气体传感器及其制备方法技术

技术编号:21031122 阅读:24 留言:0更新日期:2019-05-04 04:19
本发明专利技术公开了一种气体传感器及其制备方法,该气体传感器包括:SOI基片,包含底层硅、埋氧层和顶层硅,其中,顶层硅上制作有脊形光波导芯区结构,该脊形光波导芯区结构包括:依次连接的模斑转换器、直波导和布拉格反射光栅,以及一微环谐振腔,该微环谐振腔位于模斑转换器、直波导和布拉格反射光栅形成的直线一侧,与直波导位置对应且耦合连接,可与直波导进行光谐振耦合;气体传感上包层,位于一谐振耦合区域,该谐振耦合区域覆盖于直波导与微环谐振腔上方;以及绝缘上包层,覆盖于SOI基片上方除谐振耦合区域之外的区域。该气体传感器具有微型化、高灵敏度、响应速度快、不易受电磁干扰、制备工艺与CMOS工艺兼容、以及易于制备和集成的综合性能。

Gas sensor and its preparation method

The invention discloses a gas sensor and a preparation method thereof. The gas sensor comprises a SOI substrate comprising a bottom silicon, a buried oxygen layer and a top silicon. The top silicon is fabricated with a ridge-shaped optical waveguide core structure. The ridge-shaped optical waveguide core structure comprises a sequentially connected mode-spot converter, a straight waveguide and a Bragg reflection grating, and a micro-ring resonator. The resonator is located on the linear side of the mode spot converter, the straight waveguide and the Bragg reflection grating, which corresponds to the position of the straight waveguide and is coupled with the straight waveguide, and can be optically resonantly coupled with the straight waveguide; the upper cladding of the gas sensor is located in a resonant coupling region, which covers the top of the straight waveguide and the micro-ring resonant cavity; and the upper cladding of the insulation covers the top of the SOI substrate to eliminate the resonant coupling. Areas outside the zone. The gas sensor has the advantages of miniaturization, high sensitivity, fast response, less electromagnetic interference, compatibility with CMOS process, and easy preparation and integration.

【技术实现步骤摘要】
气体传感器及其制备方法
本公开属于光学领域和微纳系统领域,涉及一种气体传感器及其制备方法,特别地,涉及一种一氧化碳传感器及其制备方法。
技术介绍
一氧化碳是一种无色、无味不易觉察的有毒气体,在人体血液中血红蛋白与一氧化碳的结合能力比氧气的结合能力高200多倍。人体一旦长时间接触到过量的一氧化碳气体往往难以自救。因此,借助高灵敏度的传感器对一氧化碳实时检测显得非常重要。传统的一氧化碳气体传感器主要有电容、电阻式和表面声波式,这些传感器都存在体积大、成本高、响应速率慢、灵敏度低、易受外界电磁场干扰等缺点。近年来,对于小型化、高精度、低成本的一氧化碳气体传感器的市场需求越来越高。现有的气体传感器存在品质因数和传感器尺寸大小之间的矛盾,品质因数较高的传感器对应的尺寸较大,而体积小的传感器存在灵敏度较低、易受外界电磁场干扰、或者响应速度慢等问题。因此,有必要提出一种能够同时实现微型化、高灵敏度、响应速度快且不易受外界电磁场干扰的气体传感器件,保证微型化、高灵敏度和高稳定性。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本公开提供了一种气体传感器及其制备方法,以至少部分解决以上所提出的技术问题。(二)技术方案根据本公开的一个方面,提供了一种气体传感器,包括:SOI基片,包含底层硅、埋氧层和顶层硅,其中,顶层硅上制作有脊形光波导芯区结构,该脊形光波导芯区结构包括:依次连接的模斑转换器、直波导和布拉格反射光栅,以及一微环谐振腔,该微环谐振腔位于模斑转换器、直波导和布拉格反射光栅形成的直线一侧,与直波导位置对应且耦合连接,可与直波导进行光谐振耦合;气体传感上包层,位于一谐振耦合区域,该谐振耦合区域覆盖于直波导与微环谐振腔上方;以及绝缘上包层,覆盖于SOI基片上方除谐振耦合区域之外的区域。在本公开的一些实施例中,SOI基片中埋氧层的厚度大于或等于2μm:和/或,绝缘上包层的材料为B、P或B、Ge掺杂的二氧化硅;和/或,该气体传感器的尺寸为微米级。在本公开的一些实施例中,气体传感上包层的材料为氧化锌纳米线,该氧化锌纳米线是利用阴影效应,通过电子束倾斜蒸发的工艺制备得到的。在本公开的一些实施例中,布拉格反射光栅通过周期性改变波导宽度来实现,其反射中心波长位于1.55μm处,反射带宽至少大于微环谐振腔的自由谱范围。在本公开的一些实施例中,布拉格反射光栅右侧端面镀有一层增反膜。在本公开的一些实施例中,模斑转换器为一宽度渐变增大的波导,光入射端为窄波导端,与光纤相连,光出射端为宽波导端,与直波导尺寸匹配,通过宽度渐变实现直波导与光纤的高效耦合。在本公开的一些实施例中,直波导与微环谐振腔进行耦合连接处的波导结构为直波导或者弯曲波导结构,以减小耦合失配因子,降低倏逝波耦合器的插入损耗。在本公开的一些实施例中,光通过模斑转换器耦合进入直波导中,并在微环谐振腔中发生谐振,经过微环谐振腔谐振后输出的光入射至布拉格反射光栅,经布拉格反射光栅反射后的光再次通过直波导耦合进入微环谐振腔并输出,气体传感上包层吸附待测气体之后,折射率发生变化,使得微环谐振腔的谐振频率发生变化,实现传感;特别地,该气体传感器为一氧化碳气体传感器。根据本公开的另一个方面,提供了一种本公开提到的任一种气体传感器的制备方法,包括:在SOI基片的顶层硅上制作脊形光波导芯区结构,该脊形光波导芯区结构包括:依次连接的模斑转换器、直波导和布拉格反射光栅,以及一微环谐振腔,该微环谐振腔位于所述模斑转换器、直波导和布拉格反射光栅形成的直线一侧,与直波导位置对应,可与所述直波导进行光谐振耦合;在SOI基片上沉积绝缘上包层材料,并利用图形化工艺在绝缘上包层材料上制作谐振耦合区域,该谐振耦合区域覆盖于所述直波导与微环谐振腔上方,并刻蚀掉该谐振耦合区域的绝缘上包层材料;以及在谐振耦合区域内制作气体传感上包层。(三)有益效果从上述技术方案可以看出,本公开提供的气体传感器及其制备方法,具有以下有益效果:(1)借助于微腔光学谐振效应,在气体传感器SOI基片的顶层硅中制作脊形光波导芯区结构,该脊形光波导芯区结构用于光传播和谐振,微环谐振腔上方的气体传感上包层的光学特性会受到外界气体的影响,从而影响微环谐振腔的谐振特性,借此来实现气体传感,比如:气体传感上包层吸附待测气体之后,折射率发生变化,使得微环谐振腔的谐振频率发生变化,从而实现气体传感;(2)布拉格反射光栅的引入,使得激光两次经过微环谐振腔,微环谐振腔的品质因数得到了较高的提升,使得传感器的灵敏度也得到了较高提升,这一工作对各种基于微环谐振腔的传感器件都具有启发意义;(3)通过借助于阴影效应蒸发制备ZnO纳米线结构有很高的比表面积,相较于传统的薄膜式敏感元件提高了器件敏感元件的灵敏度;其次,选用ZnO纳米线气体传感上包层来用于一氧化碳气体传感,具有极高的灵敏度,以及较快的响应时间和回复速率;(4)本公开的气体传感器(比如一氧化碳气体传感器)具有微米级尺寸,大大减小了该类传感器的尺寸范围,为未来各类型气体传感器的集成化、小型化打下了坚实的基础;(5)受益于所采用的微环谐振腔的传输特性,使得该气体传感器不受电磁干扰,适应各种恶劣的工作环境;(6)该气体传感器的制备工艺能够与CMOS工艺兼容,易于制备和集成,可大规模生产降低成本。附图说明图1为根据本公开一实施例所示的气体传感器的俯视结构示意图。图2为如图1所示的气体传感器沿着A-A线剖开之后对应的剖面结构示意图。图3为根据本公开一实施例所示的气体传感器的制备方法流程图。图4A和图4B分别为图3所示的制备方法中各步骤对应形成的结构示意图。图4A为在SOI基片的顶层硅上制作得到脊形光波导芯区结构的立体示意图。图4B为在SOI基片上刻蚀掉该谐振耦合区域的绝缘上包层材料后器件结构的俯视图。【符号说明】1-底层硅;2-埋氧层;3-顶层硅;301-模斑转换器;302-直波导;303-微环谐振腔;304-布拉格反射光栅;4-绝缘上包层;5-气体传感上包层。具体实施方式光波导微环谐振腔具有独特的传输谱线。当激光频率满足微环谐振条件时,该频率光将被约束在腔内并一直沿圆环传播下去。光波导微环谐振腔较高的品质因数和小体积优势为小型化高灵敏度传感器提供了可能。然而,微环的品质因数与微环半径成正比。目前具有高灵敏度的器件尺寸太大,尺寸较小的器件灵敏度相对低一些,因此如何解决这一矛盾,进一步提高传感器的灵敏度成为新的热点。本公开借助于微腔光学谐振效应,提供了一种气体传感器及其制备方法,通过在脊形光波导芯区结构中引入布拉格反射光栅,使得激光两次经过微环谐振腔,微环谐振腔的品质因数得到了较高的提升,使得传感器的灵敏度也得到了较高提升,特别地,选用ZnO纳米线气体传感上包层来用于一氧化碳气体传感,且该ZnO纳米线借助于阴影效应蒸发制备,具有很高的比表面积,使得器件具有极高的灵敏度,以及较快的响应时间和回复速率,该气体传感器具有微型化、高灵敏度、响应速度快、不易受电磁干扰、制备工艺能够与CMOS工艺兼容、易于制备和集成、可大规模生产降低成本的综合性能,具有广袤的应用前景。为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白,以下结合具体实施例,并参照附图,对本公开进一步详细说明。在本公开的第一个示例性实施例中,提供了一种气体传感器,特别地,该本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种气体传感器,其特征在于,包括:SOI基片,包含底层硅、埋氧层和顶层硅,其中,所述顶层硅上制作有脊形光波导芯区结构,该脊形光波导芯区结构包括:依次连接的模斑转换器、直波导和布拉格反射光栅,以及一微环谐振腔,该微环谐振腔位于所述模斑转换器、直波导和布拉格反射光栅形成的直线一侧,与直波导位置对应且耦合连接,可与所述直波导进行光谐振耦合;气体传感上包层,位于一谐振耦合区域,该谐振耦合区域覆盖于所述直波导与微环谐振腔上方;以及绝缘上包层,覆盖于所述SOI基片上方除谐振耦合区域之外的区域。

【技术特征摘要】
1.一种气体传感器,其特征在于,包括:SOI基片,包含底层硅、埋氧层和顶层硅,其中,所述顶层硅上制作有脊形光波导芯区结构,该脊形光波导芯区结构包括:依次连接的模斑转换器、直波导和布拉格反射光栅,以及一微环谐振腔,该微环谐振腔位于所述模斑转换器、直波导和布拉格反射光栅形成的直线一侧,与直波导位置对应且耦合连接,可与所述直波导进行光谐振耦合;气体传感上包层,位于一谐振耦合区域,该谐振耦合区域覆盖于所述直波导与微环谐振腔上方;以及绝缘上包层,覆盖于所述SOI基片上方除谐振耦合区域之外的区域。2.根据权利要求1所述的气体传感器,其中,所述SOI基片中埋氧层的厚度大于或等于2μm:和/或,所述绝缘上包层的材料为B、P或B、Ge掺杂的二氧化硅;和/或,该气体传感器的尺寸为微米级。3.根据权利要求1所述的气体传感器,其中,所述气体传感上包层的材料为氧化锌纳米线,所述氧化锌纳米线是利用阴影效应,通过电子束倾斜蒸发的工艺制备得到的。4.根据权利要求1所述的气体传感器,其中,所述布拉格反射光栅通过周期性改变波导宽度来实现,其反射中心波长位于1.55μm处,反射带宽至少大于所述微环谐振腔的自由谱范围。5.根据权利要求4所述的气体传感器,其中,所述布拉格反射光栅右侧端面镀有一层增反膜。6.根据权利要求1所述的气体传感器,其中,所述模斑转换器为一宽度渐变增大的波导,光入射端为窄波导端,与光纤相连,光出射端为宽波导端,与直波导尺寸匹配,通过宽度渐变实现直波导与光纤的高效耦合。7.根据权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员:何玉铭韩伟华李兆峰颜伟王晓东杨富华
申请(专利权)人:中国科学院半导体研究所
类型:发明
国别省市:北京,11

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