一種基于絕緣體上硅光波導(dǎo)的表面等離子體共振傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于絕緣體上硅光波導(dǎo)的表面等離子體共振傳感器，包括微傳感芯片，以及與微傳感芯片兩端分別連接的輸入光纖和輸出光纖；所述微傳感芯片包括依次連接的輸入耦合限位槽、輸入波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器、脊形波導(dǎo)、輸出波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器、輸出耦合限位槽，設(shè)置于波導(dǎo)彎折處并填充低折射率材料的彎折波導(dǎo)介質(zhì)槽，設(shè)置于脊形波導(dǎo)中部彎折部處的待測物質(zhì)填充區(qū)，以及敏感材料層和金屬材料層。本發(fā)明構(gòu)思巧妙，利用光波導(dǎo)彎折處的表面等離子共振激發(fā)原理，通過折射率的改變，使輸出端能夠檢測到的輸出光能驟減，在波長掃描情況下準確地測量氣體/液體的相關(guān)參數(shù)，而且全部基于光學(xué)原理測量，抗外界干擾的能力強。
【專利說明】
一種基于絕緣體上硅光波導(dǎo)的表面等離子體共振傳感器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及微傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體地講，是涉及一種基于絕緣體上硅光波導(dǎo)的表面等離子體共振傳感器，可用于氣體或液體的相關(guān)參數(shù)測量。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，商用的氣體傳感器大多是半導(dǎo)體傳感器或者電化學(xué)傳感器，輸出信號一般為電信號，尺寸一般為厘米級以上。由于輸出的是電壓或電流信號，往往受外界干擾大，導(dǎo)致傳感器誤差大、測量精度不高，因此在實際應(yīng)用中還需要配套電路，例如I/V轉(zhuǎn)換、前置放大電路等。半導(dǎo)體氣體傳感器在測量之前往往還需要長時間的預(yù)熱，才能保證較高的測量精度，而且響應(yīng)速度較慢。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種尺寸小、精度高、抗干擾性強和可遠程測量的基于絕緣體上硅光波導(dǎo)的表面等離子體共振傳感器。
[0004]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
一種基于絕緣體上硅光波導(dǎo)的表面等離子體共振傳感器，包括微傳感芯片，以及與微傳感芯片兩端分別連接的輸入光纖和輸出光纖;所述微傳感芯片包括用于安裝輸入光纖的輸入耦合限位槽，與輸入光纖端部匹配的輸入波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器，用于安裝輸出光纖的輸出親合限位槽，與輸出光纖端部匹配的輸出波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器，兩端分別彎折地與輸入波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器、輸出波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器連接的且其中部存在彎折部的脊形波導(dǎo)，設(shè)置于脊形波導(dǎo)與輸入波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器、輸出波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器連接的彎折處的并填充低折射率材料的彎折波導(dǎo)介質(zhì)槽，設(shè)置于脊形波導(dǎo)中部彎折部處的待測物質(zhì)填充區(qū)，以及依次層疊地設(shè)置于待測物質(zhì)填充區(qū)朝向脊形波導(dǎo)方向表面的敏感材料層和金屬材料層，其中，所述待測物質(zhì)填充區(qū)位于微傳感芯片邊緣。優(yōu)選地，輸入光纖和輸出光纖均采用通信光纖。
[0005]具體地，所述輸入波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器、脊形波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器均為由絕緣體上硅材料制成的光波導(dǎo)。
[0006]進一步地，所述光波導(dǎo)的截面結(jié)構(gòu)為由下至上依次層疊的基底層、絕緣層、波導(dǎo)器件層和覆蓋層，其中，所述波導(dǎo)器件層中心處朝向覆蓋層方向存在突起的脊，所述覆蓋層的對應(yīng)部位相應(yīng)凹陷;所述輸入光纖和輸出光纖的中心對應(yīng)該脊位置。所述覆蓋層材料為SU-8或二氧化硅等低折射率材料，所述波導(dǎo)器件層材料為硅，所述絕緣層材料為二氧化硅，所述基底層材料為硅。
[0007]進一步地，所述輸入耦合限位槽和輸出耦合限位槽是在微傳感芯片兩端位置通過刻蝕覆蓋層、波導(dǎo)器件層、絕緣層和基底層制作而成，用于限制輸入輸出光線與波導(dǎo)中心的位置關(guān)系，實現(xiàn)波導(dǎo)與光纖的端面對接耦合。
[0008]進一步地，所述輸入波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器和輸出波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器均為錐形，構(gòu)成錐形波導(dǎo)，自與脊形波導(dǎo)的連接處向與輸入光線和輸出光線的連接處由小變大，用以將光纖端面耦合輸入的波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換成微傳感芯片內(nèi)部可用的單模傳輸波導(dǎo)模式。
[0009]為了提高測量精度，所述脊形波導(dǎo)中的彎折部利用彎折次數(shù)至少兩次接觸所述待測物質(zhì)填充區(qū)上設(shè)置的敏感材料層和金屬材料層，并在遠離待測物質(zhì)填充區(qū)的彎折處也設(shè)置有填充低折射率材料的彎折波導(dǎo)介質(zhì)槽。
[0010]更進一步地，所述彎折波導(dǎo)介質(zhì)槽內(nèi)填充的低折射率材料與所述光波導(dǎo)的覆蓋層材料相同，該填充的低折射率材料與光波導(dǎo)的波導(dǎo)器件層材料的界面上形成疏密相對的反射鏡面。
[0011]具體地，所述彎折波導(dǎo)介質(zhì)槽由覆蓋層起，向下刻蝕穿透覆蓋層和波導(dǎo)器件層至絕緣層表面止。
[0012]并且，所述金屬材料層厚度為納米量級，受光激發(fā)后產(chǎn)生等離子共振。
[0013]為了便于測量，所述敏感材料層的折射率隨待測物質(zhì)填充區(qū)的填充物變化而改變。
[0014]而且，所述待測物質(zhì)填充區(qū)由覆蓋層起，向下刻蝕穿透覆蓋層和波導(dǎo)器件層至絕緣層表面止。
[0015]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
(I)本發(fā)明構(gòu)思巧妙，利用光波導(dǎo)彎折處的表面等離子共振激發(fā)原理，通過折射率的改變，使輸出端能夠檢測到的輸出光能驟減，在波長掃描情況下準確地測量氣體/液體的相關(guān)參數(shù)，而且全部基于光學(xué)原理測量，抗外界干擾(如機械振動、電磁干擾等)的能力強，并且尺寸小，僅有數(shù)百微米大小，同時由于采用單模光纖通訊，可實現(xiàn)遠程測量，可用于狹小的密閉容器或空間中氣體/液體的測量，也可用于一些危險場所的測量，具有廣泛的應(yīng)用前景，適合推廣應(yīng)用。
[0016](2)本發(fā)明中光波導(dǎo)在待測物質(zhì)填充區(qū)采用結(jié)構(gòu)相同的兩次彎折，依次激發(fā)等離子共振，進一步減少了輸出端能夠檢測的能量，使得波長掃描情況下的消失峰更加尖銳，從而使傳感器擁有更高的靈敏度。
【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明的外部結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖2為本發(fā)明中微傳感芯片的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖3為本發(fā)明中光波導(dǎo)的截面示意圖。
[0020]圖4為本發(fā)明中利用介質(zhì)槽實現(xiàn)彎折波導(dǎo)的示意圖。
[0021 ]圖5為本發(fā)明中微傳感芯片的軸測圖。
[0022]圖6為本發(fā)明中波導(dǎo)彎折處激發(fā)表面等離子共振的原理示意圖。
【具體實施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明，本發(fā)明的實施方式包括但不限于下列實施例。
實施例
[0024]如圖1至圖6所示，該基于絕緣體上硅光波導(dǎo)的表面等離子體共振傳感器，包括微傳感芯片1，以及與微傳感芯片兩端分別連接的輸入光纖2和輸出光纖3;所述微傳感芯片是在絕緣體上硅材料上通過微納米加工技術(shù)與工藝制作而成，主要包括用于安裝輸入光纖的輸入親合限位槽101，與輸入光纖端部匹配的輸入波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器102，用于安裝輸出光纖的輸出親合限位槽1 9，與輸出光纖端部匹配的輸出波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器1 8，兩端分別彎折地與輸入波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器、輸出波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器連接的且其中部存在彎折部的脊形波導(dǎo)103，設(shè)置于脊形波導(dǎo)與輸入波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器、輸出波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器連接的彎折處的并填充低折射率材料的彎折波導(dǎo)介質(zhì)槽104，設(shè)置于脊形波導(dǎo)中部彎折部處的待測物質(zhì)填充區(qū)107，以及依次層疊地設(shè)置于待測物質(zhì)填充區(qū)朝向脊形波導(dǎo)方向表面的敏感材料層106和金屬材料層105，其中，所述待測物質(zhì)填充區(qū)位于微傳感芯片邊緣。優(yōu)選地，輸入光纖和輸出光纖均采用通信光纖。
[0025]具體地，所述輸入波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器、脊形波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器均為由絕緣體上硅材料制成的光波導(dǎo)。進一步地，所述光波導(dǎo)的截面結(jié)構(gòu)為由下至上依次層疊的基底層111、絕緣層112、波導(dǎo)器件層113和覆蓋層114，其中，所述波導(dǎo)器件層中心處朝向覆蓋層方向存在突起的脊115，所述覆蓋層的對應(yīng)部位相應(yīng)凹陷;所述輸入光纖和輸出光纖的中心對應(yīng)該脊位置。所述覆蓋層材料為SU-8或二氧化硅等低折射率材料，所述波導(dǎo)器件層材料為硅，所述絕緣層材料為二氧化硅，所述基底層材料為硅。進一步地，所述輸入耦合限位槽和輸出耦合限位槽是在微傳感芯片兩端位置通過刻蝕覆蓋層、波導(dǎo)器件層、絕緣層和基底層制作而成，用于限制輸入輸出光線與波導(dǎo)中心的位置關(guān)系，實現(xiàn)波導(dǎo)與光纖的端面對接鋰A
柄口 O
[0026]進一步地，所述輸入波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器和輸出波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器均為錐形，構(gòu)成錐形波導(dǎo)，自與脊形波導(dǎo)的連接處向與輸入光線和輸出光線的連接處由小變大，用以將光纖端面耦合輸入的波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換成微傳感芯片內(nèi)部可用的單模傳輸波導(dǎo)模式。
[0027]為了提高測量精度，所述脊形波導(dǎo)中的彎折部利用彎折次數(shù)至少兩次接觸所述待測物質(zhì)填充區(qū)上設(shè)置的敏感材料層和金屬材料層，并在遠離待測物質(zhì)填充區(qū)的彎折處也設(shè)置有填充低折射率材料的彎折波導(dǎo)介質(zhì)槽。
[0028]更進一步地，所述彎折波導(dǎo)介質(zhì)槽內(nèi)填充的低折射率材料與所述光波導(dǎo)的覆蓋層材料相同，該填充的低折射率材料與光波導(dǎo)的波導(dǎo)器件層材料的界面上形成疏密相對的反射鏡面。具體地，所述彎折波導(dǎo)介質(zhì)槽由覆蓋層起，向下刻蝕穿透覆蓋層和波導(dǎo)器件層至絕緣層表面止。為了保證波導(dǎo)傳輸模式的有大的反射效率，要求介質(zhì)槽的長度和寬度足夠。所述金屬材料層厚度為納米量級，受光激發(fā)后產(chǎn)生等離子共振。
[0029]為了便于測量，所述敏感材料層的折射率隨待測物質(zhì)填充區(qū)的填充物變化而改變。而且，所述待測物質(zhì)填充區(qū)由覆蓋層起，向下刻蝕穿透覆蓋層和波導(dǎo)器件層至絕緣層表面止。
[0030]本發(fā)明工作時，輸入光纖一端連接可調(diào)諧激光器，另一端通過微傳感芯片上的輸入耦合限位槽實現(xiàn)光纖-波導(dǎo)的端面對接耦合，使輸入模式轉(zhuǎn)換器中的波導(dǎo)模式被激發(fā)。在模式轉(zhuǎn)換器的作用下，波導(dǎo)模式向前傳輸?shù)郊剐尾▽?dǎo)中，經(jīng)歷第一個波導(dǎo)彎折處的彎折波導(dǎo)介質(zhì)槽使得傳輸方向被改變。傳輸?shù)叫酒吘壍膮?shù)敏感層時對待測物質(zhì)填充區(qū)內(nèi)的待測物質(zhì)參數(shù)進行敏感，使得輸出端的波導(dǎo)模式發(fā)生相應(yīng)的變化。接著，波導(dǎo)模式經(jīng)歷另一個彎折波導(dǎo)介質(zhì)槽，改變方向，使輸入光纖、輸出光纖、輸入波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器、輸出波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器在同一條直線上。然后，波導(dǎo)模式經(jīng)過輸出波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器在輸出耦合限位槽與輸出光纖進行端面對接耦合，從而光信息的輸出。由于輸入光纖、輸出光纖均采用通信光纖，本發(fā)明的傳感器可以實現(xiàn)遠程測量。
[0031]在可調(diào)諧激光器輸出不同波長進行波長掃描的情況下，傳感器表現(xiàn)出待測物質(zhì)參數(shù)與能量消失峰處波長的對應(yīng)關(guān)系。彎折端面上的表面等離子共振(SPR)激發(fā)原理如圖6所示，當波導(dǎo)中傳輸?shù)牟▽?dǎo)模式傳輸?shù)綇澱厶帲趶澱劢嵌圈?、波?dǎo)模式有效折射率、光波長、金屬材料層材料折射率以及敏感材料層材料折射率滿足一定的匹配條件下，將會產(chǎn)生沿著金屬材料層與敏感材料層的分界面向前傳輸?shù)谋砻娴入x子體激元共振波(SPW)，從而使得彎折波導(dǎo)輸出端的輸出光能量驟減。
[0032]利用本發(fā)明的結(jié)構(gòu)，脊形波導(dǎo)在待測物質(zhì)填充區(qū)的兩次彎折結(jié)構(gòu)參數(shù)完全相同。如果第一次彎折處激發(fā)了 SPR，使得大部分能量沿著金屬材料層與敏感材料層的分界面?zhèn)鬏斒辜剐尾▽?dǎo)中能夠傳輸?shù)降诙螐澱厶幍哪芰矿E減，再一次SPR被激發(fā)使得整個傳感器輸出端能夠檢測到的能量更少，這樣就可以是波長掃描情況下的消失峰更加尖銳，從而使傳感器擁有更高的靈敏度。
[0033]上述實施例僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，并非對本發(fā)明保護范圍的限制，但凡采用本發(fā)明的設(shè)計原理，以及在此基礎(chǔ)上進行非創(chuàng)造性勞動而作出的變化，均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種基于絕緣體上硅光波導(dǎo)的表面等離子體共振傳感器，其特征在于，包括微傳感芯片，以及與微傳感芯片兩端分別連接的輸入光纖和輸出光纖;所述微傳感芯片包括用于安裝輸入光纖的輸入耦合限位槽，與輸入光纖端部匹配的輸入波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器，用于安裝輸出光纖的輸出耦合限位槽，與輸出光纖端部匹配的輸出波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器，兩端分別彎折地與輸入波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器、輸出波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器連接的且其中部存在彎折部的脊形波導(dǎo)，設(shè)置于脊形波導(dǎo)與輸入波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器、輸出波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器連接的彎折處的并填充低折射率材料的彎折波導(dǎo)介質(zhì)槽，設(shè)置于脊形波導(dǎo)中部彎折部處的待測物質(zhì)填充區(qū)，以及依次層疊地設(shè)置于待測物質(zhì)填充區(qū)朝向脊形波導(dǎo)方向表面的敏感材料層和金屬材料層，其中，所述待測物質(zhì)填充區(qū)位于微傳感芯片邊緣。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于絕緣體上硅光波導(dǎo)的表面等離子體共振傳感器，其特征在于，所述輸入波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器、脊形波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器均為由絕緣體上硅材料制成的光波導(dǎo)。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于絕緣體上硅光波導(dǎo)的表面等離子體共振傳感器，其特征在于，所述光波導(dǎo)的截面結(jié)構(gòu)為由下至上依次層疊的基底層、絕緣層、波導(dǎo)器件層和覆蓋層，其中，所述波導(dǎo)器件層中心處朝向覆蓋層方向存在突起的脊，所述覆蓋層的對應(yīng)部位相應(yīng)凹陷;所述輸入光纖和輸出光纖的中心對應(yīng)該脊位置。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于絕緣體上硅光波導(dǎo)的表面等離子體共振傳感器，其特征在于，所述輸入波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器和輸出波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器均為錐形，自與脊形波導(dǎo)的連接處向與輸入光線和輸出光線的連接處由小變大。5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的一種基于絕緣體上硅光波導(dǎo)的表面等離子體共振傳感器，其特征在于，所述脊形波導(dǎo)中的彎折部利用彎折次數(shù)至少兩次接觸所述待測物質(zhì)填充區(qū)上設(shè)置的敏感材料層和金屬材料層，并在遠離待測物質(zhì)填充區(qū)的彎折處也設(shè)置有填充低折射率材料的彎折波導(dǎo)介質(zhì)槽。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于絕緣體上硅光波導(dǎo)的表面等離子體共振傳感器，其特征在于，所述彎折波導(dǎo)介質(zhì)槽內(nèi)填充的低折射率材料與所述光波導(dǎo)的覆蓋層材料相同，該填充的低折射率材料與光波導(dǎo)的波導(dǎo)器件層材料的界面上形成疏密相對的反射鏡面。7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于絕緣體上硅光波導(dǎo)的表面等離子體共振傳感器，其特征在于，所述彎折波導(dǎo)介質(zhì)槽由覆蓋層起，向下刻蝕穿透覆蓋層和波導(dǎo)器件層至絕緣層表面止。8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于絕緣體上硅光波導(dǎo)的表面等離子體共振傳感器，其特征在于，所述金屬材料層厚度為納米量級，受光激發(fā)后產(chǎn)生等離子共振。9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于絕緣體上硅光波導(dǎo)的表面等離子體共振傳感器，其特征在于，所述敏感材料層的折射率隨待測物質(zhì)填充區(qū)的填充物變化而改變。10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于絕緣體上硅光波導(dǎo)的表面等離子體共振傳感器，其特征在于，所述待測物質(zhì)填充區(qū)由覆蓋層起，向下刻蝕穿透覆蓋層和波導(dǎo)器件層至絕緣層表面止。
【文檔編號】G01N21/552GK105823759SQ201610424241
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年6月15日
【發(fā)明人】袁登鵬, 趙英, 趙一英, 張齊昊, 江婷, 付軍, 陳杰
【申請人】中國工程物理研究院材料研究所