光子晶体在传感器领域的应用

光子晶体在传感器领域的应用
郑州工程技术学院土木工程学院 宋 萌
本文概述了光子晶体在传感器领域中的应用，简单介绍了光子晶体的基本结构、分类和主要特性。

依据应用范围将光子晶体传感器进行分类论述，对其工作原理、结构、特点分别进行了阐述。

最后对光子晶体传感器的发展趋势进行了展望。

1987年S.John和Yabonovitch分别独立提出了光子晶体的概念，这为操纵和控制光子的传播提供了新的途径。

光子晶体是指一类由不同折射率的介质周期性排列而成的微纳结构，它具有光子带隙，处在光子禁带频率范围内的光波在介质中的某些方向上是不能传播的。

利用这种光子禁带特性，可以将光子晶体制成光波导器件、光子晶体光纤等光电器件（张友俊,姬波,王向前,等.光子晶体及其应用[J].红外与激光工程,2004,33(3):320-322）。

近年来，光子晶体一直是国内外科技工作者研究的热点，光子晶体的相关研究成果已经广泛的应用于功能器件、光通信、红外/雷达等领域。

传感器是一种能探测、感受到被测量的信息，并能将感受到的信息按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出的检测装置，广泛的应用于自动控制、环境监测、生物医学、化学工程等领域。

将光子晶体的优良特性应用到传感器技术中，可实现具有体积小、易于集成、灵敏度高等优点的新型传感器件，在温度、pH值、折射率、压力等探测领域有较高的应用价值。

因此，基于光子晶体的新型传感器件的研究引起了科技工作者越来越多的关注。

光子晶体的结构根据其折射率在空间中变化分布的不同可分为一维、二维和三维光子晶体，这分别代表了结构中折射率分布周期性变化的维度。

光子晶体结构中折射率的变化量（即折射率对比度）对其自身的光子带隙特性具有重要的影响。

光波在光子晶体中传播时折射率对比度会影响结构中布拉格散射的强度。

其比值越大，布拉格散射越强烈，光子晶体中产生光子带隙的几率以及带隙宽度也会越大。

在光子带隙以内的波段，光波既不能传播，也不能被吸收，将被完全反射。

光子晶体的带隙特性使得光子晶体对环境中的某些物理量变化相当敏感，可用于精密检测某些参量的变化。

例如，在光子晶体结构中与分析物结合会改变物质的折射率对比度，从而引起光子晶体带隙的位置发生一定的偏移，通过与实验值对比，即可测定分析物的种类、浓度等参量。

此外，对于光子禁带处于可见光波段的光子晶体，其结构色特性可以被人眼直接观察到。

在响应材料的影响下，某些环境条件的改变会引起光子晶体结构色发生变化，即显示出色彩的改变，这一性质也被广泛的用于某些参量的检测。

目前，基于光子晶体的优异特性已经开发出多种不同用途的传感器。

1.化学传感器
光子晶体可作为化学传感器用于检测溶液的pH值和离子浓度。

美国匹兹堡大学的Lee K等人使用高电荷密度单分散聚苯乙烯球制造了一种胶体晶体阵列，这种胶体晶体阵列具有较强的衍射光（Lee K,Asher S A.Photonic Crystal Chemical Sensors:PH and Ionic Strength[J]. Journal of the American Chemical Society,2000,122(39):9534-9537）。

他们利用胶体晶体阵列中布拉格衍射峰值波长的变化来监测pH和离子浓度变化。

实验中发现，在pH为6.7时，布拉格衍射峰值出现在681nm 处。

以此为中性值，当pH值不断增大至9.6的过程中，衍射峰波长会发生红移。

而当pH值从6.7逐渐降低时，衍射峰波长会发生蓝移。

在pH值为2.0时，衍射峰的波长为506nm。

在所有pH值下，衍射条纹的中心频率对称，宽度不变。

利用胶体光子晶体的这种pH敏感性可以制成性能良好的化学传感器。

软性水凝胶制备的光子晶体可用于检测多种化学物质，并可用于离子传感。

其中由水凝胶光子晶体微腔构成的传感器可以用来检测液体溶液中ClO4−和Ca2+离子浓度的微小变化。

由于微腔的结构非常小，它们可以作为芯片集成到实验室的设备上。

2.湿度传感器
直接暴露于空气中的水凝胶光子晶体可以用来感知环境中的湿度变化。

从水凝胶光子晶体的光学性质的变化可以测量出环境中湿度的大小。

基于水凝胶光子晶体开发的光学传感器可通过测量光功耗来感知湿度。

美国伊利诺伊大学的Barry,R.A.等人利用聚丙烯酰胺的天然亲水性改变光子晶体的结构性质，从而感知光学性质的变化（Barry R A,Wiltzius P.Humidity-Sensing Inverse Opal Hydrogels[J].Lang-muir,2006,22(3):1369-1374）。

由于水凝胶的化学性质，其逆水凝胶结构能够感知湿度。

实验中使用的丙烯酰胺具有良好的亲水性和吸水性。

当相对湿度为20%时，水凝胶光子晶体的布拉格反射峰在538nm处，当相对湿度为80%时，反射峰移至580nm处。

光子晶体湿度传感器具有灵活性好、尺寸小的优点，在环境湿度检测方面具有很大的潜力。

3.折射率传感器
具有微型空腔的二维光子晶体可用于折射率传感，环境折射率的变化对光子晶体微型空腔的共振波长和品质因数具有强烈的影响。

利用此原理，将不同的液体渗透到有空腔结构的光子晶体中，就可以测量折射率。

光子晶体微腔构成的折射率传感器灵敏度很高，可达10−2~10−4量级，并且只需要很少量的分析样品。

这种类型的传感器可以方便地集成到芯片以及其他光学组件上。

4.温度传感器
光子晶体也可以用来制造温度传感器。

温度传感器的概念是当组成光子晶体的材料的温度发生变化时，可观测到布拉格反射峰或光子
项目名称：河南省高等学校重点科研项目计划（19B416006）。

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图4 简单的固态继电器加热电路
图5 脉宽调制电压输出示意图
2.2 PID温度控制系统实现温度控制的两个阶段
PID 温度控制系统惯性比较大，所以就会出现两个问题，第一是当实现温区温度加热并不能立即的观察到温度达到设定值，还会存在一个上升的趋势，所以温度达到设定值就结束温度加热，那么就会导致温度继续上升超出设定范围。

在系统控制过程中，对温度偏差的消除，如果在其温度已经达到了规定的范围才结束加热，那么就会因为滞后效应而导致实际的温度高于规定的温度值，经过长时间才能回到规定的值。

如果在温度还没有回升到规定的温度值结束加热，又可能造成温度难以达到规定值。

面对这一问题，就需要加强对温度的控制，其控制主要分为两个阶段，首先是PID 调节前阶段，然后是PID
调节阶段。

图6 温度控制的动态响应过程
2.2.1 PID调节前阶段
对于PID 调节前阶段，因为在消除温度偏差还没有完成，其温度与设定的温度值还有一定的距离，固态继电器和发热管就处于一个满负荷输出状态，以此来加快加热的速度，加快温度上升的速度，当达到一定的值再关闭固态继电器。

2.2.2 PID调节阶段
PID 调节阶段，是利用PID 调节器来调节输出，然后根据其温度的偏差值得出占空比例，确保温度的偏差值趋近零，就算收到外界的各种干扰，也能够保证系统的平衡，确保控制系统的稳定运行。

2.3 PID温度控制的运算
PID 控制系统实现温度控制的运算是按照下图的公式：涉及到
了三个函数，分别是比例项。

积分项和微分项的函数。

上述就是PID 温度控制的运算法则，其中M(t)表示PID 控制系统回路的输出；Kc 则表示PID 控制系统回路的比例增益；e 代表PID 控制系统回路的偏差；Minitial PID 回路的静态输出值。

自动化的温度控制，基本上都是作用在计算机上，也就是PID 温度控制系统的运算也符合计算的相关技术，所以为了计算机能够实现算式的计算，其连续算式就要化为周期采样偏差算式。

具体的处理方式如下：
根据具体的公式，积分项、微分项和比例项都是不同的函数，比例项是目前采用的函数，而积分项则是误差函数，微分项函数则是当前的和前一次的，要在计算机中进行运算，每一个采样过程中的采样值都要计算一次输出值，只需要保存前一次过程值(PVn-1)和积分项前值。

算式变换为：
公式中的Mn 是在第n 采样时刻，PID 回路的输出计算值，SV 是PID 控制系统回路设定值，PVn 是在第n 采样时刻的过程变量值，PVn-1是在第n －1采样时刻的过程变量值，MX 是积分前项值，Mintial PID 回路的静态输出值，Kc 是PID 控制系统回路的比例增益。

参考：姜忠亮,陈秀云编著.温度的测量与控制.北京:清华大学出版社,2005；于常光主编.自动控制技术及应用.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社.2007；戴俊珂,姜海明,钟奇润,谢康,曹文峰.基于自整定模糊PID 算法的LD 温度控制系统.红外与激光工程,2014,43(10):3287-3291；戴焰明,周哲民.基于参数模糊自整定PID 温度控制系统.自动化与仪表,2007(03):65-68。

作者简介：赵兴亮（1983—），男，山西太原人，大学本科，助理工程师，研究方向为真空处理设备。

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禁带发生偏移。

即当折射率变化时，光子晶体的光学性质发生改变。

这样光子晶体就成为了温度传感器。

美国克莱姆森大学的Ballato,J.等人将二氧化硅光子晶体与甲基萘结合作为温度传感的功能材料（Bal-lato J,James A.A Ceramic Photonic Crystal Temperature Sensor[J].Journ al of the American Ceramic Society,1999,82(8):2273-2275）。

当温度升高时，结构的折射率对比度会降低，这会使光子禁带的频率范围变小。

通过监测光在光子禁带对应波段的传输变化，可以测量温度的变化。

在实验中，温度变化12℃的范围内，探测光传输率的相对变化达到了35%。

这表明光子晶体可应用于自动控制中的热控器件。

5.油传感器
由碳反蛋白石构成的光子晶体已经被用于油传感。

当油渗入时，碳反蛋白石光子晶体的颜色会产生变化。

在碳反蛋白石光子晶
体中，光子禁带或反射峰值的位置与球面直径和有效折射率有关。

对于较大的球形直径，光子禁带出现的波长较长。

中科院的李会玲等人研究了215、240、280nm 孔径的晶体样品的光子禁带波长范围与折射率之间的线性关系（李会玲.亲油/疏水反蛋白石型光子晶体的制备和应用研究[D].中国科学院化学研究所,2008）。

在材料吸附油之前，这三个孔径的碳反蛋白石结构颜色分别为紫色、蓝色和绿色。

当碳反蛋白石吸附油后，样品的有效折射率增加，可以明显的观察到光子禁带的红移，甚至用肉眼也可以观察到色彩发生变化。

这为环境监测中的油类污染提供了一种新的方法。

光子晶体具有新奇的结构和独特的光学特性，随着光子晶体相关研究的不断深入以及光子晶体制备技术的不断提高，光子晶体在传感器领域的应用会越来越广泛，越来越深入。

光子晶体传感器在今后必然会沿着集成化、微型化、网络化、智能化的方向发展。

在传感技术领域，光子晶体必将发挥越来越重要的作用。