CN103344606A - 一种基于锗镓碲硫卤玻璃薄膜的探测系统及其搭建方法 - Google Patents

Abstract

一种基于锗镓碲硫卤玻璃薄膜的探测系统及其搭建方法，属于探测系统技术领域。以可调谐量子级联激光器作为光源、微纳波导结构的锗镓碲硫卤玻璃薄膜作为传感器、碲镉汞探测器作为接收器分析中红外吸收光谱、中红外光纤作为信号传输介质。本发明基于锗镓碲硫卤玻璃薄膜的探测系统结构简单，制作工艺简单，成本低廉，在中红外波段探测范围宽，探测品种多，探测准确性高。

Description

一种基于锗镓碲硫卤玻璃薄膜的探测系统及其搭建方法

技术领域

本发明涉及一种基于锗镓碲硫卤玻璃薄膜的探测系统及其搭建方法，属于探测系统技术领域。

背景技术

中红外“分子指纹”区（波长在2.5-25μm范围内）被认为是化学物质传感与检测的非常重要的光谱区。在此光谱范围内，所有重要的气体分子均具有强烈的窄带吸收线，该吸收线与分子的转动与振动相对应。同时，大的有机分子也在指纹区吸收光，对这段光谱的探测也可识别其化学组分。理论上，通过测量样品对于指纹区大量不同波长的光波吸收，所有化合物的成分以及各化合物的含量均可被测试出来。那么，中红外光谱范围对于加工过程监控、危险物质的探测、环境的分析以及生物医学领域都是非常重要的，可发现与追踪大部分有毒有害或非法的材料，例如：烃类化合物、杀虫剂、毒品、爆炸物以及一氧化碳和甲烷等危险气体。波导结构的锗镓碲硫卤玻璃薄膜应用于一次性的化学传感器上，该传感器联结基于量子级联激光器的新型可调谐的激光光源，同时连接基于量子井带间与带内跃迁的窄禁带半导体材料碲镉汞(HgCdTe)的新型探测器，可对毒品、生物战剂、爆炸物和空气与水中的污染物进行探测，造价便宜，可测试大范围材料种类，便携式探测器正是现阶段迫切需要的。

发明内容

本发明的目的是提供一种可探测中红外分子指纹区光谱、基于锗镓碲硫卤玻璃微纳波导结构中红外传感器的探测系统。

本发明的一种基于锗镓碲硫卤玻璃薄膜的探测系统，它是以可调谐量子级联激光器作为光源、微纳波导结构的锗镓碲硫卤玻璃薄膜作为传感器、碲镉汞探测器作为接收器分析中红外吸收光谱、以中红外光纤作为信号传输介质，其中锗镓碲玻璃薄膜波导结构两头大中间细，便于光纤耦合；锗镓碲玻璃薄膜厚度优选1～10μm，锗镓碲玻璃薄膜波导结构中间细的部分宽度优选350～700nm。

本发明的基于锗镓碲硫卤玻璃薄膜的探测系统的搭建包括以下步骤：

1）采用熔融淬法，经过石英安瓿的预处理、起始原料的称量、真空封接、熔制、退火、切割、研磨和抛光过程，制备的高纯（不低于99%）锗镓碲块体硫系玻璃为热蒸发源；

2）用去离子水、酒精，反复清洗硅衬底三遍，用氮气吹干；抽真空至10^-6Torr，利用热蒸镀法在直径为100mm硅衬底上制备出厚度1～10μm的锗镓碲薄膜；

3）在直径为100mm硅片上制备与待制备的锗镓碲玻璃薄膜波导结构相符的微纳波导结构模板；

此为现有技术，一般为利用热氧化方法在直径为100mm硅片上生长1～10μm厚的二氧化硅薄膜，再利用真空热蒸发的方法在二氧化硅表面沉积500nm厚的MgO薄膜，经过光刻、腐蚀后MgO薄膜的形状与待制备的锗镓碲玻璃薄膜波导结构的形状相同，经ICP等离子体刻蚀，形成二氧化硅薄膜波导结构模板；

4）利用步骤3）的二氧化硅薄膜波导结构模板采用气压印法和在步骤2）的锗镓碲硫卤玻璃薄膜上制备厚度1～10μm，中间细部分的宽度350～700nm微纳波导结构图案；

5）依次在光学平台上搭建可调谐量子级联激光器、高频斩波器、单色仪、透镜、中红外光纤、波导结构的硫卤玻璃薄膜传感器、偏振器、镉碲汞探测器、计算机系统，保证光路畅通，各个节点耦合。

步骤4）制备波导结构的设备和方法如下：采用的装置为热膜气压印装置，包括金属外罩和金属内罩，金属外罩由分别独立的外罩上盖和外罩下底座组成，外罩下底座是底面开孔的桶状结构，金属内罩在金属外罩底座的空腔内，金属内罩为上端开口、下端与外罩下底座密封连接的空腔结构，外罩下底座的开孔与金属内罩的下端口一样，外罩上盖设有通气管（S1）；金属内罩的空腔内设有加热板，加热板与金属内罩密封焊接在一起，在金属内罩的侧面设有通气管（S2），通气管（S2）位于加热板之上，金属内罩的通气管（S2）从金属内罩伸出，延伸至外罩外部，金属内罩的上端口盖有独立的具有微纳级波导结构的模板（A1），加热板与金属内罩上端口（A3）垂直距离为5mm，金属外罩和金属内罩均为圆筒状；加热板是金属管与金属内罩焊接而成的传热金属板，对硫系玻璃薄膜加热，同时还起到密封的作用。

使用方法，包括以下步骤：

（1）按照所需的波导结构形状、宽度和深度，制备微纳级波导结构模板A1；

(2）将步骤（1）制备的微纳级波导结构模板（A1）反扣在硫系玻璃薄膜（A2）上，将微纳级波导结构模板（A1）和硫系玻璃薄膜（A2）水平放置在金属内罩上端口（A3）上，使得微纳级波导结构模板（A1）在硫系玻璃薄膜（A2）的上方，在微纳级波导结构模板（A1）上方压上一固定器，盖上金属外罩上盖，将硫系玻璃薄膜微纳波导结构的热膜气压印装置分为两个独立空间；

3）通过外罩上盖上通气管（S1）与金属内罩的通气管（S2），利用机械泵同时对两个独立密闭空间抽真空，抽真空过程中保持两个空间真空度相同；对加热板通电，升温至硫系玻璃薄膜软化温度，使薄膜至熔融软化状态；

4）通过外罩上盖的通气管（S1）通气氛，使微纳级波导结构模板（A1）上部空间压强比金属内罩内腔的压强大10²-10⁴Pa，保持压差3-10分钟，完成热模气压印过程；再通过金属内罩的通气管（S2）通气氛至与微纳级波导结构模板上部空间压强一致，打开两根气管连接口，一起通气氛，直至大气压强，降温至室温后，打开金属外罩上盖，取出波导结构硫系玻璃薄膜样品。

本发明具有的有益效果：

本发明分别采用一次性波导结构的锗镓碲硫卤玻璃薄膜传感器，利用中红外光纤联接可调谐量子级联激光器和碲镉汞探测器，可对毒品、生物战剂、爆炸物和空气与水中的污染物进行探测。这种全固态便携式探测系统，搭建简单，一次性造价便宜的传感器不会造成材料交叉污染，尤其是可探测中红外分子指纹区范围大，测量品种几乎不受限制，测量准确，可利用标准完整中红外吸收光谱的探测系统。

附图说明

图1是本发明基于锗镓碲硫卤玻璃薄膜的探测系统及其搭建方法具体光路部件及详细示意图；

图2是本发明锗镓碲硫卤玻璃薄膜的微纳传感器波导结构示意图；

图3硫系玻璃薄膜微纳波导结构的热膜气压印装置结构示意图；

图4硫系玻璃薄膜微纳波导结构的热膜气压印装置的剖面示意图；

（1）电源、（2）可调谐量子级联激光器、（3）高频斩波器、（4）单色仪、（5）透镜、（6）中红外光纤、（7）波导结构的硫卤玻璃薄膜传感器、（8）偏振器、（9）镉碲汞探测器、（10）计算机系统；

S1-金属外罩上盖的通气管，S2-金属内罩的通气管，A1微纳级波导结构的模板，A2-硫系玻璃薄膜，A3-金属内罩空腔上端口。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明，但本发明不限于以下实施例。

一种锗镓碲硫卤玻璃微纳波导结构中红外传感器，如图2所示，在硅衬底上，沉积锗镓碲硫卤玻璃薄膜，气压印成微纳波导结构。基于锗镓碲硫卤玻璃薄膜传感器，联接可调谐量子级联激光器和碲镉汞探测器，搭建全固态宽范围探测系统。

制备波导结构的设备和方法如下：采用的装置为热膜气压印装置，包括金属外罩和金属内罩，金属外罩由分别独立的外罩上盖和外罩下底座组成，外罩下底座是底面开孔的桶状结构，金属内罩在金属外罩底座的空腔内，金属内罩为上端开口、下端与外罩下底座密封连接的空腔结构，外罩下底座的开孔与金属内罩的下端口一样，外罩上盖设有通气管（S1）；金属内罩的空腔内设有加热板，加热板与金属内罩密封焊接在一起，在金属内罩的侧面设有通气管（S2），通气管（S2）位于加热板之上，金属内罩的通气管（S2）从金属内罩伸出，延伸至外罩外部，金属内罩的上端口盖有独立的具有微纳级波导结构的模板（A1），加热板与金属内罩上端口（A3）垂直距离为5mm，金属外罩和金属内罩均为圆筒状；加热板是金属管与金属内罩焊接而成的传热金属板，对硫系玻璃薄膜加热，同时还起到密封的作用。

使用方法，包括以下步骤：

（1）按照所需的波导结构形状、宽度和深度，制备微纳级波导结构模板A1；

（2）将步骤（1）制备的微纳级波导结构模板（A1）反扣在硫系玻璃薄膜（A2）上，将微纳级波导结构模板（A1）和硫系玻璃薄膜（A2）水平放置在金属内罩上端口（A3）上，使得微纳级波导结构模板（A1）在硫系玻璃薄膜（A2）的上方，在微纳级波导结构模板（A1）上方压上一固定器，盖上金属外罩上盖，将硫系玻璃薄膜微纳波导结构的热膜气压印装置分为两个独立空间；

3）通过外罩上盖上通气管（S1）与金属内罩的通气管（S2），利用机械泵同时对两个独立密闭空间抽真空，抽真空过程中保持两个空间真空度相同；对加热板通电，升温至硫系玻璃薄膜软化温度，使薄膜至熔融软化状态；

4）通过外罩上盖的通气管（S1）通气氛，使微纳级波导结构模板（A1）上部空间压强比金属内罩内腔的压强大10²-10⁴Pa，保持压差3-10分钟，完成热模气压印过程；再通过金属内罩的通气管（S2）通气氛至与微纳级波导结构模板上部空间压强一致，打开两根气管连接口，一起通气氛，直至大气压强，降温至室温后，打开金属外罩上盖，取出波导结构硫系玻璃薄膜样品。

实施例1

1）用去离子水将石英玻璃管利用超声波清洗10min，放入王水浸泡15min，再用酒精和去离子水反复漂洗多次。置于400℃以上的马弗炉中加热6小时随炉冷却。用电子天平准确称取总量为5g左右的高纯原料，精确到0.001g，将称量好的原料装入经预处理的石英管内。

2）采用真空分子泵机组，将一端开口的石英管抽真空至10^-1Pa左右。将装入干燥原料的石英安瓶置于油浴锅中，控制温度为90℃，处理1小时左右后管内压力为10^-1Pa，将整个石英管取出，放在氢氧焰上彻底封好。

3）将抽真空并封好的石英玻璃管放入摇摆电炉中混合原料至均匀。熔制完成后，将盛有所熔样品的石英玻璃管置于冰水混合物中淬冷。

4）用去离子水，酒精，反复清洗硅衬底三遍，用氮气吹干。高纯锗镓碲块体玻璃作为热蒸发源，直径为100mm硅片为衬底，真空度为10^-6Torr，靶基距为40cm。镀膜时，50eV，1A氩离子束蒸镀3分钟，薄膜以

速率生长至～1μm左右。

5）利用热氧化方法在直径为100mm硅片上生长1～10μm厚的二氧化硅薄膜，再利用真空热蒸发的方法在二氧化硅表面沉积500nm厚的MgO薄膜，用自转离心旋转法匀胶，将光刻胶滴至MgO薄膜中心，先以500转/分的转速匀胶15秒，再以3000转/分的转速匀胶60秒。保持室温在20℃左右及70%的相对湿度，匀胶后在热板上105℃温度下前烘60秒。光刻机对MgO薄膜进行接触式曝光，曝光时间为60秒。保持室温在20℃左右及70%的相对湿度，在加热板上120℃温度下后烘120秒。

6）采用湿法腐蚀的方法进行掩蔽层MgO薄膜的图形化。采用盐酸(HCl)、氯化铵（NH₄Cl)、双氧水(H₂O₂)的混合溶液进行腐蚀。将掩蔽层薄膜图形化后的硅片放入丙酮溶液中浸泡，去除表面的光刻胶。

7）ICP等离子体刻蚀采用SF6流量为200sccm，主功率为500w，气压为1.6Pa时，刻蚀36min。ICP等离子体刻蚀SiO₂薄膜后，用盐酸溶液去除MgO薄膜，将SiO2层残留的MgO完全腐蚀掉，SiO₂波导结构模板制作完成。

8）将制备好的锗镓碲薄膜放入气压印设备装置的加热盘上，反扣SiO₂波导结构模板在，加热至500℃，加气压2MPa,压制成厚度1μm，宽度365nm，如图3所示波导结构。待取出样品，等待样品冷却后，将红外光纤与该波导结构耦合在一起，放入待测样品环境中。

9）搭建实验光路，将可调谐量子级联激光器（2）、高频斩波器（3）、单色仪（4）、透镜（5）、中红外光纤（6）、波导结构的硫卤玻璃薄膜传感器（7）、偏振器（8）、镉碲汞探测器（9）、计算机系统（10），如图1所示，依次按照顺序搭建，接通电源，根据不同的透镜焦距大小，按顺序和距离固定各器件的位置，保证光路畅通，各个节点耦合良好，单模模式传输。

10）利用接收到的光谱图确定待测样品的吸收峰位置，与标准图谱对照，即可得到测试样品的成分及浓度，测试样品可以是气体或液体。

Claims (4)

1.一种基于锗镓碲硫卤玻璃薄膜的探测系统，其特征在于，是以可调谐量子级联激光器作为光源，微纳波导结构的锗镓碲硫卤玻璃薄膜作为传感器，碲镉汞探测器作为接收器分析中红外吸收光谱，基于锗镓碲硫卤玻璃薄膜的探测系统依次包括可调谐量子级联激光器依次与高频斩波器、单色仪、透镜、中红外光纤、波导结构的硫卤玻璃薄膜传感器、偏振器、镉碲汞探测器、计算机系统，其中锗镓碲玻璃薄膜波导结构两头大中间细。

2.按照权利要求1的一种基于锗镓碲硫卤玻璃薄膜的探测系统，其特征在于，锗镓碲玻璃薄膜厚度优选1～10μm，锗镓碲玻璃薄膜波导结构中间细的部分宽度优选350～700nm。

3.搭建权利要求1所述的一种基于锗镓碲硫卤玻璃薄膜的探测系统，其特征在于，包括以下步骤：

1）采用熔融淬法，经过石英安瓿的预处理、起始原料的称量、真空封接、熔制、退火、切割、研磨和抛光过程，制备不低于99%的高纯锗镓碲块体硫系玻璃为热蒸发源；

2）用去离子水、酒精，反复清洗硅衬底三遍，用氮气吹干；抽真空至10^-6Torr，利用热蒸镀法在直径为100mm硅衬底上制备出厚度1～10μm的锗镓碲薄膜；

3）在直径为100mm硅片上制备与待制备的锗镓碲玻璃薄膜波导结构相符的微纳波导结构模板；

4）利用步骤3）的二氧化硅薄膜波导结构模板采用气压印法和在步骤2）的锗镓碲硫卤玻璃薄膜上制备厚度1～10μm，中间细部分的宽度350～700nm微纳波导结构图案；

5）依次在光学平台上搭建可调谐量子级联激光器、高频斩波器、单色仪、透镜、中红外光纤、波导结构的硫卤玻璃薄膜传感器、偏振器、镉碲汞探测器、计算机系统，保证光路畅通，各个节点耦合。

4.按照权利要求3的方法，其特征在于，步骤4）制备波导结构的设备和使用方法如下：采用的装置为热膜气压印装置，包括金属外罩和金属内罩，金属外罩由分别独立的外罩上盖和外罩下底座组成，外罩下底座是底面开孔的桶状结构，金属内罩在金属外罩底座的空腔内，金属内罩为上端开口、下端与外罩下底座密封连接的空腔结构，外罩下底座的开孔与金属内罩的下端口一样，外罩上盖设有通气管（S1）；金属内罩的空腔内设有加热板，加热板与金属内罩密封焊接在一起，在金属内罩的侧面设有通气管（S2），通气管（S2）位于加热板之上，金属内罩的通气管（S2）从金属内罩伸出，延伸至外罩外部，金属内罩的上端口盖有独立的具有微纳级波导结构的模板（A1），加热板与金属内罩上端口（A3）垂直距离为5mm，金属外罩和金属内罩均为圆筒状；加热板是金属管与金属内罩焊接而成的传热金属板，对硫系玻璃薄膜加热，同时还起到密封的作用；

使用方法，包括以下步骤：

（1）按照所需的波导结构形状、宽度和深度，制备微纳级波导结构模板A1；

（2）将步骤（1）制备的微纳级波导结构模板（A1）反扣在硫系玻璃薄膜（A2）上，将微纳级波导结构模板（A1）和硫系玻璃薄膜（A2）水平放置在金属内罩上端口（A3）上，使得微纳级波导结构模板（A1）在硫系玻璃薄膜（A2）的上方，在微纳级波导结构模板（A1）上方压上一固定器，盖上金属外罩上盖，将硫系玻璃薄膜微纳波导结构的热膜气压印装置分为两个独立空间；

3）通过外罩上盖上通气管（S1）与金属内罩的通气管（S2），利用机械泵同时对两个独立密闭空间抽真空，抽真空过程中保持两个空间真空度相同；对加热板通电，升温至硫系玻璃薄膜软化温度，使薄膜至熔融软化状态；

4）通过外罩上盖的通气管（S1）通气氛，使微纳级波导结构模板（A1）上部空间压强比金属内罩内腔的压强大10²-10⁴Pa，保持压差3-10分钟，完成热模气压印过程；再通过金属内罩的通气管（S2）通气氛至与微纳级波导结构模板上部空间压强一致，打开两根气管连接口，一起通气氛，直至大气压强，降温至室温后，打开金属外罩上盖，取出波导结构硫系玻璃薄膜样品。

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