CN101006334B - 具有电介质主体和可变间隙空腔的电磁谐振传感器 - Google Patents

Abstract

一种电磁谐振传感器(800)具有电磁波能量通过其而传播的电介质传感器主体(802)。传感器主体(802)具有空腔，其表面彼此相对，以限定作为待测量参数的函数而变化的间隙(810)。主体(802)和可变间隙(810)中的电磁驻波(814)的谐振频率作为间隙尺寸的函数而改变。

Description

具有电介质主体和可变间隙空腔的电磁谐振传感器 

技术领域

本发明大体上涉及传感器。更具体地，本发明涉及用于测量在工业过程或流程系统中普遍测量的参数(诸如压力、温度、流速、应力和材料组成等参数)的电磁谐振传感器。 

发明内容

本发明是一种具有主体的电磁谐振传感器，该主体具有其尺寸作为待测量参数的函数而改变的空腔间隙(cavity gap)。将电磁能提供给传感器，以在传感器主体与空腔间隙内产生电磁驻波。电磁驻波的谐振频率是空腔间隙的函数。根据谐振频率产生传感器的输出，从而使该输出作为待测量参数的函数而变化。 

附图说明

图1是根据实施例，与激光器耦合的外部高Q谐振器的方框图。 

图2是根据实施例，具有内部谐振器的激光器的方框图。 

图3A是根据实施例，具有光增益介质的锁模(mode-locked)激光器的方框图。 

图3B是根据实施例，具有光增益介质的锁模激光器的方框图。 

图4是根据实施例，光纤的横截面图。 

图5是在光纤的感应表面，可测量参数已改变之后，图4的光纤的横截面图。 

图6是根据实施例，用在光学传感器中的图4的光纤的图。 

图7是根据实施例，环形谐振器的图。 

图8是根据另一实施例，环形谐振器的图。 

图9是根据作为图4和5的可选方案的实施例，光纤的横截面轮 廓。 

图10是根据可选实施例，微球体谐振器的图。 

图11是典型光学传感器中的图10的微球体谐振器的图。 

图12是另一典型光学传感器中的图10的微球体谐振器的图。 

图13是具有微球体的可选光学传感器的横截面图。 

图14是根据实施例，未组装的、具有第一模块和第二模块的集成光学传感器的透视图。 

图15是已组装的图14所示的集成光学传感器的横截面图。 

图16是作为图15所示的集成光学传感器的可选方案的集成光学传感器的横截面图。 

图17是使用光子晶体阵列来形成谐振器的、作为图14的第一模块的可选模块的顶视图。 

图18是根据实施例，微片型谐振器和VCSEL的横截面图。 

图19是由微波振荡器驱动的电磁高Q电介质谐振传感器的方框图。 

图20是具有微波振荡器和高Q电介质谐振传感器的、自谐振配置的传感器系统的方框图。 

图21是具有与高Q电介质谐振传感器结合的微波激射器的传感器系统的方框图。 

图22A和22B示出根据本发明，使用微波能量的电磁环形谐振器传感器的实施例。 

图23A和23B示出具有两个不同间隙厚度的空腔的电磁环形谐振器传感器的实施例。 

图24A和24B示出具有正方形面和圆形空腔、工作在最低谐振模式的电磁环形谐振器传感器的实施例。 

图25A和25B示出工作在更高谐振模式的图24A和24B的环形谐振器传感器。 

图26A和26B示出在空腔的一个表面上具有导体的环形谐振器。 

图27A和27B示出在空腔的相对表面上具有导体的谐振传输线传感器的实施例的剖面图。 

图28A和28B示出在空腔一个表面上的导体中，具有隙缝天线的谐振传输线微波传感器的实施例的剖面图。 

图29A和29B是同轴谐振传输线传感器的实施例的剖面图。 

图30A和30B、31A和31B、32A和32B、33A和33B、34A和34B以及35A和35B是隙缝天线谐振传输线传感器的另外实施例的剖面图。 

图36A和36B以及37A和37B是圆形偶极谐振传输线传感器的实施例的剖面图。 

图38A和38B是具有矩形空腔的高Q谐振器传感器的剖面图，其中所述矩形空腔具有矩形导体和圆形端口天线。 

图39是使用锁模谐振传感器阵列的实施例的方框图。 

具体实施方式

图1-18示出了通常在从长红外到紫外波长的光学范围中，以电磁辐射工作的本发明的高Q谐振传感器的实施例。图19-38B示出了在电磁谱的微波部分(即，长红外波长以上)中，以电磁辐射工作的本发明的高Q谐振传感器的实施例。 

一般地，图1-18包括优选地工作在脉冲输出模式、产生由可测量参数调制的重复率或频率的激光信号的激光器。通过使用锁模激光器，可以将常规的高速电子器件用来测量调制信号，并可以高分辨率测量激光信号的重复率或频率。通过测量激光信号的频率，可以导出针对可测量参数的值。 

在一些实施例中，高Q光学谐振器产生具有依赖于可测量参数的频率的激光信号。高Q谐振器可以在激光器内部或外部。这些器件优于现有技术水平，具有更低的功耗和改进的精度。可以将这些器件用来测量可测量参数的改变，或将它们用来进行绝对测量。对于本领域的普通技术人员，其它应用和实施例是显而易见的。例如，可以适配所述器件，以作为可调光纤、可调激光源或其它全光学应用而使用。 

图1和2示出了典型实施例。图1示出通过耦合器104，与外部高Q谐振器102耦合的激光器100。激光器100可以是掺杂光纤激光器、红宝石激光器或二极管激光器。可以考虑其它激光源。激光器100 可以是放大级，例如由激光源泵浦的光学参数放大器或光纤放大器级。还可以用发光二极管(LED)替代激光源100。只作为示例，示出了激光源100从能量源103接收能量，如本领域普通技术人员理解的一样，能量源103可以采用光或电能量源形式。虽然激光能量也可以在远红外和微波范围内，但是激光能量优选地在可见光或红外线范围中的波长上。将结合图19-38B，进一步论述使用微波能量的实施例。 

在优选实施例中，耦合器104是光纤或光波导，并通过低损耗消散波耦合(low-loss evanescent coupling)来实现耦合。可以通过部分透射反射镜、波导抽头(tap)或用于耦合光信号的其它已知装置，实现耦合。 

激光源100通过耦合器104，向高Q谐振器102提供激光能量。从激光器100耦合到谐振器102的激光能量处于与激光器100内的激光腔的谐振相对应的波长上。但是，这种激光腔具有低Q，产生相对较大带宽的输出。优选地，外部谐振器102的Q实质上高于激光器100内激光腔的Q。例如，在优选实施例中，谐振器102的Q可以是至少100。典型谐振器只具有3到100之间的Q值，并受到形成谐振腔的反射镜和所需功率输出的限制。 

通常已知，如果在振荡器与谐振器之间有足够的耦合，并且如果两个区域的频率范围交迭，则低Q振荡器系统锁定到高Q谐振器的频率上。激光器100的低Q激光腔锁定到高Q谐振器102的谐振频率上。即，高Q谐振器102与低Q激光器100之间的能量交换会将整个系统的激光信号锁定到由谐振器102限定的频率和带宽。结果是系统产生具有窄带宽、以谐振器102的谐振频率为中心的激光信号。 

激光源100可以是连续波(CW)源，或优选地，脉冲锁模激光源。如果源100是CW源，则从系统来的激光信号锁定到谐振器102的谐振频率上，并具有由谐振器102的高Q导致的窄带宽。这里，可以使用光谱仪来测量激光信号的频率。如果源100是脉冲锁模激光源，则谐振器102另外确定脉冲串的重复率。这里，可以用常规电子检测器来测量100GHz以下的重复率。 

光学谐振器具有多个谐振频率。但是，希望只有单个谐振频率位 于由激光源提供的激光能量的带宽之内。即，激光信号位于单一恒定的谐振频率上。这个条件将减少在一些现有技术水平的激光系统中发生的跳模现象(mode hopping)。可以使用分布反馈(DFB)激光器作为激光源100，以实现允许单个谐振频率的带宽。还可以改变谐振器102的物理参数，实现单谐。 

谐振器102由光学透明材料形成。材料可以是激光发射材料，或非激光发射材料。合适的材料包括蓝宝石、石英、掺杂石英、多晶硅和硅。这些材料具有低光学损耗。这些材料还具有良好的机械属性，精确并一致地响应于可测量参数的改变，并且在压力或力的作用下，不会永久变形，而是在可测量参数已返回稳定状态值之后，返回到其原始形状。优选地，使用允许在内部全反射下进行传播的材料。内部全反射和低光学损耗允许非常高Q的谐振器。 

谐振器102的特征在于，具有依赖于谐振器102附近的可测量参数的谐振频率。这里，“可测量参数”表示与外力或压力相关联的那些参数。压力(绝对的和差动的)、温度、流速、材料组成、力和应力是示例。激光源100与高Q谐振器102共同形成光学传感器105，光学传感器105根据可测量参数，产生激光信号或感应信号。 

通过作为耦合器108A、108B和隔离器109总体示出的结构，向测量装置106提供激光信号。如果激光源100是脉冲锁模激光器，则测量装置106可以是常规的高速电子检测器。如果激光源100是连续波源，则测量装置106优选地是光谱仪，或用于测量信号频率的其它合适设备。 

隔离器109防止测量装置106的背反射信号进入谐振器102。因为激光信号依赖于可测量参数，所以测量装置106可以通过测量激光信号的频率或重复率，并计算与测量相对应的可测量参数值，从而另外导出针对可测量参数的值。按照已知方式执行这种推导。可以通过光纤耦合、反射镜耦合、抽头、消散波耦合或其它合适的耦合类型，实现谐振器102与测量装置106之间的耦合。 

谐振器102具有高Q值，因此，在激光器100与谐振器102之间耦合的能量可以非常低，并且将发生谐振器102的谐振频率上的适合 锁定。使用高Q外部谐振器102的另一优点是系统的信号/噪声(S/N)比改善了。通常，调频激光系统的S/N比和分辨率收到激光发射机制中频率抖动的限制。这种抖动具有多种来源；激光发射介质中的跳模、能量源噪声、热噪声、量子起伏和增益噪声是一些来源。幅度噪声起伏调制激光发射频率本身，因此，一旦已产生幅度噪声起伏，则无法滤除所产生的频率噪声。 

作为示例，在以下比例关系下，S/N比与以上定义的GF成比例：S/N＝GF-f_rf_n。值f_n是f_r中固有的噪声频率抖动。高GF产生高S/N比。将激光输出耦合到如谐振器102之类的外部高Q谐振器，表示将由谐振器确定激光输出频率，因此，f_n将较低，S/N比特性将主要由外部谐振器中的特性确定。这里所示的谐振器的特征还在于高GF，从而在于高S/N比。 

因为感应机制(即，谐振器102)距离激光源100遥远，所以图1的外部谐振器结构在不利于激光操作的环境中进行测量是有用的。此外，在本实施例中，外部谐振器102不易于受到激光源100产生的高温的影响。 

图2是光学传感器130的可选实施例的方框图，其中激光器132由内部高Q谐振器形成。这里，高Q谐振器形成激光器132，从而作为激光增益腔而工作。高Q谐振器由在被适当的馈送(feed)能量泵浦时发射激光的材料形成。只是作为示例，示出激光源132从能量源133接收能量，如本领域普通技术人员可理解的一样，能量源133可以采用光或电能量源的形式。还可以使用半导体材料、掺杂的蓝宝石、掺杂的石英和其它材料来形成内部谐振器。因为在向石英中掺杂了稀土元素铒时，可以使石英发射1550nm的激光，即，对于当前光纤通信，优选的低损耗波长，所以掺杂的石英特别有益。与上述内容相似，激光器132产生激光信号，通过耦合器134A、134B和隔离器136，提供给测量装置106。 

在优选实施例中，设置调频激光源，其产生脉冲串，作为激光信号。脉冲的重复率作为作用于谐振器的可测量参数的函数而变化，因此，整体结构形成高分辨率和高精度的光学传感器。例如，在100GHz 信号中，对1GHz变化(由可测量参数的变化引起)进行简单计数，将在1秒测量上给出1ppb的分辨率。现有技术水平的激光器在大约200,000GHz的基频时，具有几个KHz的噪声带宽，这表示采用这种光学传感器，可获得多于30比特的分辨率。 

在本领域，有多种已知方法来设置锁模激光器，例如使用被动锁模或主动锁模。已示出了由氩连续波激光源泵浦，或由钕(Nd)：钇铝石榴石(Yag)激光连续波源泵浦的钛(Ti)：蓝宝石锁模激光器。另外还示出了使用半导体激光器和微机械调谐的被动锁模。任何锁模激光器都适合作为图1的激光源100，在图2的实施例中，可以使用多种锁模激光器设置。因为，在外部和内部谐振器实施例中都考虑脉冲锁模操作。 

图3A示出了典型的锁模激光器，示出了激光器140与外部高Q谐振器142耦合，以在与作用于谐振器142上的可测量参数相关的工作频率上，产生锁模激光信号144。激光器140包括锁模机制，锁模机制可以采用本领域已知的多种形式。例如，可以将可饱和放大器引入激光发射腔，从而只有短脉冲能够无衰减地通过。激光信号144是具有依赖于作用在高Q谐振器142的感应(例如，外面的)表面上的可测量参数的重复率的脉冲激光信号。具体地，锁定到外部高Q谐振器142的激光器140的脉冲激光信号144具有由F＝F_in(1-h/nL)确定的重复率，其中，h是外部谐振器的往返长度，L是锁模激光器的往返长度，n是有效折射率，F_in是锁模激光器的往返频率。(见，Katagirie等所著的“Passively Mode-locked Micromechanically-TunableSemiconductor Lasers”，IEICE Trans.Electron.，Vol.E81-C.No.2，Feb.1998)。测量装置146测量该重复率，并使用该测量来导出针对可测量参数的值。示例中示出的激光器140是由能量源148泵浦的，能量源148代表用于锁模激光器的任何已知泵浦能量源。 

参考图3B，可选地，锁模激光器150可以将高Q谐振器结合到激光发射腔(与图2相似)内部，以产生锁模激光信号152。采用这种内部谐振器结构，激光信号152的重复率简单地是谐振器的往返时间。如上所述，可以通过本领域的多种已知技术，例如，将可饱和放大器 部分引入环中，或使用主动锁模，来实现激光器150的锁模机制。然后，测量装置146测量激光信号152的重复率，以导出针对作用在激光器/谐振器的感应表面上的可测量参数的值。虽然未示出，但是可以如所需要的一样，使用隔离器和其它光学组件(例如变化的光耦合器)实现图3A和3B的实施例。 

现在将论述一些典型谐振器结构，其特征是依赖于可测量参数的谐振频率。 

图4和5描绘可用来形成谐振器102或132的光纤160的横截面。光纤160可以由用于光纤的任何标准材料形成，优选的是单模光纤。光纤160的特征在于包层区162和较高折射率的折射芯区164。这种配置将传播主要限制在芯区164，在芯区164内传播的信号在内部全发射下，进行传播。 

光纤160包含限定可变间隙的空腔166，可变间隙可以是真空的，或包含气体或其它合适材料。通过已知处理方法，例如蚀刻或拉制包括空腔的毛坯或预制棒，在光纤160中形成空腔166。在图4中，空腔166完全放置在芯区164内。如图9的实施例所示，空腔166还可以部分在芯区164内，或完全在芯区164的外部。在优选实施例中，空腔166的横截面形成与芯区164的横截面相似的形状。此外，在优选实施例中，空腔166可以与芯区164对称。虽然示出的空腔166和芯区164都具有直线形横截面，但是要理解，可以使用其它的横截面轮廓。例如，可以将其它形状用于空腔，例如多个响应于感应的可变或可测量参数而改变尺寸的、紧密间隔的圆孔。空腔166至少沿光纤160的一部分，与芯区164一起纵向延展。 

空腔166的间隙响应于可测量参数的改变而变化，例如，响应于光纤160外部的压力或力的改变。操作中，光纤160外侧压力的增加会向光纤160的外壁或感应表面167施加力，导致径向力通过包层区162，施加在空腔166上。由于空腔166的几何结构，一些径向力不会改变空腔形状。其它力，主要是由箭头168代表的力(见图2)，将压缩空腔166。因此，光纤160感应表面167上的压力的增加将导致空腔166的收缩，即，向内位移。虽然未示出，但是要理解，压力的减 小将引起空腔166的膨胀。 

其它可测量参数的改变也会改变空腔166。例如，可以将光纤160置于生产流程系统内，从而流速、温度或材料组成的改变会改变空腔166的几何结构。任何可测量参数的改变会引起空腔166的可变间隙的改变。因此，空腔166提供传播芯区164内的可变化扰动，该扰动响应于可测量参数而变化。 

优选地，空腔166具有响应于可测量参数的相对小的变化而可被压缩和解除压缩的横截面形状。此外，优选的是空腔位移相对较小，即，在微米或亚微米范围中，从而芯区164内的传播特性以可检测的量改变，而不是会损害性地影响芯区164内波传播的模式的量。在图4和5的示例中，将拉长的矩形轮廓用于空腔166。空腔166具有比第二侧172更长的第一侧170。空腔166具有在光纤160内传播的波长量级的尺寸。可以根据所需的灵敏度和待测量的参数，改变稳定状态(即，在大气压下)的空腔轮廓。 

空腔166的形状改变会改变芯区164内的传播特性。具体地，在芯区164内传播的波经历芯区164内的特定折射率。光纤芯区的典型特征是材料相关的折射率。在芯区164内传播的波经历依赖于波传播通过的多种材料的有效折射率。传播的波具有电场，该电场主要通过芯区164和空腔166，但是，实质上也延展进入包层162。因此，电场中存储的能量依赖于折射率和三个区的几何结构，电场中存储的能量确定电磁波沿光纤160的长度方向的传播速度。因此，传播的波表现得像传播经过具有有效折射率的均匀材料一样，其中有效折射率是三个区的折射率的几何加权平均。传播的波经历的有效折射率随着对几何结构的改变(即空腔166的收缩或膨胀)而改变。现在描述一些典型应用，其中，可以在光学传感器中使用对在芯区中传播的波的有效折射率的改变。 

图6示出光学传感器176中的图4和5的光纤160。还可以将该结构考虑为调制激光信号频率的装置。描绘的配置与图1的激光系统的配置相似。光学传感器176具有光源178，其通过隔离器182和耦合器180A、180B，向光纤160提供输出。优选地，将半导体激光器或 LED源用作光源178。源178可以是连续波激光器或脉冲锁模激光器，尽管在后者的情况下，形成光纤160的光学介质不是激光发射介质。对光纤160进行掺杂，以形成激光发射材料，来自源178的输出是泵浦能量，该能量具有足以允许光纤160中的激光发射作用的波长。 

光纤160具有中间部分184，在中间部分184上，测量对可测量参数的改变。光纤160的第一端具有布拉格反射器188形式的第一反射器，第二端具有布拉格反射器190形式的第二反射器。中间部分184在布拉格反射器188与190之间延展，并与感应表面167相符合。布拉格反射器188与190限定光纤160内的谐振器192。在所述环境中，谐振器190沿着与中间部分184相符合、并稍微延展进入布拉格反射器188与190的光纤长度部分而延展。在优选实施例中，空腔166(未示出)没有延展进入布拉格反射器188与190。但是，如果需要，空腔166可以延展进入布拉格反射器188与190。虽然所示第一和第二反射器是布拉格反射器188与190，但是，第一和第二反射器可选地是在光纤160上形成或在其外部形成的反射镜或其它高反射性结构。 

在操作中，通过部分透射布拉格反射器188，向谐振器192提供由光源178产生的泵浦能量。激光信号从布拉格反射器190沿耦合器194A和194B并通过隔离器186发出。激光信号具有与谐振器192的谐振频率相对应的波长。测量装置196测量耦合器194B上信号的频率。 

当在感应表面167，特别是在中间部分184上改变可测量参数时，将改变空腔166，从而改变在芯区164内传播的信号所经历的有效折射率。该有效折射率将确定谐振器192中的光波传播速度。这将确定谐振器192的谐振频率，从而确定在CW工作中，耦合器194A上激光信号的频率。在锁模工作中，改变重复率。检测器196将以激光信号频率的改变的形式，检测对可测量参数的改变。 

在传感器176的CW工作中，测量装置196是检测器，其中将激光信号频率与参考激光频率相比较，从而允许测量对激光信号频率的非常细微的改变。在脉冲模式工作中，测量装置196是电子检测器，测量激光信号脉冲串的重复率的改变。在任何一种情况下，微米或更低量级的空腔位移将引起检测器196可测量的频率改变。虽然未示出， 但是使用CPU或其它处理器，根据检测的激光信号频率，计算针对可测量参数的值。可测量参数的改变是可检测的，也是绝对测量。要理解，可以使用初始归一化，校准检测器196和/或处理器，以精确测量可测量参数。例如，可以在要感应不同的可测量参数之前，执行归一化。要进一步理解，可以将多个传感器与处理器一起使用，以进行不同种类的其它测量，例如测量流程系统内两个分离位置之间的AP。采用典型量规因数.01或.1，以及160或更高的Q，可以用传感器176进行分辨率为.01％到.001％的测量。 

考虑可选的谐振器。图7示出可选谐振器的示例。这里，波导200形成圆形谐振器，也称作环行器(circulator)或环形谐振器，以下将其称作环形谐振器。在优选实施例中，可以使用商业上可用的熔融技术，连接光纤端，从而形成环形谐振器200。当观看横截面时，环形谐振器200像光纤160一样，具有包层、芯区和空腔。环形谐振器200的特征在于高Q和高量规因数，并形成光学传感器202的一部分。如果空腔延展过环形谐振器200的整个长度，则环形谐振器200的整个外表面将作为感应表面。 

通过消散波耦合，实现信号到环形谐振器200的闭环的耦合。使主波导204在由参考数字208大体示出的区域上与环形谐振器200消散波耦合接触。例如，波导204是由多晶硅材料形成的光学透明波导。蓝宝石和石英在创建内部全反射传播上也是有用的，波导可以是另一光纤。使来自激光源205的激光信号206传播通过波导204。 

信号206锁定到谐振器200内的谐振频率上，并具有由于耦合到谐振器200而导致的窄带宽。因此，信号206依赖于谐振器200的属性，即，依赖于谐振器200的外表面处的可测量参数。如上所述，将信号206提供给测量装置209。要注意，在一个实施例中，环形谐振器200可以由激光发射材料形成，从而谐振器构成如图2的内部谐振器实施例中所示的激光腔。 

图8示出可选实施例，其中，用谐振器200传播的信号210耦合到次级或输出波导214，作为信号212，波导214在大体示作216的区域上与环形谐振器200耦合接触。在谐振器200由非激光发射材料形 成的情况下，这个实施例特别有用。输出波导214在与波导204的耦合接触的外部。为引导信号212，波导214具有短平(snubbed)端220，并从短平端220向远端延展，从而信号212沿着与信号206的传播方向平行的方向传播。信号212耦合到测量设备209。优选地，以相同的整体工艺创建环形谐振器200、波导214和204，以减少器件成本和制造时间。 

在从进入信号滤除波长时，图8的实施例特别有用。例如，当信号206作为宽带LED能量或白光能量时，谐振器200将去除与谐振器200的谐振频率和带宽相符的部分传播能量。信号212将在被去除的频率上。采用谐振器200，可实现从信号206近似完全地去除谐振频率。 

图9示出具有包层区302、芯区304和空腔306的光纤300的图4和5的合适的可选实施例。外表面308是光纤300的感应表面。因为间隙的横截面轮廓响应于可测量参数的改变而改变，所以空腔306限定与空腔166的可变间隙相似的可变间隙。但是，这里，空腔306完全放置在包层区302之内。空腔306仍然离芯区304足够近，以改变其中传播的信号所经历的有效折射率。如上述实施例一样，由可测量参数的改变引起的空腔306的改变将改变有效折射率。因此，可以将光纤300用在谐振器或激光腔中，以产生依赖于可测量参数的输出信号。光纤300适合用在上述布拉格反射器谐振器或环形谐振器配置中，以及其它谐振器配置中。如光纤100一样，芯区304可由更高折射率的光学透明材料形成，优选的是在红外区域中透明。芯区304和空腔306可以具有不同的横截面轮廓，仍然实现所需的、谐振频率对可测量参数的改变的依赖性。 

涵盖在本教义内的另一种谐振器是微球体谐振器，例如图10-12所示的谐振器400。已知光学微球体具有极高的Q值，超过1,000,000,000。因此，微球体为测量可测量参数的非常微小的改变提供了理想谐振器。但是，已知的微球体由一体化结构(unitarystructure)形成，没有可以变化的间隙或间距。 

微球体400是中空的，工作在回音廊模式下，其中，光沿如已知 微球体之类的微球体400的外表面传播。光受到球体表面处的内部全反射的限制。将微球体400分离成第一半球体402和相同的第二半球体404，由可变间隙406分离两个半球体402和404。间隙406足够小，从而在半球体402和404之一内传播的信号能够耦合进入另一个半球体，以在其中传播。 

微球体400的特征在于由半球体402和404限定的谐振频率。间隙406的间距以相似于空腔166影响光纤160的方式，影响谐振频率。参考图11，将波导410中传播的激光信号408的一部分耦合进入半球体402。激光信号408将锁定到高Q谐振器400内的谐振频率上。在操作中，当可测量参数在感应表面413A和/或413B处改变时，可变间隙406将改变半球体402与半球体404之间的间距，从而改变微球体400的谐振频率。可变间隙406中产生的变化改变激光信号408的输出频率。将信号408与未示出的测量装置耦合。 

图12示出可选实施例，其中微球体400放置在两个波导410与412之间，微球体400用作与图8所示结构相似的谐振频率滤波器或传感器414，产生波导412中的滤波激光信号416。 

可以在衬底上形成微球体400、波导408和410，并使用适合于普通微球体的安装方法来进行安装。优选地，安装半球体402和404，以便它们可以彼此相对地移动。作为示例，可以将MEMS安装结构用于此目的。可以使用MEMS制造工艺来创建执行机构安装，执行机构安装将半球体402和404偏置到需要的可变间隙的间距，但是，这将允许可变间隙的间距响应于压力、温度等的微小变化而收缩和膨胀。优选地，微球体400由掺杂石英等激光发射材料形成。但是，还可以由非激光发射材料形成。可以使用多个微球体来增加检测器所测量的输出信号的信噪比。其它修改将显而易见。 

图13示出用微球体452形成的、胶囊式光学传感器形式的可选光学传感器450。在优选实施例中，对激光器进行掺杂，以形成在由泵浦光激励时发射激光的微激光器。传感器450包括两个模块454和456。第一模块454由电介质材料形成，并包含接收腔458。模块454具有放置在柔性薄膜或部分462上面的感应表面460，从而感应表面 460处的可测量参数的改变将使薄膜462偏斜。模块456由电介质材料形成，并与微球体452相接触地放置。例如，可以将微球体452放置在模块456中的微小的点印压中。微球体452可以由基座支撑。微球体452优选的是一体化结构，而不是由如图10-12的实施例一样的半球体形成。微球体452位于薄膜462的下面，这两者共同限定可变间隙464，在这种配置中，光耦合进入微球体452，并在可变间隙464中改变(即，由于感应表面460处的可测量参数的改变而引起的改变)将影响微球体452中的谐振条件，从而改变在CW工作中的激光源的频率，或改变在锁模工作中的脉冲激光源的重复率。作为示例，示出波导466，以耦合光，使其输入和输出微球体452。可选地，可以通过将光束聚集到微球体452上，经透明模块454，将光耦合到微球体452。 

可以形成如图7-8的实施例之类的环形谐振器实施例，使其集成到衬底中，从而提供保护谐振器和波导不受损害的一体化结构。图14示出的典型集成光学传感器500(未组装)具有第一模块502和第二模块504。第一模块502包括使用注入、蚀刻和生长、或其他合适的工艺形成的环形谐振器506。在优选实施例中，衬底508由蓝宝石形成，环形谐振器506由砷化镓或多晶硅形成，砷化镓或多晶硅具有比蓝宝石更高的折射率，从而提供内部全反射。类似于以上针对图8而描述的波导，主波导510和短平的次级波导512也形成在衬底508上。波导510、512和环形谐振器506具有与衬底508的顶表面514平接(flush)的顶表面。在内部全反射下，通过波导510、512和环形谐振器506传播的信号也是如此。 

模块504由衬底516形成，在优选实施例中，衬底516的材料与衬底508的材料相同。模块504包括限定可变间隙的空腔518。如前述空腔166一样，空腔518具有几何结构，以使空腔518的间隙响应于压力、力或温度等可测量参数的改变而变化。此外，虽然图14中示出直线形状，但是要理解，其它形状也是适合的；例如，可以使用非平面形状。通过在模块502上安装模块504，形成集成光学传感器500，从而形成图15所示的结构。 

如图15横截面中所示，空腔518在环形谐振器506外部，但是 足够接近，以改变由环形谐振器506内传播的波经历的有效折射率。响应于上述感应表面519处的可测量参数的改变，改变空腔518的形状，可变间隙的变化改变谐振器506的谐振频率。例如，模块504可以形成谐振器506上方的隔膜片。在波导512上的输出信号耦合到检测器和处理器。根据上述教义，可以将该配置用在CW或脉冲模式工作中。 

对于本领域普通技术人员，光学传感器500的多种可选配置将是显而易见的。例如，可以在谐振器506的表面上形成布拉格光栅，以进一步使来自波导512的输出信号的带宽变窄，或者以其它方式影响工作。可以对环形谐振器506进行掺杂，以提供积分(integral)激光发射动作，或者可以将环形谐振器506与外部激光器耦合，以提供可变频率输出。此外，例如，可以使用同心环形谐振器来补偿温度波动。因为每个同心环形谐振器可以具有由不同的几何结构(在这种情况下，半径)而导致的不同的压力灵敏度，所以这种可选配置特别有用。 

此外，光学传感器500可以由位于空腔518的相对侧的、对称且相同的相对环形谐振器形成。两个波导可以用作具有可变内部间隙的单模波导。图16示出实施例的横截面，其中在环形谐振器506上、在空腔518的上面放置第二环形谐振器520。 

作为图14所示的两个模块结构的可选配置，光学传感器500可以单衬底结构形成，即，没有模块。这里，可以采用多步骤处理，其中，生长衬底层的第一部分，然后进行注入或蚀刻处理，以形成集成的环形谐振器和必要的波导，接着执行随后的生长阶段，以在传感器的顶表面上形成空腔。 

可选地，第一模块502由图17中的光子晶体模块530形成。模块530具有主波导532、谐振器534和次级波导536。可以与模块504一起使用模块530，作为模块502的可选模块，或者可以用一体化结构的可变间隙空腔形成模块530。如本领域中已知的一样，通过光子晶体阵列中间距的改变，形成谐振器534。 

以2D光子晶体晶格阵列形成波导532、536和谐振器534。光子 晶体通常由单元的重复阵列构成，其中每个单元的尺寸与在该阵列内传播的光的波长相似，或在其量级上。因为即使在波导中存在尖锐转角，光子晶体也具有严格的模式限制和低损耗，所以光子晶体是理想的。光子晶体还允许消散波耦合。因此，模块530是低损耗的光学耦合器，谐振器534是高Q谐振器。 

用沿三角晶格取向配置的孔或柱538的2D阵列，形成模块530。可以使用已知的光子晶体形成技术，形成该阵列。例如，准直光束可以对光学衬底材料进行钻孔。光刻工艺也是已知的，其中，电子束在薄膜或异质结构中直接写入要蚀刻的图样。形成的2D光子晶体阵列限定谐振器534、以及波导532和536，从而可以使用单个处理步骤，同时形成这三个结构。 

在模块530中，在主波导532内传播的激光信号将以消散波耦合而进入谐振器534(环形谐振器)。如这里所述的其它谐振器一样，谐振器534可以由激光发射材料或非激光发射材料形成。将来自谐振器534的信号耦合到波导536。优选地，与外部空腔518一起使用模块530，其中对感应表面519的改变将改变空腔518的可变间隙，以及从谐振器534来的谐振器信号的频率。 

虽然图14-17所示的实施例示出主波导或输入波导，以及次级波导或输出波导，但是要理解，可以如图7所示，使用单个波导。 

图18示出光学传感器600的另一实施例。光学传感器600由垂直腔面发射激光器(VCSEL)602形成，VCSEL 602具有与外部谐振器604耦合的输出。VCSEL 602示例性地包括有源区606和两个反射器612、614，在优选实施例中，每个反射器都是分布式布拉格反射器层。谐振器604是按照内部全反射原理工作的微片型谐振器，从而具有低损耗和高Q。谐振器604具有限定可变间隙的空腔620，可变间隙响应于感应表面616处的可测量参数的改变而变化。将谐振器604安装到VCSEL 602的顶表面，以接收来自VCSEL 602的输出。作为示例，为此示出了透明电介质622。在现有应用中，为封装和布局简单，可以将整个传感器600安装在衬底或支撑层624上。 

在本实施例中，来自谐振器604的输出依赖于谐振器604的谐振 频率。谐振频率是空腔620的可变间隙的函数，可变间隙是压力和温度等可测量参数的函数。将VCSEL输出与高Q微片型谐振器604耦合，以确定VCSEL 602的频率。 

可从前述内容看出，示出了具有依赖于压力、温度、流速、力、材料组成或应力等可测量参数的谐振频率的高Q光学传感器。通过将激光器锁定到谐振频率，谐振器的谐振频率确定激光器的输出频率，或者谐振频率可以确定用作滤波器的谐振器的输出。任何一种输出都依赖于感应表面处的可测量参数，并且可用来计算针对可测量参数的绝对值或差分值。谐振器可以由激光器或光源外部的光学介质形成，或者，光学介质可以在源内部，从而使激光腔成为谐振器。上述多种波导包括只依赖于内部全反射的微片型和微球体等电介质谐振器，以及确有用于限制传播信号的波导的谐振器。除了所示的那些，其它的谐振器结构也将显而易见。 

以上描述了本教义的多种应用，其它应用也将显而易见。所述光学器件的高精度十分适合工业过程和流程系统应用，特别是具有低信号强度，基于常规电子器件的半导体传感器通常无法工作的那些应用。在一种应用中，可以使用光学远程压力传感器，其中光学谐振器替代充油式毛细管。另一应用包括AP流量计，其中在物理上分离的位置上测量压力，并用流量计确定压力的改变。相反，常规AP传感器需要充油式隔离器系统，以将两个物理上分离的压力与共用传感器耦合。光学传感器还适合在高温应用中进行压力测量，其中常规传感器和电子器件无法工作，例如，测量喷气发动机中的压力、测量油井中的压力和测量蒸汽。还可以在AP发射机中使用所示结构，其中必须在较高的线压力(AP)下测量AP。这里，可以使用具有高灵敏度的双AP光学传感器。此外，通过全光传感器的使用，可以实现其中由于电干扰或安全考虑、常规配线不适合的温度测量应用。其它的传感器应用包括使用光学传感器来测量流速和材料组成。 

图19-38B示出工作在电磁谱微波部分(即，包括微波和太赫兹频率的电磁谱的亚光部分)的频率上的高Q谐振传感器的实施例。图19-21示出典型传感系统的方框图，图22A-38B示出可与微波或激励 一起使用的高Q电介质谐振传感器的实施例。 

图19示出传感系统，其包括能量源700、振荡器702、高Q电介质谐振传感器704和输出传感器706。能量源700向振荡器702提供电能或电磁波能量。振荡器702的输出是电磁谱的微波部分中的高频电磁辐射。为简单描述，将图19-21所示实施例中使用的电磁波能量称作“微波”能量。 

通过微波耦合或传输线(例如同轴电缆或波导)，向高Q电介质谐振传感器704提供振荡器702的微波输出。如参考图22A-38B将详细描述的一样，电介质谐振传感器是具有内部空腔的电介质材料主体，内部空腔响应于压力、压差、温度、力等可测量参数，改变几何结构。空腔限定响应于可测量参数的改变而改变尺寸的间隙。间隙尺寸的改变引起传播过传感器704的电磁波能量(由振荡器702提供)的电场分量所遭遇的有效介电常数的改变。传播速度是有效介电常数的函数，从而谐振传感器704的谐振频率作为间隙尺寸(是可测量参数的函数)的函数而改变。 

图19所示实施例的输出传感器706与电介质谐振传感器704耦合，以接收来自传感器704的微波能量。因为在频率范围上扫描从振荡器702提供的微波能量的频率，输出传感器706检测何时输入微波能量处于电介质谐振传感器704的谐振频率。图19所示实施例的输出传感器706以反馈环形式，与振荡器702的频率扫描控制相连，从而将振荡器702的输出频率调整到传感器704的谐振频率。由输出传感器706感应到的振荡器702的输出频率代表所测量的参数。 

图20示出实施例，其中以自谐振配置，排列振荡器702和高Q电介质谐振传感器704。从源700来的DC能量向振荡器702供能，振荡器702通过双向连接707，提供微波能量，以激励谐振传感器704。传感器704中的阻抗改变将振荡器702锁定到传感器704的谐振频率上。振荡器702的振荡器频率是传感器704的谐振频率的函数，并由计数器708对其计数，以提供对可测量参数的测量。 

图21示出包括能量源(或泵浦)700、微波激射器710、高Q电介质谐振传感器704和测量装置712的实施例。能量源700是以泵浦 频率f₁，提供能量的微波振荡器。在本实施例中，传感器704在微波激射器710的空腔之内，或位于空腔外部，并具有谐振频率f₂，谐振频率f₂是待测量参数的函数。当受到谐振传感器704影响时，测量装置712接收来自微波激射器710的输出波束。测量装置712可以是检测微波激射器波束的频率的频谱仪，或者可以对微波激射器脉冲计数。波束频率和波束脉冲的重复率都是高Q电介质谐振传感器704的谐振频率的函数。因为空腔几何结构(即，间隙尺寸)和传感器704的有效介电常数作为参数的函数而变化，所以由测量装置712接收的微波激射器波束的频率和重复率都作为可测量参数的函数而变化。 

本发明可用的微波激射器波束的一个示例是蓝宝石(红宝石)谐振器，当用66.4GHz的泵浦源激励该谐振器时，可以使其在大约32GHz上激射微波。这允许测量装置712将对来自微波激射器710和谐振器704的32GHz信号敏感的输入参数，与源700产生的泵浦频率容易地区别开来。在J.S.Shell等的T.M.O.Progressive Report 42-142(2002年8月15日，页17)中示出了平面蓝宝石耦合腔微波激射器的描述。Shell等的文章描述了连续模式微波激射器。虽然图21示出与微波激射器710一起使用的单个谐振传感器704，但是还可以使用多个谐振传感器，将所述多个谐振传感器构造为被调谐至靠近32GHz的、略微不同的谐振频率。 

图22A-38B示出响应于压力(或待感应的另一参数)、并工作在微波频率上的电磁谐振传感器的多种实施例。电磁谐振传感器是具有响应于被感应的参数而变化的空腔间隙的电介质结构。电介质材料可以是单晶材料，例如蓝宝石、电介质陶瓷、玻璃或石英。在以下论述中，将使用蓝宝石作为形成电磁谐振传感器的主体的电介质材料。传感器的谐振频率是在传感器的电介质主体和空腔间隙中存储的电场能量与存储的磁场能量之比的平方根的函数。当空腔间隙作为参数的函数而改变时，传感器的有效介电常数改变。这引起存储的电场能量改变，从而引起谐振频率的改变。 

典型地，将谐振传感器悬在真空或填充了油等液体或气体的金属空腔中。因此与自由空间(或气体或油填充)相比，蓝宝石(或其它 电介质材料)的介电常数较大，所以微波谐振模式将存在于电介质结构之内，而几乎与周围的空腔无关。将所选谐振模式中的电磁能限制在内部高电介质结构中，作为电介质主体和空腔间隙内的电磁驻波。可以向该结构馈送微波能量，并可以检测谐振处的阻抗改变，或者可以使该系统为自谐振。因为蓝宝石在微波频率上的低电介质损耗，所以谐振传感器的Q可以非常高。在室温下，大于100,000的Q因子，以及在低温下，大于1,000,000的Q因子是典型的。谐振传感器的尺寸典型地在毫米到厘米的范围中，以与微波波长兼容。可以使用谐振传感器尺寸的微小改变，以在较小的频率范围上调谐谐振传感器。因为高Q，所以谐振传感器具有优良的短期稳定性。因为频率只依赖于尺寸的稳定性和谐振传感器主体电介质的介电常数，所以长期稳定性是优良的。 

图22A和22B示出工作在微波频率上的电磁谐振传感器800。传感器800是具有内部环形空腔或腔室804的环形或螺线管(toroidal)形状的电介质主体802。主体802的面806和808响应于待测量参数，例如通过围绕传感器800的油填充介质而施加的压力。压力引起主体802的壁向内偏斜，从而引起间隙810的改变，间隙810由空腔804的内表面804A和804B之间的距离限定。 

使传感器800工作在回音廊模式，从而与高Q一起提供高量规因数。因为内部电磁辐射在电介质主体802与周围介质之间的界面处被全反射的模式是可用的，所以这种结构在室温下提供高Q。这种模式与声学回音廊相似，在声学回音廊中，声音环绕圆形腔室的外围，以非常低的损耗传输。 

用可变间隙810(具有比电介质主体802更低的介电常数)中断主体802内的电磁驻波的电场分量，从而可以实现相对高的量规因数。可以使用油填充介质来向面806和808传送压力，以改变空腔804的几何结构，特别是改变压力敏感间隙的厚度。因为油的介电常数显著低于主体802的介电常数，所以可以保持与油的电介质属性相对独立的高Q谐振。通过简单地向周围的油介质引入微波能量，或通过将微波能量耦合进入电介质802上的小孔或凸出等不连续处，可以将微波 能量耦合到传感器800。此外，通过将同轴电缆的中心导体靠近或接触主体802而放置，可以将微波能量传送给电介质主体802。 

图22A示出传感器800工作在第四阶模式，电磁驻波具有四个磁场环812和四个电场环814。因为电场环814通过空腔804的间隙810，所以图22A所示的模式具有最大压力灵敏度。如果将电场环814和磁场环812转置，则频率具有最小压力灵敏度，可以将传感器800用于温度传感的目的。在这种情况下，谐振频率将依赖于蓝宝石的介电常数，该介电常数是温度相关的。 

图22A所示环的数量是示例。可以设置具有其它环数的谐振模式。高阶模式通常具有更高Q和更高的谐振频率。 

电磁谐振模式基于分布效应，而不是集总效应，该结构复杂。难以获得精确的解决方案，但是可以使用粗略的集总常数，进行近似。电磁驻波图样由联锁环磁场和电场构成。在图22A-22B所示的环形谐振器结构中，图样是具有代表电场和磁场的交替水平和垂直链接的圆形环链接链。通过用可变间隙810中断电场环，可测量参数的改变有效地改变LC谐振器的电容。因为F＝K/SqrtLC，所以谐振频率将改变。在常规电容传感器中，因为传导盘(conducting plate)不支持内部电容，所以所有电容将局限于间隙。另一方面，在图22A-22B所示的结构中，还在蓝宝石内的电场中存储了能量，从而固定了总的集总电容的重要部分，并将减小量规因数。谐振器的提高的稳定性和信噪比将对其进行补偿。粗略地： 

$C_t\≅\frac{C_s+C_g}{C_s{C}_g}$ 其中 $C_s\∝\frac{{\∈}_s{A}_s}{L_s}$ 并且 $C_g\∝\frac{{\∈}_0{A}_g}{X_g}$

其中C_s是蓝宝石引起的电容，∈_s是蓝宝石的介电常数，A_s是蓝宝石中电场的有效面积，L_s是蓝宝石中电场的有效长度，C_g是间隙810引起的电容，∈₀是真空介电常数，A_g是间隙810的有效面积，X_g是间隙810的尺寸。 

可选方法是检查驻波电磁场的有效波长。一般而言，最小尺寸将确定有效波长。如果在高电介质材料中的电场环中插入空气(或真空)间隙，将以等于电介质材料与间隙的介电常数之比的比率，有效地增 加波长。 

在图22A-22C所示的实施例中，根据环厚度T_s、压力敏感间隙X₀ 和间隙的最大偏斜或改变ΔX，可以计算近似的工作频率和量规因数。当ΔX是0.5mil，X₀是1mil，∈_s是10，T_s是50mil时，近似的工作频率是40GHz。 

$f\≅\frac{c}{\mathrm{\λ}\sqrt{{\∈}_s}}\≅40\mathrm{GHz}$ 其中 $\mathrm{\λ}\≅{2T}_s\≅.25\mathrm{cm}\≅.0025m$

近似的量规因数GF是0.1。 

$\mathrm{GF}\≅\frac{1}{2}\frac{{\mathrm{\ΔX}}_s}{T_s}\frac{{\∈}_s}{{\∈}_0}\≅\frac{1}{2}\frac{\mathrm{\ΔX}}{X_0}\frac{{\∈}_s}{{\∈}_0}\frac{X_0}{T_s}\≅\frac{1}{2}\frac{10}{1}\frac{1}{50}\≅0.1$

对于给定尺寸的传感器，可能希望降低谐振频率，以降低功率，并提高传感器与半导体电路的兼容性。实现降低的谐振频率的一种方法是使用集总LC电路与波导中间的传感器设计。图23A和23B示出具有这种配置的传感器820。 

传感器820是具有内部空腔820的圆柱电介质主体822，内部空腔820划分为两个区：中心区826和周围区828。中心区826更薄，并提供在内表面826A与826B之间的压力响应可变间隙。 

图23A和23B示出磁场环830。图23B示出电场环832。如图23A和23B中所示，在区826中，电场占优势，并代表随可变间隙X改变而变化的电容，可变间隙X响应于压力而改变。在区828中，磁场占优势，并代表电感。本质上，传感器820是与电容耦合的单匝螺线管电感器。 

图24A和24B示出根据本发明的电介质谐振传感器的另一实施例。传感器840大体上是电介质材料842矩形块，具有大体上正方形的前和后面844和846，以及具有由内表面848A和848B限定的可变间隙X的圆柱形内部空腔848。主体842的厚度近似是谐振频率传感器840的半波长。图24A和24B示出传感器840工作在最低谐振频率模式，带有单个磁场环850和单个电场环852。 

图25A和25B示出传感器840以更高的Q和更高的谐振频率、工作在更高的谐振模式。在本实施例中，用由磁场环850和电场环852 的链接链构成的驻波，以有效直径D，按照回音廊模式建立谐振。由如下关系给定波长λ： 

$\frac{\mathrm{\λ}}{2}\≅\frac{\mathrm{\πD}}{4}$

使用本发明的其它谐振器形式具有谐振传输线或谐振天线配置。图26A和26B示出传感器840的谐振天线实施例，其中向内部空腔848的一侧上添加了传导薄膜854，以降低传感器840的工作频率。谐振频率的半波长近似等于传导薄膜854的半径。示出了电磁驻波的磁场环850和电场环852。传感器840用作谐振圆形天线。 

图27A和27B示出谐振传输线传感器900，包括具有空腔904的电介质主体902和位于空腔904之内的传输线906。导体908和910形成传输线906，在空腔904的相对壁904A和904B上彼此相对地定位导体908和910。 

在图27A和27B所示的实施例中，传输线906是带状(strip)双重传输线。沿传输线906下行传播的速度将依赖于电磁场中存储的能量，该能量是空腔904的表面904A和904B之间的间隙间距的函数。如果以开路或短路的方式端接传输线906，将会有相关联的谐振，该谐振也随着空腔904的间隙X改变而变化。可以感应这种谐振，以指示向传感器主体902的外表面912和914施加的压力。 

对于给定的传感器尺寸，谐振传输线传感器900的谐振频率低于图22A-25B所示的谐振传感器(即，具有无电极的谐振空腔)的工作频率。更低的功率频率具有的优点在于与固态电子器件的更强兼容性。相反，对于给定的工作频率，传感器可以更小，因此成本更低。 

其它配置是可能的。导体908-910都可以位于空腔904的相同侧。传输线906可以来回地折叠，以进一步降低工作频率。可以将导体908和910在物理上分离，并在使其通过馈通之前，将其电容性地耦合，从而主要地确定空腔904之内的谐振。可以使用外部耦合电极来感应谐振。在另一实施例中，可以使用单个导体和外部地来形成同轴型谐振器。 

传感器900的谐振频率由传输线906上的传播速度和其长度确 定， $f=\frac{V}{\mathrm{\λ}}=\frac{V}{2L},$ 其中V是传播速度，λ是驻波的波长，模式是两端短路或开路的谐振半波长传输线。这种结构中的传播速度是电磁波能量通过其传播的平均或有效介电常数的函数。配置传感器900，从而限制驻波，以在间隙中存储其总能量的绝大部分。将剩余的能量存储在蓝宝石中，蓝宝石具有的介电常数是间隙中的介电常数的大约10倍。在这些情况下， $V=\frac{1}{\sqrt{{\mathrm{\μ}}_0\stackrel{-}{\∈}}}=c\sqrt{\frac{{\∈}_0}{\stackrel{-}{\∈}}},$ 其中，c是光速，∈₀是真空介电常数， 

是向其暴露电磁波的能量平均介电常数。因此，传播速度将从间隙完全闭合时的约c/3变化为间隙非常大时趋近于c的值。因为谐振频率直接与速度相关，所以它也将以3∶1的比率改变。对于实际的设计，改变将小于上述数值，但是0.1到0.5的量规因数可能是合理的。 

因为Q(或质量因子)确定谐振的锐度，从而确定可以如何精确地确定谐振频率，所以它是谐振电路中的重要因素。对于实际器件，Q应该远大于1。Q是系统中能量损耗的逆量度。大多数损耗将发生在形成导体的金属薄膜的电阻中。蓝宝石和间隙电介质中的损耗将比较低，屏蔽可以防止由辐射引起的能量损耗。几何结构将确定Q与薄膜电阻率之间的关系。 

图28A和28B示出本发明另一实施例-谐振传输线传感器920。电介质主体922具有内部空腔924，内部空腔924具有内表面924A与924B之间的压力响应可变间隙X。隙缝天线926位于空腔924之内。形成隙缝天线926的主要传导线928的宽度是W，两个主要传导线之间的间距是S。 

当传导线928之间的距离大约等于蓝宝石的相对介电常数与空腔间隙X之积时，传感器920将具有与合理的Q相组合的合理的量规因数。可以改变线928的宽度，以优化与量规因数相对的Q。当其非常宽时，该结构更类似于谐振隙缝，而不是传输线，但是工作原理是非常相似的。在两种情况下，电荷在两线928的彼此面对的中间部分之间来回谐振。通过围绕连接线928的闭合端930的电流，电荷进行谐 振。可以如下估计Q： $Q=\frac{T}{{2\mathrm{\πR}}_e{C}_e}\≅\frac{8T}{{\mathrm{\πR}}_t{C}_t}$ 其中T是振荡周期，R_e是对传输线926的有效电容C_e充电的有效电阻。R和C是分布式的，充电电压和电流呈正弦分布。因为，有效值R_e和C_e小于总值R_t和C_t。因为对于任何给定的线长度L，T相对恒定，所以最大化Q就是要找到具有与较小的C相组合的较小的R的结构。这种结构的边缘对边缘的取向给出了结合低电阻的较小电容。因为可以将线做得较宽，而不会显著地增大电容，所以允许相对低的电阻。使用这种结构的传感器920的值的一个示例如下： 

空腔间隙X＝6微米 

线间距S＝50微米 

线宽度W＝200微米 

线长度L＝.25cm 

电阻率R_s＝.5欧姆/square 

V＝c/sqrt9＝c/3＝10¹⁰cm/sec 

f＝V/2L＝10^-10cm/sec/2*.25cm＝20GHz 

T＝.5×10^-10sec 

R_t＝#square×R_s＝28square×.5欧姆/square＝14欧姆 

C_t＝2pf/cm×.25cm＝5pf 

可以通过增加薄膜厚度，获得更高的Q，或者可以使用其它偶极和隙缝天线结构。 

图29A和29B示出具有电介质主体942、内部空腔944和同轴传输线946的传感器940。传感器940提供具有传输线946的简单结构，可以将传输线964看作具有开路端接的同轴传输线，或偶极天线。长度和速度确定谐振频率。电磁波沿传输线946的速度将依赖于空腔944的表面944A与944B之间的间隙尺寸X。图29A与29B中所示的结构只有阻止电流流动的几个square的薄层电阻，因此具有更高的Q。此外，图29A与29B中所示的结构趋于在每单位长度上具有更低的电容， 这也有助于提高Q。 

在图29A和29B所示的实施例中，传感器940的电容灵敏度在主体942的端附近是最大的。因此，应该如图29A所示地定向天线946。 

还可以将隙缝型天线与本发明结合使用。图30A和30B、31A和31B、32A和32B、33A和33B、34A和34B以及35A和35B中示出了具有不同隙缝型天线的谐振传感器950的示例。在这些图中，谐振传感器950具有电介质主体952，具有限定可变间隙X的内表面954A和954B的空腔954，以及表面954B上的导体956。在图30A-35A的每一幅图中，导体956包含不同配置的隙缝天线。在图30A中，隙缝天线958的长度和电磁波能量的速度(是间隙尺寸X的函数)将确定谐振频率。因为电流必须无阻挡地围绕隙缝的末端流过，所以为最大化Q，隙缝型天线必须相对较短。这对应地产生更高的谐振频率。 

在图31A中，示出单个垂直取向的隙缝960。频率确定长度是隙缝960的垂直长度。 

在图32A中，由一对圆形切口964和966围绕的隙缝962形成隙缝天线。切口964和966通过减小敏感中心区域附近的电容，增强Q。 

图33A示出由五个平行隙缝968形成的隙缝天线。如果这种结构在相邻隙缝上以交替极性振荡，则能够具有非常高的Q。电流应该沿隙缝之间的水平方向，以最小化损耗。 

图34A和35A示出其他实施例，其中将隙缝“加宽”，以形成端口型天线(port type antenna)。图34A示出圆形端口970，图35A示出椭圆形端口972。 

在图30A-35B所示的实施例的变体中，可以在导体中形成多个天线(隙缝或圆形端口天线)，从而产生多种谐振频率。在一个传感器中使用不同天线和不同长度能够提供参考或温度信号，以及代表感兴趣的参数的信号。 

图36A和36B，以及图37A和37B示出以偶极天线为特征的传感器950的两个其它实施例。图36A中示出圆形导体980，图37A中示出椭圆形导体982。如图36A和37A所示，频率确定长度沿水平方向。 

图38A和38B示出具有谐振天线的传感器的另一实施例。传感器 990具有电介质主体992，电介质主体992具有正方形的前和后表面994和996，以及限定内表面998A与998B之间的可变间隙X的正方形内部空腔998。在空腔998的壁998B上形成导体1000，导体1000具有形成端口天线的椭圆形开口1002。 

如图19-38B所示，只要参数引起谐振传感器的空腔间隙改变，就可以使用以微波振荡器工作的谐振传感器来感应多种参数。一般而言，工作在微波频率的器件的尺寸将粗略地等于电磁驻波波长的一半。如果将谐振传感器做得较小，以减少成本，它将倾向于具有太高而无法用低成本的半导体频率锥进(coning)技术直接测量的谐振频率。例如，1GHz工作要求7.5cm的传感器尺寸。 

这种问题的一个解决方案是以锁模配置来操作微波振荡器，其中对输出基频进行调幅(AM)，从而更低频率的AM输出信号直接与基频成比例。那么，多种检测技术可用来将AM信号的能量波动转换为可以计数的电子信号。例如，高频二极管可以对该信号进行整流。 

图39示出本发明的实施例，该实施例以锁模配置操作高频微波谐振传感器。传感系统1050包括能量源1052、传感器结构1054、锁模耦合系统1056和AM频率输出设备1058。 

传感器结构1054包括响应于压力等共同感应参数的多个谐振器。在该特定实施例中，传感器结构1054包括分别工作在基频10GHz和10.1GHz的谐振器A和谐振器B。每个谐振器包括GHz振荡器，例如与图22A-38B所示的传感器等微波谐振传感器耦合的耿氏效应(Gunn)二极管振荡器。能量源1052向每个振荡器提供能量，使其以不同基频振荡，在这种情况下，基频为10GHz和10.1GHz。 

锁模耦合系统1056将谐振器A和B的输出相组合，产生一体化锁模AM输出。输出检测器1058感应耦合系统1056的输出。 

采用图39所示的系统，因为待检测的输出频率(100MHz)是以因子100低于每个谐振器工作的基频(～10GHz)，以因子100减小了每个谐振传感器的尺寸。这允许大约7.5mm的谐振器尺寸，从而可以相对便宜地制造该谐振器。 

R.A.York和R.C.Compton所著的“Mode-Locked Oscillator Arrays”，IEEE Microwave and Guided Wave Letters，Vol.1，No.8，1991年8月，215-218页，描述了锁模配置的多个振荡器的操作。 

虽然图39示出使用两个锁模配置谐振器的实施例，但是附加的谐振器可以包括在传感器结构中，这些谐振器全部具有如下频率：是被感应参数的函数，以被感应参数的给定值在频域中等间距相隔。此外，虽然耿氏效应二极管振荡器是用于图39所示实施例中的振荡器的一种理想形式，但是还可以使用其它形式的振荡器。例如，还可以使用微波激射器振荡器，其中泵浦源工作在所需的泵浦频率，该泵浦频率不同于谐振器的基频，或不同于传感器振荡器之间的差频。 

在不背离所公开的实施例的合理范围和精神的前提下，可以对其进行多种其它的改变和修改。以上论述了一些改变的范围。其它的范围将从所附权利要求中明显可见。 

Claims (15)

1.一种电磁谐振传感器，包括：

电介质传感器主体；

传感器主体内的空腔，具有位于传感器主体的内表面之间的可变间隙，所述可变间隙作为可测量参数的函数而变化，将空腔定位在传感器主体之内，从而在主体和可变间隙之内形成电磁驻波，传感器的谐振频率是可测量参数的函数；以及

在限定所述空腔的电介质主体的至少一个内壁上的导电层；

其中所述传感器主体、所述导电层和所述空腔配置为以作为可测量参数的函数的微波频率或太赫兹频率进行谐振。

2.根据权利要求1所述的电磁谐振传感器，其中电磁谐振传感器在微波或太赫兹电磁能量源的内部。

3.根据权利要求1所述的电磁谐振传感器，其中电磁谐振传感器在微波或太赫兹电磁能量源的外部。

4.根据权利要求1所述的电磁谐振传感器，其中所述空腔和所述导电层形成谐振天线。

5.根据权利要求1所述的电磁谐振传感器，其中所述空腔和所述导电层形成谐振传输线。

6.根据权利要求1所述的电磁谐振传感器，其中所述可测量参数是从包括压力、温度、流速、材料组成和应力的组中选择的。

7.根据权利要求1所述的电磁谐振传感器，还包括测量装置，用于测量信号频率。

8.根据权利要求1所述的电磁谐振传感器，其中导电层具有圆形形状，以使传感器谐振。

9.根据权利要求1所述的电磁谐振传感器，其中导电层具有矩形形状，以使传感器作为传输线谐振。

10.根据权利要求1所述的电磁谐振传感器，其中导电层包括一个或多个隙缝，以使传感器作为隙缝天线谐振。

11.根据权利要求1所述的电磁谐振传感器，其中导电层被定形为使传感器作为偶极天线谐振。

12.根据权利要求1所述的电磁谐振传感器，其中导电层包括至少一个开口，以使传感器作为端口天线谐振。

13.根据权利要求1所述的电磁谐振传感器，其中间隙尺寸的改变引起谐振频率的改变。

14.根据权利要求1所述的电磁谐振传感器，还包括：

微波或太赫兹电磁能量源，

其中所述谐振器在源的内部，形成源的空腔。

15.根据权利要求1所述的电磁谐振传感器，其中所述微波或太赫兹电磁能的特征响应于可变间隙的变化而改变，以及所述微波或太赫兹电磁能是脉冲能量，特征是重复率。

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