一种基于绝缘体上硅光波导的表面等离子体共振传感器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于绝缘体上硅光波导的表面等离子体共振传感器，包括微传感芯片，以及与微传感芯片两端分别连接的输入光纤和输出光纤；所述微传感芯片包括依次连接的输入耦合限位槽、输入波导模式转换器、脊形波导、输出波导模式转换器、输出耦合限位槽，设置于波导弯折处并填充低折射率材料的弯折波导介质槽，设置于脊形波导中部弯折部处的待测物质填充区，以及敏感材料层和金属材料层。本发明构思巧妙，利用光波导弯折处的表面等离子共振激发原理，通过折射率的改变，使输出端能够检测到的输出光能骤减，在波长扫描情况下准确地测量气体/液体的相关参数，而且全部基于光学原理测量，抗外界干扰的能力强。
【专利说明】
一种基于绝缘体上硅光波导的表面等离子体共振传感器
技术领域
[0001 ]本发明涉及微传感器技术领域，具体地讲，是涉及一种基于绝缘体上硅光波导的表面等离子体共振传感器，可用于气体或液体的相关参数测量。
【背景技术】
[0002]目前，商用的气体传感器大多是半导体传感器或者电化学传感器，输出信号一般为电信号，尺寸一般为厘米级以上。由于输出的是电压或电流信号，往往受外界干扰大，导致传感器误差大、测量精度不高，因此在实际应用中还需要配套电路，例如I/V转换、前置放大电路等。半导体气体传感器在测量之前往往还需要长时间的预热，才能保证较高的测量精度，而且响应速度较慢。
【发明内容】
[0003]针对上述现有技术的不足，本发明提供一种尺寸小、精度高、抗干扰性强和可远程测量的基于绝缘体上硅光波导的表面等离子体共振传感器。
[0004]为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下:
一种基于绝缘体上硅光波导的表面等离子体共振传感器，包括微传感芯片，以及与微传感芯片两端分别连接的输入光纤和输出光纤;所述微传感芯片包括用于安装输入光纤的输入耦合限位槽，与输入光纤端部匹配的输入波导模式转换器，用于安装输出光纤的输出親合限位槽，与输出光纤端部匹配的输出波导模式转换器，两端分别弯折地与输入波导模式转换器、输出波导模式转换器连接的且其中部存在弯折部的脊形波导，设置于脊形波导与输入波导模式转换器、输出波导模式转换器连接的弯折处的并填充低折射率材料的弯折波导介质槽，设置于脊形波导中部弯折部处的待测物质填充区，以及依次层叠地设置于待测物质填充区朝向脊形波导方向表面的敏感材料层和金属材料层，其中，所述待测物质填充区位于微传感芯片边缘。优选地，输入光纤和输出光纤均采用通信光纤。
[0005]具体地，所述输入波导模式转换器、脊形波导和输出波导模式转换器均为由绝缘体上硅材料制成的光波导。
[0006]进一步地，所述光波导的截面结构为由下至上依次层叠的基底层、绝缘层、波导器件层和覆盖层，其中，所述波导器件层中心处朝向覆盖层方向存在突起的脊，所述覆盖层的对应部位相应凹陷;所述输入光纤和输出光纤的中心对应该脊位置。所述覆盖层材料为SU-8或二氧化硅等低折射率材料，所述波导器件层材料为硅，所述绝缘层材料为二氧化硅，所述基底层材料为硅。
[0007]进一步地，所述输入耦合限位槽和输出耦合限位槽是在微传感芯片两端位置通过刻蚀覆盖层、波导器件层、绝缘层和基底层制作而成，用于限制输入输出光线与波导中心的位置关系，实现波导与光纤的端面对接耦合。
[0008]进一步地，所述输入波导模式转换器和输出波导模式转换器均为锥形，构成锥形波导，自与脊形波导的连接处向与输入光线和输出光线的连接处由小变大，用以将光纤端面耦合输入的波导模式转换成微传感芯片内部可用的单模传输波导模式。
[0009]为了提高测量精度，所述脊形波导中的弯折部利用弯折次数至少两次接触所述待测物质填充区上设置的敏感材料层和金属材料层，并在远离待测物质填充区的弯折处也设置有填充低折射率材料的弯折波导介质槽。
[0010]更进一步地，所述弯折波导介质槽内填充的低折射率材料与所述光波导的覆盖层材料相同，该填充的低折射率材料与光波导的波导器件层材料的界面上形成疏密相对的反射镜面。
[0011]具体地，所述弯折波导介质槽由覆盖层起，向下刻蚀穿透覆盖层和波导器件层至绝缘层表面止。
[0012]并且，所述金属材料层厚度为纳米量级，受光激发后产生等离子共振。
[0013]为了便于测量，所述敏感材料层的折射率随待测物质填充区的填充物变化而改变。
[0014]而且，所述待测物质填充区由覆盖层起，向下刻蚀穿透覆盖层和波导器件层至绝缘层表面止。
[0015]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果:
(I)本发明构思巧妙，利用光波导弯折处的表面等离子共振激发原理，通过折射率的改变，使输出端能够检测到的输出光能骤减，在波长扫描情况下准确地测量气体/液体的相关参数，而且全部基于光学原理测量，抗外界干扰(如机械振动、电磁干扰等)的能力强，并且尺寸小，仅有数百微米大小，同时由于采用单模光纤通讯，可实现远程测量，可用于狭小的密闭容器或空间中气体/液体的测量，也可用于一些危险场所的测量，具有广泛的应用前景，适合推广应用。
[0016](2)本发明中光波导在待测物质填充区采用结构相同的两次弯折，依次激发等离子共振，进一步减少了输出端能够检测的能量，使得波长扫描情况下的消失峰更加尖锐，从而使传感器拥有更高的灵敏度。
【附图说明】
[0017]图1为本发明的外部结构示意图。
[0018]图2为本发明中微传感芯片的俯视结构示意图。
[0019]图3为本发明中光波导的截面示意图。
[0020]图4为本发明中利用介质槽实现弯折波导的示意图。
[0021 ]图5为本发明中微传感芯片的轴测图。
[0022]图6为本发明中波导弯折处激发表面等离子共振的原理示意图。
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。
实施例
[0024]如图1至图6所示，该基于绝缘体上硅光波导的表面等离子体共振传感器，包括微传感芯片1，以及与微传感芯片两端分别连接的输入光纤2和输出光纤3;所述微传感芯片是在绝缘体上硅材料上通过微纳米加工技术与工艺制作而成，主要包括用于安装输入光纤的输入親合限位槽101，与输入光纤端部匹配的输入波导模式转换器102，用于安装输出光纤的输出親合限位槽1 9，与输出光纤端部匹配的输出波导模式转换器1 8，两端分别弯折地与输入波导模式转换器、输出波导模式转换器连接的且其中部存在弯折部的脊形波导103，设置于脊形波导与输入波导模式转换器、输出波导模式转换器连接的弯折处的并填充低折射率材料的弯折波导介质槽104，设置于脊形波导中部弯折部处的待测物质填充区107，以及依次层叠地设置于待测物质填充区朝向脊形波导方向表面的敏感材料层106和金属材料层105，其中，所述待测物质填充区位于微传感芯片边缘。优选地，输入光纤和输出光纤均采用通信光纤。
[0025]具体地，所述输入波导模式转换器、脊形波导和输出波导模式转换器均为由绝缘体上硅材料制成的光波导。进一步地，所述光波导的截面结构为由下至上依次层叠的基底层111、绝缘层112、波导器件层113和覆盖层114，其中，所述波导器件层中心处朝向覆盖层方向存在突起的脊115，所述覆盖层的对应部位相应凹陷;所述输入光纤和输出光纤的中心对应该脊位置。所述覆盖层材料为SU-8或二氧化硅等低折射率材料，所述波导器件层材料为硅，所述绝缘层材料为二氧化硅，所述基底层材料为硅。进一步地，所述输入耦合限位槽和输出耦合限位槽是在微传感芯片两端位置通过刻蚀覆盖层、波导器件层、绝缘层和基底层制作而成，用于限制输入输出光线与波导中心的位置关系，实现波导与光纤的端面对接锂A
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[0026]进一步地，所述输入波导模式转换器和输出波导模式转换器均为锥形，构成锥形波导，自与脊形波导的连接处向与输入光线和输出光线的连接处由小变大，用以将光纤端面耦合输入的波导模式转换成微传感芯片内部可用的单模传输波导模式。
[0027]为了提高测量精度，所述脊形波导中的弯折部利用弯折次数至少两次接触所述待测物质填充区上设置的敏感材料层和金属材料层，并在远离待测物质填充区的弯折处也设置有填充低折射率材料的弯折波导介质槽。
[0028]更进一步地，所述弯折波导介质槽内填充的低折射率材料与所述光波导的覆盖层材料相同，该填充的低折射率材料与光波导的波导器件层材料的界面上形成疏密相对的反射镜面。具体地，所述弯折波导介质槽由覆盖层起，向下刻蚀穿透覆盖层和波导器件层至绝缘层表面止。为了保证波导传输模式的有大的反射效率，要求介质槽的长度和宽度足够。所述金属材料层厚度为纳米量级，受光激发后产生等离子共振。
[0029]为了便于测量，所述敏感材料层的折射率随待测物质填充区的填充物变化而改变。而且，所述待测物质填充区由覆盖层起，向下刻蚀穿透覆盖层和波导器件层至绝缘层表面止。
[0030]本发明工作时，输入光纤一端连接可调谐激光器，另一端通过微传感芯片上的输入耦合限位槽实现光纤-波导的端面对接耦合，使输入模式转换器中的波导模式被激发。在模式转换器的作用下，波导模式向前传输到脊形波导中，经历第一个波导弯折处的弯折波导介质槽使得传输方向被改变。传输到芯片边缘的参数敏感层时对待测物质填充区内的待测物质参数进行敏感，使得输出端的波导模式发生相应的变化。接着，波导模式经历另一个弯折波导介质槽，改变方向，使输入光纤、输出光纤、输入波导模式转换器、输出波导模式转换器在同一条直线上。然后，波导模式经过输出波导模式转换器在输出耦合限位槽与输出光纤进行端面对接耦合，从而光信息的输出。由于输入光纤、输出光纤均采用通信光纤，本发明的传感器可以实现远程测量。
[0031]在可调谐激光器输出不同波长进行波长扫描的情况下，传感器表现出待测物质参数与能量消失峰处波长的对应关系。弯折端面上的表面等离子共振(SPR)激发原理如图6所示，当波导中传输的波导模式传输到弯折处，在弯折角度Θ、波导模式有效折射率、光波长、金属材料层材料折射率以及敏感材料层材料折射率满足一定的匹配条件下，将会产生沿着金属材料层与敏感材料层的分界面向前传输的表面等离子体激元共振波(SPW)，从而使得弯折波导输出端的输出光能量骤减。
[0032]利用本发明的结构，脊形波导在待测物质填充区的两次弯折结构参数完全相同。如果第一次弯折处激发了 SPR，使得大部分能量沿着金属材料层与敏感材料层的分界面传输使脊形波导中能够传输到第二次弯折处的能量骤减，再一次SPR被激发使得整个传感器输出端能够检测到的能量更少，这样就可以是波长扫描情况下的消失峰更加尖锐，从而使传感器拥有更高的灵敏度。
[0033]上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而作出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种基于绝缘体上硅光波导的表面等离子体共振传感器，其特征在于，包括微传感芯片，以及与微传感芯片两端分别连接的输入光纤和输出光纤;所述微传感芯片包括用于安装输入光纤的输入耦合限位槽，与输入光纤端部匹配的输入波导模式转换器，用于安装输出光纤的输出耦合限位槽，与输出光纤端部匹配的输出波导模式转换器，两端分别弯折地与输入波导模式转换器、输出波导模式转换器连接的且其中部存在弯折部的脊形波导，设置于脊形波导与输入波导模式转换器、输出波导模式转换器连接的弯折处的并填充低折射率材料的弯折波导介质槽，设置于脊形波导中部弯折部处的待测物质填充区，以及依次层叠地设置于待测物质填充区朝向脊形波导方向表面的敏感材料层和金属材料层，其中，所述待测物质填充区位于微传感芯片边缘。2.根据权利要求1所述的一种基于绝缘体上硅光波导的表面等离子体共振传感器，其特征在于，所述输入波导模式转换器、脊形波导和输出波导模式转换器均为由绝缘体上硅材料制成的光波导。3.根据权利要求2所述的一种基于绝缘体上硅光波导的表面等离子体共振传感器，其特征在于，所述光波导的截面结构为由下至上依次层叠的基底层、绝缘层、波导器件层和覆盖层，其中，所述波导器件层中心处朝向覆盖层方向存在突起的脊，所述覆盖层的对应部位相应凹陷;所述输入光纤和输出光纤的中心对应该脊位置。4.根据权利要求2所述的一种基于绝缘体上硅光波导的表面等离子体共振传感器，其特征在于，所述输入波导模式转换器和输出波导模式转换器均为锥形，自与脊形波导的连接处向与输入光线和输出光线的连接处由小变大。5.根据权利要求3或4所述的一种基于绝缘体上硅光波导的表面等离子体共振传感器，其特征在于，所述脊形波导中的弯折部利用弯折次数至少两次接触所述待测物质填充区上设置的敏感材料层和金属材料层，并在远离待测物质填充区的弯折处也设置有填充低折射率材料的弯折波导介质槽。6.根据权利要求5所述的一种基于绝缘体上硅光波导的表面等离子体共振传感器，其特征在于，所述弯折波导介质槽内填充的低折射率材料与所述光波导的覆盖层材料相同，该填充的低折射率材料与光波导的波导器件层材料的界面上形成疏密相对的反射镜面。7.根据权利要求5所述的一种基于绝缘体上硅光波导的表面等离子体共振传感器，其特征在于，所述弯折波导介质槽由覆盖层起，向下刻蚀穿透覆盖层和波导器件层至绝缘层表面止。8.根据权利要求5所述的一种基于绝缘体上硅光波导的表面等离子体共振传感器，其特征在于，所述金属材料层厚度为纳米量级，受光激发后产生等离子共振。9.根据权利要求5所述的一种基于绝缘体上硅光波导的表面等离子体共振传感器，其特征在于，所述敏感材料层的折射率随待测物质填充区的填充物变化而改变。10.根据权利要求5所述的一种基于绝缘体上硅光波导的表面等离子体共振传感器，其特征在于，所述待测物质填充区由覆盖层起，向下刻蚀穿透覆盖层和波导器件层至绝缘层表面止。
【文档编号】G01N21/552GK105823759SQ201610424241
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年6月15日
【发明人】袁登鹏, 赵英, 赵一英, 张齐昊, 江婷, 付军, 陈杰
【申请人】中国工程物理研究院材料研究所