新型二维光子晶体压力传感器：高灵敏度、高品质因数
2026-08-23 14:36:33 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
研究人员提出了一种基于二维光子晶体结构与六边形环形谐振器集成设计的紧凑型高效压力传感器。该传感器利用两个与六边形环形谐振腔耦合的准波导，通过折射率调制来检测压力变化。
尽管电容式、压阻式、压电式和电感式等传统电学压力传感器已得到广泛使用，但仍面临非线性、温度依赖性、电磁干扰（EMI）、材料疲劳以及在微/纳米尺度下性能降低等局限。基于光子晶体（PhC）的压力传感器在此背景下尤为具有吸引力，这是因为其能够利用周期性介电结构对电磁波进行独特的调控。
据麦姆斯咨询报道，近日，研究人员提出了一种基于二维光子晶体结构与六边形环形谐振器集成设计的紧凑型高效压力传感器。该传感器利用两个与六边形环形谐振腔耦合的准波导，通过折射率调制来检测压力变化。采用时域有限差分（FDTD）方法对该传感器的光学特性进行了建模和仿真，分析了谐振波长偏移、品质因数（Q值）、归一化输出功率和灵敏度等关键性能指标。仿真结果表明，该压力传感器的谐振波长接近1.5708 µm，半高全宽（FWHM）约为0.06 nm，品质因数Q值高达2.6×10⁴。在0-6 MPa压力范围内，该压力传感器灵敏度为1.35 nm/MPa，波长偏移近似线性关系，验证了该器件在压力测量方面的可靠性。凭借紧凑型尺寸、高光谱分辨率以及与集成光路的兼容性，这种二维光子晶体压力传感器适用于生物医学、工业和环境监测等应用领域。相关研究成果以“Design and Analysis of a High-Sensitivity Photonic Crystal Pressure Sensor with Hexagonal Ring Resonator”为题，发表于2026年人工智能驱动的智能系统与普适计算国际会议（ICAUC 2026）。
器件设计
本文所提出的压力传感器采用具有六边形晶格结构的二维光子晶体结构。该设计由两个通过六边形环形谐振腔耦合的准波导构成，可实现高效的光场约束，并提高对压力引起的折射率变化的灵敏度。该光子晶体由高折射率介电材料（例如硅，n≈3.45）构成，并嵌入空气基质中，从而形成支持光子带隙（PBG）的周期阵列。
器件性能指标
为了评估光子晶体压力传感器的光学特性，研究团队采用FDTD方法进行建模与仿真。图1展示了二维光子晶体压力传感器的俯视示意图。图2展示了二维光子晶体环形谐振腔内的稳态电场强度分布。
图1 具有六边形环形谐振腔的二维光子晶体压力传感器俯视示意图
图2 二维光子晶体环形谐振腔中的电场强度分布
为了确保测试性能指标的可靠性，研究团队开展了专门的验证与评估程序。通过在不同压力条件下进行多次FDTD光谱扫描，来对该光子晶体压力传感器的响应进行评估。
研究团队深入分析了该光子晶体压力传感器的性能和工作特性，重点考察谐振场分布、灵敏度和品质因数等关键指标。主要目的在于展示FDTD仿真的结果，并评估该压力传感器在检测压力变化方面的有效性。图3展示了光子晶体压力传感器在0 MPa和6 MPa压力下的透射谱。图4展示了光子晶体压力传感器在0 ~ 6 MPa压力逐渐增加的情况下的透射光谱变化。表1总结了随着外部压力从0 MPa增加到6 MPa过程中，光子晶体压力传感器的关键光学特性的变化情况。
图3 在0 MPa和6 MPa压力下，光子晶体压力传感器的透射光谱
图4 不同压力水平下，光子晶体压力传感器的透射光谱
表1 不同压力下光子晶体压力传感器的光学特性
总结
综上所述，这项研究设计了一种基于六边形环形谐振腔的高灵敏度光子晶体压力传感器，并通过FDTD仿真对其进行了评估。该压力传感器表现出稳定的谐振特性，通过谐振波长与测量的FWHM之比计算得出的品质因数约为26000。压力引起的波长偏移分析表明，该压力传感器具有线性响应，在均匀载荷条件下的灵敏度为1.35 nm/MPa。这个统一的灵敏度值解决了早期设计方案中存在的数据差异，并反映了从仿真数据中获得的验证斜率。该研究专门解决了在紧凑型光子晶体结构中同时实现高灵敏度和高品质因数的挑战。优化后的六边形环形谐振腔结构能够有效限制电磁能量，并增强了谐振锐度，从而实现较高的品质因数。该研究所采用的系统化工作流程涵盖结构设计、仿真设置、谐振参数提取、品质因数估计以及压力灵敏度评估，为器件性能评价提供了一条清晰且可重复的评估途径。
论文链接：https://doi.org/10.1109/ICAUC68182.2026.11441026
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