[發(fā)明專(zhuān)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(zhuān)利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所
• 主分類(lèi)號(hào): G01N21/41
• 分類(lèi)號(hào): G01N21/41
• 代理公司: 中科專(zhuān)利商標(biāo)代理有限責(zé)任公司 11021
• 代理人: 任巖

本發(fā)明公開(kāi)了一種氣體傳感器及其制備方法，該氣體傳感器包括：SOI基片，包含底層硅、埋氧層和頂層硅，其中，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)諧振腔位于模斑轉(zhuǎn)換器、直波導(dǎo)和布拉格反射光柵形成的直線(xiàn)一側(cè)，與直波導(dǎo)位置對(duì)應(yīng)且耦合連接，可與直波導(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)域覆蓋于直波導(dǎo)與微環(huán)諧振腔上方；以及絕緣上包層，覆蓋于SOI基片上方除諧振耦合區(qū)域之外的區(qū)域。該氣體傳感器具有微型化、高靈敏度、響應(yīng)速度快、不易受電磁干擾、制備工藝與CMOS工藝兼容、以及易于制備和集成的綜合性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本公開(kāi)屬于光學(xué)領(lǐng)域和微納系統(tǒng)領(lǐng)域，涉及一種氣體傳感器及其制備方法，特別地，涉及一種一氧化碳傳感器及其制備方法。

背景技術(shù)

一氧化碳是一種無(wú)色、無(wú)味不易覺(jué)察的有毒氣體，在人體血液中血紅蛋白與一氧化碳的結(jié)合能力比氧氣的結(jié)合能力高200多倍。人體一旦長(zhǎng)時(shí)間接觸到過(guò)量的一氧化碳?xì)怏w往往難以自救。因此，借助高靈敏度的傳感器對(duì)一氧化碳實(shí)時(shí)檢測(cè)顯得非常重要。

傳統(tǒng)的一氧化碳?xì)怏w傳感器主要有電容、電阻式和表面聲波式，這些傳感器都存在體積大、成本高、響應(yīng)速率慢、靈敏度低、易受外界電磁場(chǎng)干擾等缺點(diǎn)。近年來(lái)，對(duì)于小型化、高精度、低成本的一氧化碳?xì)怏w傳感器的市場(chǎng)需求越來(lái)越高。

現(xiàn)有的氣體傳感器存在品質(zhì)因數(shù)和傳感器尺寸大小之間的矛盾，品質(zhì)因數(shù)較高的傳感器對(duì)應(yīng)的尺寸較大，而體積小的傳感器存在靈敏度較低、易受外界電磁場(chǎng)干擾、或者響應(yīng)速度慢等問(wèn)題。

因此，有必要提出一種能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)微型化、高靈敏度、響應(yīng)速度快且不易受外界電磁場(chǎng)干擾的氣體傳感器件，保證微型化、高靈敏度和高穩(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容

(一)要解決的技術(shù)問(wèn)題

本公開(kāi)提供了一種氣體傳感器及其制備方法，以至少部分解決以上所提出的技術(shù)問(wèn)題。

(二)技術(shù)方案

根據(jù)本公開(kāi)的一個(gè)方面，提供了一種氣體傳感器，包括：SOI基片，包含底層硅、埋氧層和頂層硅，其中，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)諧振腔位于模斑轉(zhuǎn)換器、直波導(dǎo)和布拉格反射光柵形成的直線(xiàn)一側(cè)，與直波導(dǎo)位置對(duì)應(yīng)且耦合連接，可與直波導(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)域覆蓋于直波導(dǎo)與微環(huán)諧振腔上方；以及絕緣上包層，覆蓋于SOI基片上方除諧振耦合區(qū)域之外的區(qū)域。

在本公開(kāi)的一些實(shí)施例中，SOI基片中埋氧層的厚度大于或等于2μm：和/或，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)。

在本公開(kāi)的一些實(shí)施例中，氣體傳感上包層的材料為氧化鋅納米線(xiàn)，該氧化鋅納米線(xiàn)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。

在本公開(kāi)的一些實(shí)施例中，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，反射帶寬至少大于微環(huán)諧振腔的自由譜范圍。

在本公開(kāi)的一些實(shí)施例中，布拉格反射光柵右側(cè)端面鍍有一層增反膜。

在本公開(kāi)的一些實(shí)施例中，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。

在本公開(kāi)的一些實(shí)施例中，直波導(dǎo)與微環(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)，以減小耦合失配因子，降低倏逝波耦合器的插入損耗。