[發(fā)明專利]氣體傳感器及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201811606056.6
• 申請(qǐng)日: 2018-12-26
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN109709069B
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-10-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 何玉銘;韓偉華;李兆峰;顏偉;王曉東;楊富華
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所
• 主分類號(hào): G01N21/41
• 分類號(hào): G01N21/41
• 代理公司: 中科專利商標(biāo)代理有限責(zé)任公司 11021
• 代理人: 任巖

1.一種氣體傳感器，其特征在于，包括：

SOI基片，包含底層硅、埋氧層和頂層硅，其中，所述頂層硅上制作有脊形光波導(dǎo)芯區(qū)結(jié)構(gòu)，該脊形光波導(dǎo)芯區(qū)結(jié)構(gòu)包括：依次連接的模斑轉(zhuǎn)換器、直波導(dǎo)和布拉格反射光柵，以及一微環(huán)諧振腔，該微環(huán)諧振腔位于所述模斑轉(zhuǎn)換器、直波導(dǎo)和布拉格反射光柵形成的直線一側(cè)，與直波導(dǎo)位置對(duì)應(yīng)且耦合連接，可與所述直波導(dǎo)進(jìn)行光諧振耦合；

氣體傳感上包層，位于一諧振耦合區(qū)域，該諧振耦合區(qū)域覆蓋于所述直波導(dǎo)與微環(huán)諧振腔上方，所述氣體傳感上包層的材料為氧化鋅納米線；以及

絕緣上包層，覆蓋于所述SOI基片上方除諧振耦合區(qū)域之外的區(qū)域。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體傳感器，其中，

所述SOI基片中埋氧層的厚度大于或等于2μm：和/或，

所述絕緣上包層的材料為B、P或B、Ge摻雜的二氧化硅；和/或，

該氣體傳感器的尺寸為微米級(jí)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體傳感器，其中，所述氧化鋅納米線是利用陰影效應(yīng)，通過(guò)電子束傾斜蒸發(fā)的工藝制備得到的。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體傳感器，其中，所述布拉格反射光柵通過(guò)周期性改變波導(dǎo)寬度來(lái)實(shí)現(xiàn)，其反射中心波長(zhǎng)位于1.55μm處，反射帶寬至少大于所述微環(huán)諧振腔的自由譜范圍。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的氣體傳感器，其中，所述布拉格反射光柵右側(cè)端面鍍有一層增反膜。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體傳感器，其中，所述模斑轉(zhuǎn)換器為一寬度漸變?cè)龃蟮牟▽?dǎo)，光入射端為窄波導(dǎo)端，與光纖相連，光出射端為寬波導(dǎo)端，與直波導(dǎo)尺寸匹配，通過(guò)寬度漸變實(shí)現(xiàn)直波導(dǎo)與光纖的高效耦合。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體傳感器，其中，所述直波導(dǎo)與所述微環(huán)諧振腔進(jìn)行耦合連接處的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)為直波導(dǎo)或者彎曲波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。

8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的氣體傳感器，其中，光通過(guò)所述模斑轉(zhuǎn)換器耦合進(jìn)入所述直波導(dǎo)中，并在所述微環(huán)諧振腔中發(fā)生諧振，經(jīng)過(guò)所述微環(huán)諧振腔諧振后輸出的光入射至所述布拉格反射光柵，經(jīng)所述布拉格反射光柵反射后的光再次通過(guò)直波導(dǎo)耦合進(jìn)入所述微環(huán)諧振腔并輸出，所述氣體傳感上包層吸附待測(cè)氣體之后，折射率發(fā)生變化，使得所述微環(huán)諧振腔的諧振頻率發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)傳感。

9.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的氣體傳感器，其特征在于，所述氣體傳感器為一氧化碳?xì)怏w傳感器。

10.一種權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的氣體傳感器的制備方法，其特征在于，包括：

在SOI基片的頂層硅上制作脊形光波導(dǎo)芯區(qū)結(jié)構(gòu)，該脊形光波導(dǎo)芯區(qū)結(jié)構(gòu)包括：依次連接的模斑轉(zhuǎn)換器、直波導(dǎo)和布拉格反射光柵，以及一微環(huán)諧振腔，該微環(huán)諧振腔位于所述模斑轉(zhuǎn)換器、直波導(dǎo)和布拉格反射光柵形成的直線一側(cè)，與直波導(dǎo)位置對(duì)應(yīng)，可與所述直波導(dǎo)進(jìn)行光諧振耦合；

在SOI基片上沉積絕緣上包層材料，并利用圖形化工藝在絕緣上包層材料上制作諧振耦合區(qū)域，該諧振耦合區(qū)域覆蓋于所述直波導(dǎo)與微環(huán)諧振腔上方，并刻蝕掉該諧振耦合區(qū)域的絕緣上包層材料；以及

在諧振耦合區(qū)域內(nèi)制作氣體傳感上包層，所述氣體傳感上包層的材料為氧化鋅納米線。

11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的制備方法，其中，

該氧化鋅納米線是利用陰影效應(yīng)，通過(guò)電子束傾斜蒸發(fā)的工藝制備得到的；和/或，

所述布拉格反射光柵的反射中心波長(zhǎng)位于1.55μm處，反射帶寬至少大于所述微環(huán)諧振腔的自由譜范圍。