斜抛光纤折射率传感器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种斜抛光纤折射率传感器及其制作方法。该传感器包括单模光纤、V型光纤槽以及胶体晶体膜，单模光纤的端面为45度的斜面，V型光纤槽位于胶体晶体膜的上方；单模光纤位于V型光纤槽内，其45度的斜面朝上；单模光纤的轴线与胶体晶体膜的平面平行。制作方法的主要步骤为：湿法腐蚀法在硅晶圆上制作V型光纤槽阵列，垂直沉积的方法制作一定厚度的胶体晶体膜阵列，再将胶体晶体膜基底和V型光纤槽粘贴固定，随后固定单模光纤将其压紧在V型光纤槽内，最后划片并封装。本发明专利技术的结构新颖、灵敏度高、可靠性好、线性测量范围大、成本低廉、可批量生产，能广泛应用于工业中的折射率检测。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于斜抛光纤和硅片湿化腐蚀工艺的斜抛光纤折射率传感器器件，特别是涉及光纤斜抛加工技术以及光子胶体晶体涂覆硅片端面的工艺技术，采用可以控温控压的垂直沉积法工艺在硅片表面制作胶体晶体，通过湿法腐蚀工艺加工硅晶圆，腐蚀形成胶体晶体薄膜，另一与之粘贴固定的硅晶圆对应腐蚀形成V形槽结构，光纤端面斜抛为45度并镀膜，经过粘结封装形成折射率传感器。
技术介绍
目前研究的绝大多数光子晶体光纤都是基于拉制有排列结构的预制棒，而微结构光纤光栅则采用紫外侧写技术或CO2热激技术制成。改变光纤中的微孔排列、大小以及占空比，或者将介质载入微孔，均可改变光子晶体光纤及其光栅的光学性质，极大地改变了光纤传感器的结构和性能。虽然光子晶体光纤及其传感器的研究已经有很大发展，但是制作工艺很复杂，造价偏高，而且与普通光纤的对接也存在很多问题。从目前的发展情况来看，光子晶体光纤不会取代传统光纤的地位，而是作为传统光纤的有效补充，发挥特种光纤作用。基于胶体晶体的传感器，国内外研究基本停留在实验室阶段，很少有能够应用的胶体晶体器件。一方面因为制备大面积的有序高质量的胶体晶体比较困难；另一方面很难找到匹配的连接方式和传感回路。而胶体晶体-光纤气液传感器，通过在普通单模光纤端面涂覆一定厚度的均匀胶体晶体薄膜，利用胶体晶体带隙波段的反射特性，反射光谱经过分路器耦合到光谱分析仪。在制备完毕的胶体晶体微球空隙中填充不同折射率的液体或者气体，带隙的中心波长位置会发生偏移，从而进行相关的测量和传感。通过胶体晶体、光纤气液传感器、光纤耦合器等无源器件，有可能形成一个新型的光纤传感测量网络，对全光网络的实现和新型的传感器制作有重要意义。
技术实现思路
本专利技术即是基于以上所述现状进行的，目的在于制作一种结构新颖、成本低、精度高、有望批量生产的斜抛光纤折射率传感器。同时，提供该传感器的制作方法。为了实现上述专利技术目的，本专利技术斜抛光纤折射率传感器采用如下技术方案：斜抛光纤折射率传感器，包括单模光纤、V型光纤槽以及胶体晶体膜，单模光纤的端面为45度的斜面，V型光纤槽位于胶体晶体膜的上方；所述单模光纤位于V型光纤槽内，其45度的斜面朝上；所述单模光纤的轴线与胶体晶体膜的平面平行。进一步地，所述单模光纤为裸光纤。所述单模光纤的端面上镀有一层金属薄膜。上述斜抛光纤折射率传感器的制作方法，具体步骤如下：a)对两片硅片进行清洁，依次用丙酮、酒精、去离子水超声清洗5分钟，然后用氮气吹干；b)V型光纤槽阵列的制作：首先对单晶硅进行双面氧化，单面沉积氮化硅，形成保护层；再制作掩膜板，光刻开窗，选择性去除保护层，形成V型光纤槽阵列图案；接着用KOH溶液进行硅片湿法腐蚀，控制反应时间得到光纤槽所需深度；最后去除氧化硅和氮化硅保护膜；c)胶体晶体膜的制作：配置胶体微球溶液，微球直径偏差/平均直径×％<0.2％，质量百分比浓度为2％～6％，溶剂为水和乙醇；将干燥好的硅片垂直放置在盛有胶体微球溶液的玻璃瓶中，硅片的端面处于液体中心位置，且与溶液液面保持相互垂直；然后将玻璃瓶置于真空干燥箱中，在一定的温度、湿度和真空度的条件下，采用垂直沉积法在所述硅片表面涂覆胶体晶体；最后在恒温恒压条件静置48小时左右，再在恒温恒湿条件下干燥；d)将步骤b)和c)制备好的V型光纤槽阵列和胶体晶体膜粘贴固定；e)对单模光纤的端面进行45度的抛磨，然后将排好的单模光纤阵列压入与之排布方式对应的光V型纤槽阵列中，单模光纤的45度斜面朝上，且单模光纤的轴线与胶体晶体膜的平面保持平行；然后向V型光纤槽中注入紫外粘结剂，盖上玻璃盖板并将单模光纤压紧在V型光纤槽内，用紫外灯照射使粘结剂固化。所述步骤e)完成后，将固定好的单模光纤阵列以等间距的V型光纤槽为基准，切割为相同大小的单个传感部件，并进行封装。本专利技术通过上述传感器加工步骤得到的结构：45度光纤与硅基底的胶体晶体膜保持平行，避免了其他介质对光路的影响；传感器制作过程中所需的主要材料为单模光纤、硅片、玻璃板、紫外固化胶，材料易于收集且成本低廉。整个制作过程采取抛磨、腐蚀等方法，传感器机械性能高，制作步骤简单。因此，本专利技术的结构新颖、灵敏度高、可靠性好、线性测量范围大、成本低廉、可批量生产，能广泛应用于工业中的折射率检测。附图说明图1是本专利技术斜抛光纤折射率传感器的侧面结构示意图，1-光纤，2-V型槽，3-胶体晶体膜；图2是传感器结构的截面示意图；图3是本专利技术传感器加工制作的主要工艺流程图，4-紫外粘结剂，5-玻璃，6-单个传感部件，7-塑料；图4是传感器应用时反射光谱测量示意图，8-光谱分析仪，9-白光源；图5是折射率传感器实验结果。具体实施方式下面结合附图和实施例做进一步详细说明。本实施例制备斜抛光纤折射率传感器的步骤如下:a)对两片相同的硅片进行湿式化学清洗法的RCA标准清洁，依次用丙酮、酒精、去离子水超声清洗5分钟，然后用氮气吹干。b)V型光纤槽阵列的制作。首先对单晶硅进行双面氧化，单面沉积氮化硅，形成保护层。再制作掩膜板，光刻开窗，选择性去除保护层，形成V型光纤槽2阵列图案。接着用KOH溶液进行硅片湿法腐蚀，控制反应时间得到光纤槽所需深度。最后去除氧化硅、氮化硅保护膜。c)胶体晶体膜的制作。配置不同材料(如：PS、PMMA或Silica)的胶体微球溶液，微球直径偏差/平均直径×％<0.2％，质量百分比浓度为2％～6％，溶剂水/乙醇(7：3体积比)。将干燥好的硅片垂直放置在盛有胶体微球溶液的玻璃瓶中，端面处于液体中心位置，硅片端面与溶液液面保持相互垂直。将整个装置置于真空干燥箱中，在一定的温度，湿度和真空度的条件下，采用垂直沉积法在处理好的硅片表面涂覆胶体晶体。恒温恒压条件静置48小时左右，再恒温恒湿条件下干燥，形成胶体晶体膜3阵列图案。d)将V型光纤槽2和制备好的胶体晶体膜硅片基底粘贴固定。e)利用磁控溅射镀膜机在抛磨好的光纤1的45度斜面上镀银膜，增加其反射率。银膜厚度约为50nm。f)光纤固定及对准。将排好的45度光纤1阵列压入与之排布方式对应的光纤槽阵列2中，光纤45度端面朝上，光纤1侧壁与胶体晶体膜3保持平行，保证出射光垂直入射到胶体晶体膜3并能反射回45度光纤1中，然后向V型槽2中注入紫外粘结剂4，盖上玻璃盖板5并将其压紧，用紫外灯照射使粘结剂固化。g)划片封装。将(f)中固定好的光纤阵列以等间距的V型槽为基准切割为相同大小的单个传感部件6，使用塑料7进行封装。图4是利用上述制备的传感器进行测量的示意图。白光源9发出的光经耦合器后从45度光纤1的镀膜端面出射，经待测环境下的胶体晶体膜3后反射回到45度光纤1中，再通过耦合器回到光谱分析仪8中，得到反射光谱。在制备完毕的胶体晶体膜3的微球空隙中填充不同折射率的液体或者气体时，利用胶体晶体带隙波段的反射特性，带隙的中心波长位置会发生偏移，记录下折射率和光谱仪反射峰的中心波长，得到测量结果如图5所示。其中，胶体晶体采用聚苯乙烯小球，直径690nm，层数25层左右(±5层)；V型槽宽100um(±10um)，深100um(±5um)；单模光纤的总直径125um，纤芯直径9um。由图5可知，不同折射率条件下的反射峰中心波长偏移明显，拟合曲线的线性度很好，准确性较高，可重复测量。本文档来自技高网...

【技术保护点】
斜抛光纤折射率传感器，包括单模光纤、V型光纤槽以及胶体晶体膜，其特征在于，单模光纤的端面为45度的斜面，V型光纤槽位于胶体晶体膜的上方；所述单模光纤位于V型光纤槽内，其45度的斜面朝上；所述单模光纤的轴线与胶体晶体膜的平面平行。

【技术特征摘要】
1.斜抛光纤折射率传感器，包括单模光纤、V型光纤槽以及胶体晶体膜，其特征在于，单模光纤的端面为45度的斜面，V型光纤槽位于胶体晶体膜的上方；所述单模光纤位于V型光纤槽内，其45度的斜面朝上；所述单模光纤的轴线与胶体晶体膜的平面平行。2.根据权利要求1所述的斜抛光纤折射率传感器，其特征在于，所述单模光纤为裸光纤。3.根据权利要求1所述的斜抛光纤折射率传感器，其特征在于，所述单模光纤的端面上镀有一层金属薄膜。4.根据权利要求1至3之一所述的斜抛光纤折射率传感器，其特征在于，利用玻璃盖板将所述单模光纤、V型光纤槽以及胶体晶体膜压紧，再与上盖粘合封装。5.如权利要求1所述的斜抛光纤折射率传感器的制作方法，其特征在于，具体步骤如下：a)对两片硅片进行清洁，依次用丙酮、酒精、去离子水超声清洗5分钟，然后用氮气吹干；b)V型光纤槽阵列的制作：首先对单晶硅进行双面氧化，单面沉积氮化硅，形成保护层；再制作掩膜板，光刻开窗，选择性去除保护层，形成V型光纤槽阵列图案；接着用KOH溶液进行硅片湿法腐蚀，控制反应时间得到光纤槽所需深度；最后去除氧化硅和氮化硅保护膜；c)胶体晶体膜的制作：配置胶体微球溶液，微球直径偏差/平均直径×％<0.2...

【专利技术属性】
技术研发人员：王鸣，邓彩松，潘庭婷，沈萌，
申请(专利权)人：南京师范大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32