CN102183489A

CN102183489A - 微量湿度和有机气体集成光波导芯片传感器及制备方法

Info

Publication number: CN102183489A
Application number: CN2010106028360A
Authority: CN
Inventors: 任一涛
Original assignee: Yunnan University YNU
Current assignee: Yunnan University YNU
Priority date: 2010-12-24
Filing date: 2010-12-24
Publication date: 2011-09-14
Anticipated expiration: 2030-12-24
Also published as: CN102183489B

Abstract

微量湿度和有机气体集成光波导芯片传感器及制备方法，属于测量湿度和气体浓度的传感器。本发明传感器由平面光波导A和E按EAEA～EAEAS排序交替覆盖在A上或衬底S上组成，表层E为感应层，A和E折射率分别为1.45、1.465～1.495或进一步为1.465～1.48。制备是用PECVD方法使掺杂SiO₂的两个平面光波导E夹在纯SiO₂平面光波导A之间构成玻璃薄膜芯片。本发明传感器厚度仅约15μm，灵敏度达ppm量级，体积小、高稳定、准直简便，成本低、工业化生产，可用于环境、医疗及工业领域的实时监测。

Description

微量湿度和有机气体集成光波导芯片传感器及制备方法

技术领域

本发明属于测量湿度和气体浓度的传感器。

背景技术

应用光电学方法检测及测量低湿度和低浓度有机气体面临诸多技术困难，尤其是检测及测量百万分比数量级的低湿度和低浓度。光波导是通过光的全反射效应把光束限制在一定区域内传播的光学器件结构，分为平面光波导和条形光波导，前者基本结构为三层平面薄膜，中间薄膜的折射率大于上下两层薄膜，从而在中间形成波导层；后者要求具有光波谐振腔模式和波导结构。“一种光波导传感器及其制作方法”(中国发明专利申请号201010171743.7)，其光波导基片介质为耐高温光学材料，在光波导基片上有线状光波导并在其表面设置光栅，光波导限制为单模的或少数几个模，使得光栅谐振模式与其对应。光波导材料的折射率随环境温度变化而改变光波导光栅的周期，通过检测光栅的谐波波长变化则可测量温度。本申请的目的是提出测量温度的传感器，而制备工艺需要用耐高温且对温度敏感的光学材料以及附加光栅。与本发明目的相关的文献中，“一种基于谐振干涉复合结构和游标效应的光波导传感器”(中国发明专利申请号200910153230.0)，包含输入波导、四个分支波导、输出波导等。光从输入波导进入分支波导、与两侧对称设置的传感谐振腔和参照谐振腔耦合，传感谐振腔与参照谐振腔光学长度不同，谐振频率不完全重合，而传感谐振腔的部分波导与被测物质接触，引起谐振模式折射率变化，从而谐振谱移动产生游标效应。将此移动放大并转换为相邻两个谐振峰的功率比变化而检测被测物质。除上述外，中国发明专利还有申请号201010171743.7、200910154601.7，200920200575.2等文献。但该类光波导传感器为金属构件，至少需要一个谐振腔，且光路十分复杂，准确的谐振频率必需精确的制作工艺。

通常的，光学杨氏干涉条纹强度分布和干涉条纹间距为：

Δy = \frac{D}{d} λ

式中，I_total是观察屏上干涉条纹的光强度，I₀是入射光的强度，k是波数，

是由两个平面光波导中出射的光到达观察屏上某点之间的位相差。

发明内容

为了检测和测量微量湿度和有机气体的浓度，本发明目的是基于光学杨氏干涉原理，提出一种制备工艺简单、低成本、可实时监测百万分比数量级的微量湿度和有机气体浓度的集成光波导芯片传感器。

另一目的是，提出一种制备该集成光波导芯片传感器的方法。

本发明目的通过以下方式实现：

微量湿度和有机气体集成干涉光波导芯片传感器：

该传感器由低折射率平面光波导A和高折射率平面光波导E按EAEA排序交替覆盖在A上或按EAEAS排序交替覆盖在衬底S上的平面玻璃膜组成，其中，表层E为感应层，被测气体分子通过感应层进入传感器，而低折射率平面光波导A折射率为1.458～1.462，高折射率平面光波导E折射率为1.465～1.495。

所述传感器的低折射率平面光波导A折射率为1.45，高折射率平面光波导E的折射率为1.465～1.495。

所述传感器的膜应力为50～80MPa。

一种制备上述集成光波导芯片传感器的方法，包括以下步骤：

(1)将SiH₄和N₂O混合气体输入PECVD机的反应室，反应后得到纯SiO₂，折射率为1.455～1.464，作为低折射率平面光波导S或/和A；

(2)在上述混合气体中掺杂锗烷组成锗烷混合气体输入PECVD机的反应室，锗烷浓度占混合气体浓度的9％；同时输入氨气，氨气为混合气体浓度的5％～12％，反应后得到掺杂锗的SiO₂材料，折射率为1.465～1.495，作为高折射率平面光波导E；

(3)返回步骤(1)制备低折射率平面光波导A；

(4)返回步骤(2)制备高折射率平面光波导E；或者，用聚甲基丙烯酸甲酯或聚碳酸酯之一通过离心甩胶法制备高折射率平面光波导E；

上述气体的反应过程中反应室温度为300℃、压强为400mTorr，反应后，经1100℃退火炉缓慢退火。使制成的传感器每层膜厚为2.5～3.0μm。

所述的制备方法是在反应过程中进入反应室的锗烷气体流速为300mL/min，氨气流速为150～400mL/min。

所述的制备方法是在反应室中反应时间为21～25min，以确定淀积出的膜厚。

以上PECVD是英文Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition等离子增强型化学气相沉积的缩写。

本发明采用半导体工业中成熟的等离子增强型化学气相沉积及热氧化等薄膜工艺制作芯片传感器，交替覆盖的玻璃薄膜组成平面光波导集成芯片，其中通过掺杂SiO₂获得的两个高折射率的平面光波导E夹在纯SiO₂材料的低折射率的平面光波导A之间，成为相当于扬氏干涉仪的两条通光狭缝；入射光分别通过两个高折射率的平面光波导分成两路后再在出射端相遇而相互干涉，从而形成稳定分布的干涉直条纹。由于光学干涉方法的高灵敏性，在测量时，水汽或有机气体进入传感器的表面感应层，引起约10^-3-10^-5量级的传感器光波导薄膜的折射率变化，传感器干涉条纹移动，导致微量气体进入的效应放大。并与校准的已知微量湿度或气体比较判读传感器干涉条纹移动的数量及方向，便可以测出灵敏度达ppm量级的微量湿度或有机气体变化，以及气体分子进入传感器后表面感应层折射率是增加还是减少，获得ppm量级的高灵敏度和准确性测量结果，达到其它方法无法实现的测量灵敏度。在此基础上结合有机材料技术和生物表面技术等技术，并通过CCD和计算机技术，实现干涉条纹的自动识别与判读，开发高灵敏智能定向识别传感器。

本发明相对于其它利用光波波导或附加微光学结构的宏观光波导方法，本发明传感器是微观的芯片，芯片整个厚度约15微米，灵敏度达ppm量级，具有体积小、精度高、稳定性高、准直简便，成本低、工艺简单、批量生产、系统简单灵活等优点。能够广泛应用于环境和医疗卫生实时监测，以及检测纺织、化工、半导体等工业领域的微量湿度和有机气体浓度。

附图说明

图1是本发明集成光波导芯片传感器及工作原理示意图。图中，1：低折射率平面光波导E层膜，2：低折射率平面光波导A层膜，3：S层膜为硅片衬底，4：入射光束，5：干涉条纹图片。

图2是本发明集成光波导芯片传感器实验测试的灵敏度曲线图。

具体实施方式

实施例1：

用PECVD法将SiH₄和N₂O混合气体输入PECVD机的反应室，反应后得到纯SiO₂低折射率平面光波导A层膜；然后，以A层膜为衬底A，在上述混合气体中掺杂锗组成锗烷气体输入PECVD机的反应室，锗烷气体占混合气体浓度的9％，同时输入氨气(NH₄)，氨气为混合气体浓度5％～12％，反应后得到掺杂锗的SiO₂高折射率平面光波导E层膜，按EAEA排序，再顺序覆盖A层膜和E层膜，构成由4层平面玻璃膜叠加组成的芯片。在上述反应过程中，反应室温度为300℃、压强为400mTorr，反应时间21min。反应完成后送1100℃退火炉缓慢退火，用棱镜耦合测试仪在632.8nm波长下测试每层的膜厚和折射率，使制成的芯片每层膜厚为2.5μm，A层膜的折射率为1.455，E层膜的折射率为1.465。

实施例2：

用PECVD法将SiH₄和N₂O混合气体输入PECVD机的反应室，反应后得到纯SiO₂低折射率平面光波导S层膜；以S层膜为衬底，将以上混合气体输入PECVD机的反应室，反应后得到纯SiO₂低折射率平面光波导A层膜；然后，在上述混合气体中掺杂锗组成锗烷气体输入PECVD机的反应室，锗烷气体占混合气体浓度的9％，同时输入氨气(NH₄)，氨气为混合气体浓度5％～12％，反应后得到掺杂锗的SiO₂高折射率平面光波导E层膜，按EAEAS排序，再顺序覆盖A层膜和E层膜，构成由5层平面玻璃膜叠加组成的芯片。在上述反应过程中，反应室温度为300℃、压强为400mTorr，进入反应室的锗烷气体流速为300mL/min，氨气流速为150mL/min，反应时间23min。反应完成后送入1100℃退火炉缓慢退火后，用棱镜耦合测试仪在632.8nm波长下测试每层的膜厚和折射率，使制成的芯片每层膜厚为2.7μm，A层膜的折射率为1.45，E层膜的折射率为1.48。

实施例3：

用PECVD法将SiH₄和N₂O混合气体输入PECVD机的反应室，反应后得到纯SiO₂低折射率平面光波导S层膜；以S层膜为衬底，将以上混合气体输入PECVD机的反应室，反应后得到纯SiO₂低折射率平面光波导A层膜；然后，然后，以A层膜为衬底A，在上述混合气体中掺杂锗组成锗烷气体输入PECVD机的反应室，锗为混合气体浓度的9％，同时输入氨气(NH₄)，氨气为混合气体浓度5％～12％，反应后得到掺杂锗的SiO₂高折射率平面光波导E层膜，按EAEAS排序，再顺序覆盖A层膜和E层膜，构成由5层平面玻璃膜叠加组成的芯片。在上述反应过程中，反应室温度为300℃、压强为400mTorr，进入反应室的锗烷气体流速为300mL/min，氨气流速为400mL/min，反应时间23min。反应完成后送入1100℃退火炉缓慢退火后，用棱镜耦合测试仪在632.8nm波长下测试每层的膜厚和折射率，使制成的芯片每层膜厚为3.0μm，A层膜的折射率为1.452，E层膜的折射率为1.495。

实施例4：

用PECVD法将SiH₄和N₂O混合气体输入PECVD机的反应室，反应后得到纯SiO₂低折射率平面光波导A层膜；然后，以A层膜为衬底A，在上述混合气体中掺杂锗组成锗烷气体输入PECVD机的反应室，锗为混合气体浓度的9％，同时输入氨气(NH₄)，氨气为混合气体浓度5％～12％，反应后得到掺杂锗的SiO₂高折射率平面光波导E层膜，按EAEA排序，再覆盖A层膜，而覆盖在A层膜上的E层膜用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚碳酸酯(polycarbonate)通过离心甩胶、干燥一层层叠加的方法用聚酯材料分层制作，构成由4层平面玻璃膜叠加组成的芯片。在上述反应过程中，反应室温度为300℃、压强为400mTorr，进入反应室的锗烷气体流速为300mL/min，氨气流速为150mL/min，反应时间25min，反应完成后送入1100℃退火炉退火后，用棱镜耦合测试仪在632.8nm波长下测试每层的膜厚和折射率，使制成的芯片每层膜厚为2.7μm，A层膜的折射率为1.464，E层膜的折射率为1.48。

通过甩胶制作的传感器表面感应层E薄膜各层膜的厚度及均匀性不易控制，芯片与设计要求偏差较大。

以上实施例的集成芯片厚度约15μm。膜应力为50～80Mpa。

(二)本发明集成光波导传感器芯片检测微量湿度或有机气体及结果

首先打开激光器并使激光照射到集成光波导传感器上，获得稳定的干涉条纹分布，标定干涉条纹，校准得到具体的微量湿度和有机气体的百万分比浓度。检测时，传感器芯片暴露于微量湿度或有机气体之中，观察并测量水汽或有机气体进入传感器后引起的干涉条纹的移动量，从而计算出在相应百万分比浓度时干涉条纹的位相改变大小。下表为空气湿度和酒精3300～160ppm实验测试结果数据：

从测试数据看出：本发明传感器实现了对百万分比(ppm)量级微量水汽和有机化合物气体的测量。在相同浓度下比较灵敏度，有机化合物气体高于湿度气体，原因是灵敏度取决于进入感应层的气体量及感应层的气体吸附量。

Claims

1.微量湿度和有机气体集成干涉光波导芯片传感器，其特征是该传感器由低折射率平面光波导A和高折射率平面光波导E按EAEA排序交替覆盖在A上或按EAEAS排序交替覆盖在衬底S上的平面玻璃膜组成，其中，表层E为感应层，被测气体分子通过感应层进入传感器，而低折射率平面光波导A折射率为1.455～1.464，高折射率平面光波导E折射率为1.465～1.495。

2.根据权利要求1所述的传感器，其特征是低折射率平面光波导A折射率为1.45，高折射率平面光波导E的折射率为1.465～1.495。

3.根据权利要求1或2所述的传感器，其特征是该传感器的膜应力为50～80MPa。

4.一种制备如权利要求1～3所述的集成光波导芯片传感器的方法，包括以下步骤：

(3)返回步骤(1)制备低折射率平面光波导A；

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征是在反应中进入反应室的锗烷气体流速为300mL/min，氨气流速为150～400mL/min。

6.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征是在反应室中反应时间为21～25min以确定淀积出的膜厚。