基于高折射率差超结构的光学传感器及制作方法技术

一种基于高折射率差超结构的光学传感器及制作方法，涉及光学传感技术领域，具体属于一种基于高折射率差超结构的光学传感器及制作方法。包括介质基底和超结构，超结构为全介质材料构成的光栅单元，所述的光栅单元在介质基底上等间距分布，并在X方向周期性排列。本发明专利技术采用高折射率的全介质材料，能够避免金属材料引起的欧姆损耗，在实现高灵敏度的同时，还能将检测波长范围扩展至近红外波段。能将检测波长范围扩展至近红外波段。能将检测波长范围扩展至近红外波段。

【技术实现步骤摘要】
基于高折射率差超结构的光学传感器及制作方法


[0001]本专利技术涉及光学传感
，具体属于一种基于高折射率差超结构的光学传感器及制作方法。

技术介绍

[0002]传感技术是一项融合了电子通信、光学精细加工等多种重要学科的综合性技术，在信息化的21世纪已经成为信息产业和控制领域的关键技术，聚集着极高的科学意义和应用价值。科学技术的快速发展，对传感器件提出了微型化、集成化等新的要求，随着纳米技术的巨大进步，将新型纳米材料和先进的光学传感技术相结合，设计并制造新一代的高性能微纳结构光学传感器成为了可能。
[0003]目前，人们对于折射率传感器的研究主要集中在金属等离子体结构中，然而，由于金属结构中自由电子震荡导致了很强的辐射损耗，金属结构的高品质因子通常较低，这限制了金属等离子体结构器件在纳光子学中的应用。
[0004]另外，由于应用的不同，光学Fano共振的相关研究已经从单Fano共振扩展到多Fano共振，多Fano共振可广泛应用于多波长表面增强光谱学、多通道传感器和多波段慢光器件。但到目前为止，很少有研究能同时实现三个及以上的高品质因子Fano共振。因此，基于当前光学折射率的研究现状以及高折射率材料全介质超结构及Fano共振的优势，专利技术人提出一种基于高折射率差超结构的光学传感器。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的即在于提供一种基于高折射率差超结构的光学传感器及制作方法，以达到实现高灵敏度的光学传感器性能的目的。
[0006]本专利技术所提供的基于高折射率差超结构的光学传感器，其特征在于，包括介质基底和超结构，超结构为全介质材料构成的光栅单元，所述的光栅单元在介质基底上等间距分布，并在X方向周期性排列。
[0007]进一步的，光栅采用材料Si，厚度为220nm，衬底采用材料SiO2，厚度为2um，其中，Si对应的折射率为3.45，SiO2对应的折射率为1.48。
[0008]进一步的，光栅单元的周期为760nm，每个周期中各个光栅条的宽度均为125nm，光栅条的厚度为220nm，相邻光栅条之间的间距为50nm。
[0009]进一步的，本专利技术在880nm
‑
980nm之间形成3个Fano共振峰。
[0010]本专利技术所提供的基于高折射率差超结构的光学传感器的制作方法，其特征在于，包括以下过程：
[0011]步骤一：使用去离子水溶液对二氧化硅基底进行冲洗去除污染物；
[0012]步骤二：通过使用低压化学气相沉积方法，将硅薄膜沉积在二氧化硅基底；
[0013]步骤三：将光刻胶均匀旋涂到硅薄膜上并烘烤；
[0014]步骤四：通过电子束曝光技术投影图形，照射需要刻蚀的区域，相应的非刻蚀区域
不被电子束曝光；
[0015]步骤五：对电子束曝光后的相应位置残留的光刻胶，进行显影处理，将浸入在无机弱碱性水溶液中，经过显影液浸泡后需要进行高温烘烤，让没有电子束曝光区域的胶实现硬化进而具有抗蚀性；
[0016]步骤六：采用电感耦合等离子体刻蚀，得到需要的光栅结构；
[0017]步骤七：去除光刻胶，使用去等离子水清洗，得到本专利技术的光学传感器。
[0018]本专利技术所提供的基于高折射率差超结构的光学传感器及制作方法，通过测量入射平面波穿过超结构的透射光谱中谐振波长随环境折射率的变化量，计算该折射率传感器的灵敏度。在本专利技术的应用中，将传感器放置在待测环境中，谐振波长随着环境折射率的改变而发生移动，通过计算谐振波长移动的变化量判断外界环境折射率的变化量。同时，透射谱线中生成三个Fano共振峰，可以提供多个检测点。本专利技术具有以下积极效果：
[0019]1、全介质材质，无欧姆损耗，获得Fano共振产生的透射和反射光谱可以比传统的等离子体传感器窄得多，更容易实现高品质因子和高灵敏度、高品质因数。
[0020]2、透射谱中产生窄线宽的三个Fano共振峰便于检测和测量，可以同时提供多个检测点。
[0021]3、超结构使用全介质材料，与CMOS工艺兼容，制造成本低，有望实现高性能、小型化和高集成度光子器件。
[0022]4、本专利技术所述的折射率传感器可应用到气体、液体及生物传感等相关领域，能为行业实验测量带来极大的便利。
附图说明
[0023]图1为本专利技术的结构示意图；
[0024]图2为本专利技术的剖面结构示意图；
[0025]图3为本专利技术的具体实施例中在第一个Fano共振(P1)处不同待测介质折射率下的该共振模式的透射曲线；
[0026]图4为本专利技术的具体实施例中在第二个Fano共振(P2)处不同待测介质折射率下的该共振模式的透射曲线；
[0027]图5为本专利技术的具体实施例中在第三个Fano共振(P3)处不同待测介质折射率下的该共振模式的透射曲线；
[0028]图6为本专利技术的制作流程图。
具体实施方式
[0029]如图1
‑
2所示，本专利技术所提供的基于高折射率差超结构的光学传感器，具体是由自下而上依次层叠的介质基底2和光栅单元1构成的。其中，光栅单元的材料为Si，介质基底的材料为SiO2，折射率分别为nsi＝3.45和nsio2＝1.48。其中光栅单元在y方向被认为是无限的，在x方向是周期性的。在本专利技术的具体实施例中，光栅单元的周期P为760nm，每个周期中各个光栅条的宽度W均为125nm，光栅条的厚度tg为220nm，介质基底的厚度为2um。两个光栅条之间的间距为d＝50nm，且上述本专利技术的实施例的工作波长在880nm
–
980nm之间。
[0030]如图6所示，本专利技术提供的一种基于高折射率差超结构的光学传感器的制作方法
包括：
[0031]步骤一：使用去离子水溶液对二氧化硅基底进行冲洗去除污染物；
[0032]步骤二：通过使用低压化学气相沉积方法，将硅薄膜沉积在二氧化硅基底；
[0033]步骤三：使用光刻胶均匀旋涂到硅薄膜上并烘烤；
[0034]步骤四：通过电子束曝光技术投影图形，照射需要刻蚀的区域，相应的非矩形区域不被电子束曝光；
[0035]步骤五：对电子束曝光后的相应位置残留的光刻胶，进行显影处理，浸入无机弱碱性水溶液中，经过显影液浸泡后需要进行高温烘烤，让没有电子束曝光区域的胶实现硬化进而具有抗蚀性；
[0036]步骤六：采用电感耦合等离子体刻蚀，得到需要的光栅结构；
[0037]步骤七：去除光刻胶，使用去等离子水清洗，得到本专利技术的光学传感器。
[0038]本专利技术基于硅平面
‑
二氧化硅基地组成，具有易实现、尺寸小、器件易集成的特点，能够实现高性能、小型化和高集成度光子器件。采用高折射率的全介质材料，能够避免金属材料引起的欧姆损耗，有利于实现高灵敏度，同时还能够将检测波长范围扩展至近红外波段。
[0039]如图3
‑
5所示，通过本专利技术的基于高折射率差超结构的光学传感器本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于高折射率差超结构的光学传感器，其特征在于，包括介质基底和超结构，超结构为全介质材料构成的光栅单元，所述的光栅单元在介质基底上等间距分布，并在X方向周期性排列。2.根据权利要求1所述的基于高折射率差超结构的光学传感器，其特征还在于，光栅采用材料Si，厚度为220nm，衬底采用材料SiO2，厚度为2um，其中，Si对应的折射率为3.45，SiO2对应的折射率为1.48。3.根据权利要求2所述的基于高折射率差超结构的光学传感器，其特征还在于，光栅单元的周期为760nm，每个周期中各个光栅条的宽度均为125nm，光栅条的厚度为220nm，相邻光栅条之间的间距为50nm。4.根据权利要求3所述的基于高折射率差超结构的光学传感器，其特征还在于，本发明在880nm
...

【专利技术属性】
技术研发人员：房文敬，毕丽平，范鑫烨，牛慧娟，白成林，张霞，杨立山，
申请(专利权)人：聊城大学，
类型：发明
国别省市：