیده، از ضرایب تانسور نوری سیلیکون که در معادله تانسور تنش-نوری توصیف شده، استفاده می کنیم 6]، :[13
