基于外置液囊和固定波长的超高分辨温度传感器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种超高分辨率，纳米尺度的温度传感器，尤其涉及基于外置液囊和 单一波长激光探测的超高灵敏度温度传感器。
【背景技术】
[0002] 温度传感器是实际应用中最广泛的传感器之一，从我们生活中的寒暑表，体温计 到大型仪器以及集成电路上的温控设备，温度传感器无处不在。传统温度传感器如热电阻、 铂电阻，双金属开关等虽然有着各自的优点，但在微型和高精度产品中却不再适用。半导体 温度传感器灵敏度或分辨率高、体积小、功耗低、抗干扰能力强等优点使得其在半导体集成 电路中应用非常广泛。
[0003] 基于表面等离子激元的波导却能突破衍射极限的限制，实现纳米尺度的光信息处 理和传输。表面等离子激元是当电磁波入射到金属与介质分界面时，电磁波和金属表面的 自由电子親合形成的一种在金属表面传播的表面电磁波。根据表面等离子激元的性质，人 们已经提出了很多基于表面等离子体结构的器件，例如滤波器、环形器、逻辑门、光开关等。 这些器件在结构上都比较简单，非常便于光路集成。
[0004] 目前，根据表面等离子激元的性质人们提出的温度传感器的灵敏度只有70pm/°C 或-0.65nm/°C。虽然这些表面等离子激元的温度传感器体积很小，但是灵敏度或分辨率并 不尚。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种便于集成的MIM结构的超高分 辨率温度传感器。
[0006] 本发明的温度传感器通过下述技术方案予以实现。
[0007] 本发明的基于外置液囊和固定波长的超高分辨率温度传感器由一个外置液囊、金 属块、一个竖直波导、一个水平波导、两个金属膜和一个水平传播的信号光组成;所述信号 光采用固定波长;所述液囊和所述竖直波导连接，所述金属块设置竖直波导内，且可以移 动;所述竖直波导和水平波导连接。
[0008] 所述液囊内物质为高热膨胀系数的物质；
[0009] 所述高膨胀系数的物质为酒精或水银。
[0010] 所述液囊的形状为立方体、球形、椭球形或不规则形状。
[0011] 所述金属为金或银。
[0012] 所述金属为银。
[0013]所述水平波导和竖直波导为MIM结构的波导。
[0014]所述水平波导内的介质为空气。
[0015]所述信号光为单一波长激光，其波长为792nm的激光。
[0016] 所述可移动金属块固定位置为116nm。
[0017] 本发明与现有技术相比，有如下积极效果：
[0018] 1.结构紧凑，体积小，非常便于集成。
[0019] 2.分辨率高，温度平均分辨率平均达到0.99 X 10-9°C，最高分辨率为0.595 X 10一9 V。
【附图说明】
[0020] 图1是本发明超高分辨率温度传感器第一种实施例二维结构示意图。
[0021] 图中：外置液囊1金属块2竖直波导3金属膜4水平波导5金属膜6水平传播的 信号光200
[0022] 图2是本发明超高分辨率温度传感器第二种实施例二维结构示意图。
[0023] 图中：外置液囊1金属块2竖直波导3金属膜4水平波导5金属膜6水平传播的 信号光200
[0024] 图3是不同波长信号光的透射频谱图。
[0025] 图4是不同波长透射率的间隔的平均值。
[0026] 图5是透射率对应温度的导数曲线图。
【具体实施方式】
[0027] 下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细的阐述。
[0028]如图1所不，本发明高分辨率温度传感器由一个外置液囊1、金属块2、一个竖直波 导3、一个水平波导5、两个金属膜4、6(没有刻蚀的金属膜)和一水平传播的信号光200(波导 表面形成表面等离子激元)组成;信号光采用固定波长;液囊1和竖直波导3连接，液囊1为球 形，其半径R采用〇.1_，该液囊1内的物质为比热容较低，且为高热膨胀系数的物质;所述高 热膨胀系数的物质采用酒精或水银，最好采用酒精;金属采用金或银，最佳为银，金属膜厚 度（以下用hi表示)采用100nm以上取值范围，以100nm厚度为最佳;金属块2设置竖直波导3 内，且可以移动，移动金属块2长度m采用80nm-150nm取值范围，以125nm长度为最佳，可移动 金属块2距离水平波导5的距离s采用0nm-200nm距离范围，且由金属块2的位置确定，该金属 块2为金或银，最佳为银;竖直波导3和水平波导5连接;竖直波导3和水平波导5为MM结构的 波导，即MIM波导为金属-绝缘体-金属结构，绝缘体采用不导电透明物质；不导电透明物质 为空气、二氧化硅或硅；竖直波导3位于水平波导5的上端；竖直波导3的宽度b采用30nm-60nm取值范围，以35nm宽度为最佳，竖直波导3的长度Μ采用200nm以上，以300nm长度为最 佳;竖直波导3的左边缘到金属膜6左边缘的距离a采用350nm-450nm取值范围，以400nm为最 佳。水平波导5宽度d采用30nm-100nm取值范围，以50nm宽度为最佳，水平波导5内的介质为 空气；水平波导5的下边缘距离金属膜6的边缘的距离c采用大于150nm的取值范围；信号光 波长为792nm的激光。
[0029]本发明通过温度的变化来改变酒精的体积，使其膨胀推动可移动金属块3向水平 波导5移动来改变竖直波导4内空气段的长度，可移动金属块3向下移动使得其到水平波导5 距离发生变化，信号光的透过率也就随之发生变化；由于可移动金属块3往下移动受温度的 控制，所以温度的变化影响信号光的透射率的变化，根据透射率的变化即可探测温度信息 的变化;透射率的特征可以与温度一一对应，即从透射率的特征即可知道温度的变化。当温 度又降回初始温度时，在外界大气压的作用下，金属块3又会回到初始压力平衡的位置，方 便下一次探测。
[0030]本发明酒精体积膨胀系数为aethancil = l. 1 X 1(T3/°C，在室温（20°C)时密度为P < 0.789g/cm3。金属块的线膨胀系数为aAg=19.5Xl(T6/°C。相比于酒精的膨胀系数，在相同温 度变化下，银的膨胀可以忽略不计。本发明中即不再考虑温度变化对金属块体积的影响。根 据液囊的体积和可移动金属块的截面积可以计算出金属块的位置变化与温度的关系，由此 定义一个比例系数〇表示单位温度的变化对应的金属块移动距离
[0032] 此式也可以作为衡量该结构的温度敏感性。根据此式可以得出圆形吸收腔的截面 积以及可移动金属块的宽度对金属块的位置变化影响比较大，综合考虑选择b = 35nm。则σ =1.32 X l(T9nm/°C，此结果为金属块的移动量与温度的关系。
[0033] 如图2所示，本发明高分辨率温度传感器由一个外置液囊1、金属块2、一个竖直波 导3、一个水平波导5、两个金属膜4、6(没