CN106226268A - 一种基于倏逝波谐振的多孔硅‑硅‑多孔硅气体传感器 - Google Patents

一种基于倏逝波谐振的多孔硅‑硅‑多孔硅气体传感器 Download PDF

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陈颖
罗佩
朱奇光
田亚宁
赵志勇
刘晓飞
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    • G01N21/41—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length

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Abstract

本发明公开一种基于倏逝波谐振的多孔硅‑硅‑多孔硅气体传感器，包括由多孔硅‑硅‑多孔硅组成的结构，以及在该结构两端进行耦合的硅棱镜，所述多孔硅‑硅‑多孔硅组成的结构通过脉冲电化学腐蚀方法制备，其中硅的折射率nSi＝3.5，光源以一定入射角度θ从硅棱镜工作表面入射，在硅棱镜与多孔硅层界面处发生全反射并产生倏逝波，若倏逝波的穿透深度大于多孔硅层厚度，则倏逝波在中间硅层内发生全反射形成谐振腔并产生谐振峰，当气体进入多孔硅中，使其折射率改变，从而产生谐振峰漂移来测量气体浓度。该传感器具有结构简单、高Q值和高灵敏特性，可对低浓度气体进行精确、快速的测量，在低浓度气体的检测应用中具有较高的应用价值。

Description

一种基于倏逝波谐振的多孔硅-硅-多孔硅气体传感器
技术领域
本发明涉及倏逝波谐振的多孔硅光子晶体传感器领域。
背景技术
随着科学技术的进步，光电子技术越来越成熟，以光子为信号载体制备的光学传感器因其对信号的响应快速性、高灵敏度性、抗电磁干扰特性和非破坏性测量等优势，在传感领域中表现出了巨大的优越性，所以光学传感器一直是传感器的研究热点。
目前，光学传感器的研究主要包括光纤传感器、光学图像传感器、表面等离子共振(Surface Plasma Resonator,SPR)传感器、光子晶体传感器等，这些光学传感器发展较为成熟，但其传感均有自身不能克服的特性，传统光纤传感器和光学干涉仪传感器传感的灵敏度已达到极限，并且传感过程中的能量损耗较高；SPR传感器传感时只能用TM波激发偏振，介质表面的金属膜不仅成本高，并且极易氧化、可重复性差，并且传感器的品质因数较低；研制高精度、高灵敏度的器件，实现实时快速的传感检测已成为光学传感器未来的发展趋势。
随着上世纪光子晶体的提出，光子晶体这种周期性介质材料由于其独特的光学特性，在光学传感方面显现出极大的优势。折射率传感器是最为常用的光子晶体传感器之一。通过对现有技术的文献查新检索发现，陈颖等(多孔硅表面缺陷光子晶体的传感模型及特性，光学学报，2015，第05期)对多孔硅表面缺陷腔光子晶体的传感特性研究，结合表面缺陷半无限光子晶体的表面波原理与多孔硅光学传感机理，在光子晶体表面缺陷腔中引入多孔硅与吸收介质，将多孔硅作为检测待测样本的传感区域，并利用其高效的承载机制，构建了基于 多孔硅表面缺陷的光子晶体折射率传感结构。其缺陷层的构造复杂，检测的品质因数为1537.37，灵敏度也只有302.2nm/RIU。其传感器品质因数和灵敏度都不高。C.Jamois等(Slow Bloch surface wave devices on porous silicon for sensing applications，Photonics and Nanostructures-Fundamentals and Applications，2010)提出了一种基于多孔硅用慢布洛赫表面波来实现的生物传感器，该传感器虽然是多孔硅用慢布洛赫表面波来提高传感器的灵敏度，虽然降低表面波的传播速度可以提高灵敏度，但其没有考虑品质因数，同时降低表面波的速度也需要考虑许多复杂的因素，难以实现。张勇(多孔硅一维光子晶体生物传感器的研究，新疆大学，硕士学位论文，2012)对多孔硅一维光子晶体生物传感器的研究，利用一维多孔硅光子晶体的反射光谱分析技术结合多层多孔硅的转移矩阵理论，实验与理论上分别对比研究了小生物分子在一维多孔硅光子晶体中多个不同层次的分布情况，其传感器灵敏度的稳定性不强，难以控制。
目前，大气污染已成为全球性问题，其中雾霾天已成为我国特别关注的大气污染问题，对气体质量的检测已成为热点研究的问题。而现有的传感器不能同时兼顾结构简单易行、精确测量和快速测量的特点，不适用于对气体质量的检测。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单、操作易行的气体传感器，该气体传感器能更精确、更快速地测量出气体浓度的变化。
本发明目的通过下述技术方案来实现：一种基于倏逝波谐振的多孔硅-硅-多孔硅气体传感器，包括由多孔硅-硅-多孔硅组成的结构，以及在该结构两端进行耦合的硅棱镜，所述多孔硅-硅-多孔硅组成的结构通过脉冲电化学腐蚀方法制备，其中硅的折射率nSi＝3.5，光源以一定入射角度θ从硅棱镜工作表面入射， 在硅棱镜与多孔硅层界面处发生全反射并产生倏逝波，若倏逝波的穿透深度大于多孔硅层厚度，则倏逝波在中间硅层内发生全反射形成谐振腔并产生谐振峰，当气体进入多孔硅中，使其折射率改变，从而产生谐振峰漂移来测量气体浓度。
所述多孔硅-硅-多孔硅组成的结构通过脉冲电化学腐蚀方法制备，是利用LabVIEW产生控制序列，生成具有一定占空比δ和脉冲周期T0的脉冲信号，通过采集通道传递给PCI6024数据采集卡，所产生的脉冲电压施加到电化学腐蚀槽上，通过控制计算机程序参数精确控制电化学阳极腐蚀的电流密度和有效腐蚀时间，把硅放入一定浓度HF腐蚀液中来制备多孔硅，多孔硅的多孔率σ与电化学阳极腐蚀的电流密度I的关系成正比例，多孔硅层的厚度与腐蚀时间T的关系成正比例。
所述脉冲信号的占空比δ为5/10，脉冲周期T0为5ms。
所述HF腐蚀液的浓度c为25％，电流密度I为50mA/cm2～100mA/cm2，腐蚀时间T为3s～5s。
所述多孔硅-硅-多孔硅组成结构中，多孔硅层的多孔率σ满足30％<σ<35％，多孔硅层的厚度dPSi为970nm～1000nm，硅层的厚度dSi为680nm～685nm。
所述光源发出的入射光处于红外波段，其范围为2500nm～3000nm，入射角度θ为69°～69.6°。
本发明利用倏逝波理论与光学谐振原理，将气体折射率的检测与光子晶体的光学特性相结合，提出了一种基于倏逝波谐振的多孔硅-硅-多孔硅结构气体传感器，多孔硅吸入待测气体，改变了多孔硅层的折射率，影响着谐振峰的变化。这种气体传感器具有结构简单、高Q值和高灵敏度的特性，尤其适用于对环境中低浓度气体的检测。
本发明具有如下优点：
(1)本发明具有结构简单、材料易得的特点，以地壳中含量第二的硅作为基本材料，来制作出该传感器。
(2)本发明谐振腔的品质因子Q值为2900～4100，同时具有高透射率，透射率可达到99.5％。因此，不仅对传感器领域有较高的应用价值，而且在光开关和滤波器领域的应用上也具有较大的潜力。
(3)本发明具有高灵敏特性，其灵敏度S为1100nm/RIU～1500nm/RIU，能够快速测量待测物浓度。
(4)本发明以多孔硅承载气体来传感，易清洗传感器，对传感器的可重复性做出了保障。
(5)本发明能够对低浓度气体进行精确、快速的测量，在低浓度气体的检测应用中具有较高的应用价值。
附图说明
图1是本发明结构示意图。
图2是实施例1中本发传感器初始条件下的透射峰谱。
图3是实施例1中多孔硅中分别充入不同浓度的甲醇分析物时所测得的透射峰谱。
图4是实施例1中测量甲醇蒸汽时谐振峰的漂移与多孔硅层的折射率变化线性拟合关系。
图5是实施例2中本发明传感器初始条件下的透射峰谱。
图6是实施例2中多孔硅中分别充入不同浓度的氯苯分析物时所测得的透射峰谱。
图7是实施例2中测量氯苯蒸汽时谐振峰的漂移与多孔硅层的折射率变化 线性拟合关系。
具体实施方式
基于倏逝波谐振的多孔硅-硅-多孔硅结构气体传感器，如图1所示，该传感器包括由多孔硅层1-硅层2-多孔硅层1组成的结构，以及在该结构两端进行耦合的硅棱镜3。多孔硅层1既是倏逝波产生层又是传感层，利用硅棱镜3的高折射率和多孔硅层1的低折射率，在两者界面发生全反射产生了倏逝波，并且可通过硅棱镜3输出透射光。中间硅层2是谐振腔形成层，是倏逝波在硅层上下表面发生全反射而产生的谐振。这样可以改变多孔硅层1的折射率，使谐振峰漂移，从而达到传感的目的。
实施例1
将硅放入HF腐蚀液中，其浓度c为25％。在电化学腐蚀的过程中，电流密度I为60A/cm2，腐蚀时间T1为3s，制备所得的多孔硅层的多孔率σ为31.5％，多孔硅层的厚度dPSi为980nm，然后停止电化学腐蚀，时间间隔T2为2.0s，形成硅层的厚度dSi为682nm的硅层，再继续进行电化学腐蚀，其中I仍为60A/cm2，腐蚀时间T3为3s，制备所得的多孔硅层的σ为31.5％，dPSi为980nm，从而制备出多孔硅-硅-多孔硅结构。将其两端用硅棱镜进行耦合，光源的发射波长范围为2500nm～3000nm，以入射角θ为69.3°从硅棱镜工作表面入射。在密闭的测试气室中，充入高纯度氮气清洗气室，当气室中不充入气体时，用小型光谱仪记录传感器的初始透射峰谱，如图2所示，其中心波长λ0为2698.85nm，半高全宽Δλ0＝0.9nm，计算出传感器的Q值，Q值为2998.72。此时，电场能量集中在硅层，在硅层产生谐振腔，谐振腔的场强达到入射场强的75.4664倍，其体现了该传感器的高Q值特性。
将基于倏逝波谐振的多孔硅-硅-多孔硅结构气体传感器放入密闭的气室中， 用高纯度氮气携带甲醇蒸汽进入气室，其中，甲醇的折射率n甲醇＝1.33，甲醇蒸汽进入多孔硅层改变其折射率n，分别检测的浓度ρ为5％、10％、15％、20％和25％的甲醇蒸汽，然后分析其透射峰谱，最后计算出测量气体的灵敏度。在不同浓度下，其甲醇蒸汽折射率和多孔硅层等效折射率如表1所示。可测得出的各浓度下的透射谱如图3所示。当分析物浓度的浓度增加时，其透射峰发生红移。图3的结果表明，谐振峰的漂移与多孔硅层的折射率变化有线性关系，经过线性拟合，如图4所示。根据公式S＝Δλ/Δn计算出本传感器的灵敏度，灵敏度
表1 不同浓度甲醇蒸汽对应的甲醇蒸汽折射率和多孔硅等效折射率
实施例2
与实施例1类似，同样将硅放入c为25％的HF腐蚀液中，电化学腐蚀的过程中，I为60A/cm2，T1为5s，制备所得的多孔硅层σ为31.5％，dPSi为1000nm。然后停止电化学腐蚀，时间间隔T2为3.4s，制出dSi为685nm的硅层，再继续进行电化学腐蚀，其中I为60A/cm2，T3为5s，制备得到的多孔硅层σ为31.5％，dPSi为1000nm，从而制备出多孔硅-硅-多孔硅结构。将其两端用硅棱镜进行耦合，光源的发射波长范围为2500nm～3000nm，以θ为69.6°从硅棱镜工作表面入射。在密闭的测试气室中，充入高纯度氮气清洗气室，当气室中不充入气体时，用小型光谱仪记录传感器的初始透射峰谱，如图5所示，其中心波长λ0为2648.23nm，半高全宽Δλ0＝0.65nm，计算出传感器的Q值，Q值为4074.20。此时，电场能量也集中在硅层，在硅层产生谐振腔，谐振腔的场强达到入射场强的 77.8216倍，其体现了该传感器的较高的Q值特性。
为了比较不同分析物测量，再选用氯苯蒸汽进行测量，氯苯的折射率n氯苯＝1.524。在相同的条件下检测浓度ρ为5％、10％、15％、20％和25％的氯苯蒸汽，不同浓度下，其氯苯蒸汽折射率和多孔硅层等效折射率如表2所示。测得各浓度下的透射峰谱如图6所示。可以发现，谐振峰的漂移与多孔硅层的折射率变化有线性关系，经过线性拟合，如图7所示。根据公式S＝Δλ/Δn计算出本传感器的灵敏度，灵敏度
表2 不同浓度氯苯蒸汽对应的氯苯蒸汽折射率和多孔硅等效折射率
通过对该传感器结构两种不同参数和对不同分析物的测量发现，该结构的设计简单合理，测量行之有效。因此，该传感器可以应用于环境中低浓度气体测量，具有精确、快速特性。

Claims (6)

1.一种基于倏逝波谐振的多孔硅-硅-多孔硅气体传感器，其特征在于，包括由多孔硅-硅-多孔硅组成的结构，以及在该结构两端进行耦合的硅棱镜，所述多孔硅-硅-多孔硅组成的结构通过脉冲电化学腐蚀方法制备，其中硅的折射率nSi＝3.5，光源以一定入射角度θ从硅棱镜工作表面入射，在硅棱镜与多孔硅层界面处发生全反射并产生倏逝波，若倏逝波的穿透深度大于多孔硅层厚度，则倏逝波在中间硅层内发生全反射形成谐振腔并产生谐振峰，当气体进入多孔硅中，使其折射率改变，从而产生谐振峰漂移来测量气体浓度。
2.根据权利要求书1所述的一种基于倏逝波谐振的多孔硅-硅-多孔硅气体传感器，其特征在于，所述多孔硅-硅-多孔硅组成的结构通过脉冲电化学腐蚀方法制备，是利用LabVIEW产生控制序列，生成具有一定占空比δ和脉冲周期T0的脉冲信号，通过采集通道传递给PCI6024数据采集卡，所产生的脉冲电压施加到电化学腐蚀槽上，通过控制计算机程序参数精确控制电化学阳极腐蚀的电流密度和有效腐蚀时间，把硅放入一定浓度HF腐蚀液中来制备多孔硅，多孔硅的多孔率σ与电化学阳极腐蚀的电流密度I的关系成正比例，多孔硅层的厚度与腐蚀时间T的关系成正比例。
3.根据权利要求书2所述的一种基于倏逝波谐振的多孔硅-硅-多孔硅气体传感器，其特征在于，所述脉冲信号的占空比δ为5/10，脉冲周期T0为5ms。
4.根据权利要求书2所述的一种基于倏逝波谐振的多孔硅-硅-多孔硅气体传感器，其特征在于，所述HF腐蚀液的浓度c为25％，电流密度I为50mA/cm2～100mA/cm2，腐蚀时间T为3s～5s。
5.根据权利要求书2所述的一种基于倏逝波谐振的多孔硅-硅-多孔硅气体传感器，其特征在于，所述多孔硅-硅-多孔硅组成结构中，其多孔硅层的多孔率σ满足30％<σ<35％，多孔硅层的厚度dPSi为970nm～1000nm，硅层的厚度dSi为680nm～685nm。
6.根据权利要求1所述的一种基于倏逝波谐振的多孔硅-硅-多孔硅气体传感器，其特征在于，所述光源发出的入射光处于红外波段，其范围为2500nm～3000nm，入射角度θ为69°～69.6°。
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