[發明專利]一種涂覆TiO2薄膜的光波導型微環諧振腔濕度傳感器的制備方法

在審

• 申請號: 201810127881.1
• 申請日: 2018-02-08
• 公開（公告）號: CN108469416A
• 公開（公告）日: 2018-08-31
• 發明（設計）人: 閆樹斌;王一飛;張勐;王夢夢;趙學峰;張彥軍;薛晨陽;張文棟
• 申請（專利權）人: 中北大學
• 主分類號: G01N21/25
• 分類號: G01N21/25
• 代理公司: 太原科衛專利事務所(普通合伙) 14100
• 代理人: 朱源

本發明屬于光學領域和微納系統領域，具體為一種涂覆TiO₂薄膜的光波導型微環諧振腔濕度傳感器的制備方法。一種TiO₂光波導型微環諧振腔濕度傳感器：包括在波導結構上對環形諧振腔，直波導和輸入輸出光柵的光刻，以及對TiO₂濕敏薄膜的涂覆。利用在SOI波導上制備的微環諧振腔所具有的獨特的回廊模效應，實現光波在微環中發生諧振，利用光譜儀可觀測到穩定的諧振現象，當外界相對濕度發生變化時，濕敏薄膜吸收水分，使諧振腔折射率發生變化，從而使光譜儀上觀測到的輸出譜線發生波長漂移，從而完成濕度的測量。本發明較一般的濕度傳感器相比，具有制作簡單，成本低，體積小，反應時間短，靈敏度高，并且不易受電磁干擾的特點，因此，具有極高的應用價值。

技術領域

本發明屬于光學領域和微納系統領域，具體為一種涂覆TiO₂薄膜的光波導型微環諧振腔濕度傳感器的制備方法。

背景技術

濕度作為較難檢測而又特別重要的環境參數之一，在氣象預報、環境檢測、農業生產、半導體器件加工、食品儲存、紡織、發電、航空航天、機車艦船等方面都有著重要的應用。傳統的濕度傳感器主要有電容、電阻、聲表面波等類型，這些傳感器存在體積大、響應時間長、靈敏度低、易受電磁干擾、需要濕敏涂覆等缺點。近年來，人們對傳統濕度傳感器微型化和集成度的要求越來越高。

光學微諧振腔擁有獨特的光學傳輸模式—回音壁模式，即激光束耦合進入光學微腔內以后被約束在腔內，沿赤道上面的大圓不斷繞行并在表面不斷地進行全反射，從而形成諧振，同時光學微腔具有較高的品質因數和較小的腔模體積為探索高靈敏度傳感器提供了可能，因此，光學微型濕度傳感器的研究成為新熱點。

發明內容

針對目前傳統濕度傳感器存在的體積大，響應時間長，靈敏度低，易受電磁干擾，無法適應極端惡劣的環境的情況。本發明提出一種涂覆TiO₂薄膜的光波導型微環諧振腔濕度傳感器的制備方法。

本發明是采用如下的技術方案實現的：一種涂覆TiO₂薄膜的光波導型微環諧振腔濕度傳感器的制備方法,包括以下步驟：

第一步：SOI基片清洗；

第二步：勻膠，在清洗后的SOI基片頂層表面勻一層光刻膠；

第三步：采用電子束曝光系統對SOI基片頂層表面上的光刻膠進行曝光，并進行顯影、定影處理，在光刻膠層上留下直波導狀和微環諧振腔狀的膠層，以及直波導狀膠層兩側的光柵結構膠層；

第四步：ICP深硅刻蝕，完成對SOI基片頂層表面Si的刻蝕，膠層下方的Si得到保留；

第五步：將完成腐蝕的SOI基片放入丙酮溶液中進行清洗去膠處理，并用去離子水清洗，氮氣吹干，得到光波導、微環諧振腔（微環諧振腔與光波導耦合）和光柵結構；

第六步：在加工得到的微環諧振腔和直波導的表層上，涂覆一層用TiO₂制成的濕敏薄膜，并最終完成SOI硅基光學微環諧振腔濕度傳感器的制備。

該濕度傳感器基本工作原理為：激光通過光纖傳輸，通過光柵耦合入直波導中，進入波導中的光會在微環諧振腔中發生耦合，此時直波導的另一端連接光柵，將光信號輸出傳送到光譜儀上，由于微環諧振腔獨特的回音壁效應，可以在光譜儀上觀測到穩定的諧振譜線，當大氣中的相對濕度發生變化時，涂覆在微環諧振腔表面的TiO₂薄膜開始吸水，從而導致耦合區域的折射率發生改變，導致微環諧振腔的光學諧振參數發生變化，最終使得在光譜儀上的譜線發生漂移，通過相應的計算即可完成對濕度的測量。