CN110261350A - 一种光学传感系统及传感测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学传感系统，包括：单色准直光源、光学传感器和光电探测器；所述光电探测器包括可旋转的半导体基底层和覆盖在半导体基片上的金属或类金属材料薄膜；光电探测器向光面制备成光栅；所述光学传感器与光电探测器共用光栅。本发明还公开了一种使用上述光学传感系统的传感测试方法，包括步骤：开启单色入射光源进行照射；转动半导体基底层，获得共振角θ₁；导入待测物，转动半导体基底层，获得照射待测物的共振角θ₂；基于共振角θ₂相对于共振角θ₁的变化即可得到待测物的折射率。本发明可实现高传感灵敏度、窄共振峰线宽和大工作波长范围的电信号输出，无需额外的光谱仪或者光电探测器即可测量气体或液体的折射率。

Description

一种光学传感系统及传感测试方法

技术领域

本发明涉及光学传感技术和传感器领域，特别涉及通过扫描入射光的角度并以直接电信号输出的光学折射率传感系统及传感测试方法。

背景技术

目前，生物医学、环境监测、食品安全甚至国防等领域都对高灵敏传感器提出了迫切的需求。光学传感器具有灵敏度高、抗电磁干扰、非标记等特点，因而得到广泛关注和大力发展。通常光学传感器都利用光学共振结构来增强折射率传感性能，通过测试共振峰的波长移动来感知被测物的变化。其中传感灵敏度定义为被测物单位折射率变化条件下共振峰的波长移动。传感灵敏度越大、共振峰线宽越小，有利于实现更低的检测限，即传感器的性能越好。然而为了获取这些光学信号，一般都需要庞大和昂贵的光谱分析系统，不利于便携式的即时检测需求。为此，电读出的光学传感器受到广泛关注。

2003年Sensorsand Actuators B期刊第91卷第266页的论文报道了一种基于表面等离子体共振的光学折射率传感装置，包括了光源、传感芯片、反射镜、探测器线阵等。光源发出的发散光束照射到传感芯片，其不同方向的入射光的反射最终照射到不同的探测器，从而获得表面等离子体共振吸收的角度信息，实现光学传感信号的读出。2014年Light:Science&Applications期刊第3卷第e122编号的论文报道了一种将金属纳米孔传感芯片和CMOS图像传感器组装到一起的光学传感装置，金属纳米孔表面的被测物影响滤波片的光透过特性，从而改变入射到下面硅探测器阵列的光信号，进而影响成像结果，实现电读出光学传感功能。2017年Sensors and Actuators B期刊第239卷第571页报道了一种集成在智能手机上的光学传感装置，利用金属光栅传感芯片将特定波长的光反射到手机的相机上，光栅上的被测物影响反射光的共振波长或角度，改变相机不同像素上的光信号，实现电读出传感。

这些工作虽然一定程度实现了光传感和光探测的功能集成，但都需要光探测器阵列，而且采用的都是宏观的将光传感芯片与光探测器装配到一起，由于传感单元和探测单元间距较大，在传感成像应用中会由于相邻像素间的串扰无法工作，也限制了设备体积的进一步小型化。此外，这些传感芯片的共振峰很宽，传感灵敏度有限，而且其工作波长范围受限于硅探测器的光电响应波段，限制了设备的适用范围。

2011年OpticsExpress期刊在第19卷第9962页报道了一种将金属纳米孔结构制备在覆盖氧化硅层的硅材料pn结光电探测器表面的集成型光学传感器，纳米孔表面的被测物会改变透射光的特性，从而影响硅材料的光吸收和光电压信号输出。2015年SPIE杂志在第9724卷编号为97240M的论文里报道了一种将金属纳米孔滤波器直接做到pin型GeSi探测器的表面的集成型光学传感器。这些都实现了传感结构与探测结构的单片集成，而且只需要单个探测器，然而其工作波长范围依然受限于半导体带间跃迁机制的限制，而且纳米孔的滤波性能受大折射率衬底的严重干扰，造成共振峰不明显、共振峰线宽较宽、透过率低，导致探测器的光吸收率变化小，限制了器件传感性能，而且电压型器件的光功率与光电流的线性度较差，不利于传感应用。

可以看到，以上述例子为代表的现有技术虽然都获得了电信号输出的光学传感，但测试系统都较为复杂，而且难以实现高传感灵敏度、窄共振峰线宽和大工作波长范围的共存。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种光学传感系统和传感测试方法，此系统及方法可实现高传感灵敏度、窄共振峰线宽和大工作波长范围的电信号输出，无需额外的光谱仪或者光电探测器即可测量气体或液体的折射率。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

一种光学传感系统，包括：单色准直光源、光学传感器和光电探测器；

所述光电探测器包括可旋转的半导体基底层和覆盖在半导体基片上的金属或类金属材料薄膜，光电探测器向光面制备成光栅，也即半导体基底层和覆盖在半导体基底层上的金属或类金属材料薄膜形成具有光栅结构的肖特基光电管；由此可实现光场局域在器件表面的窄线宽和高吸收的表面共振模式，提高对器件表面折射率管径的敏感度；

所述光学传感器与光电探测器共用光栅。被测物不同的折射率造成单色准直光源以不同角度照射半导体基底层时被光栅吸收，从而通过扫描最大光吸收对应的旋转角检测出被测物折射率变化。这种设计中光学传感器和光电探测器共用金属或类金属材料构成的光栅，实现一体化电读出集成，提高了传感系统的集成型。

优选的，所述光电探测器向光面光栅的制备方法为：在半导体基底层上形成光栅后涂覆金属或类金属材料薄膜；或者在半导体基底层上涂覆金属或类金属材料薄膜，并在金属或类金属材料薄膜上形成光栅；或者在未形成光栅的半导体基底层上依次涂覆金属或类金属材料薄膜、非金属材料层，再在非金属材料层上形成非金属材料光栅。

更进一步地，所述光栅为一维或二维光栅，半导体基底层与金属或类金属材料薄膜界面存在表面等离子体波，入射光通过这种在平面内一个方向或两个垂直方向上周期性的结构，实现特定波长与表面等离子体波的波矢匹配，从而发生共振，由于金属或类金属材料的吸收损耗，表面等离子体波在传输过程中被吸收，因此入射光在特定波长处形成吸收峰；不满足匹配条件的波长分量的入射光被反射或透射。

更进一步地，所述金属包括金、铂、银、铜、铝和钛等中的至少一种。

更进一步地，所述类金属材料包括石墨烯、氮化钛、氮化锆、铟锡氧化物和氧化锌等中的至少一种。

更进一步地，所述非金属材料包括二氧化硅、氮化硅、氧化铝、氧化铪、氟化镁和聚甲基丙烯酸甲酯等中的至少一种。

优选的，所述光学传感器还包括覆盖于光栅上的微流通道；以防止光学传感系统向光面的污染。

更进一步地，所述微流通道覆盖在光栅表面，并由一个密封的空心通道连接输入和输出管。

优选的，所述半导体基底层为硅片。

优选的，所述光栅的周期为单色准直光源波长的0.2倍～2倍；和/或所述光栅的厚度为单色准直光源波长的0.02倍～0.2倍。

优选的，所述金属或类金属材料薄膜的厚度小于200纳米。

优选的，所述单色准直光源的光谱线宽小于2纳米，发散角小于0.1度。

优选的，所述光电探测器的半导体基底层在电压控制下相对单色准直光源的入射方向转动。

一种使用上述光学传感系统的传感测试方法，包括步骤：

开启单色入射光源，对准光电探测器进行照射；

转动半导体基底层，获得共振角θ₁；

导入待测物，转动半导体基底层，获得照射待测物的共振角θ₂；

基于共振角θ₂相对于共振角θ₁的变化即可得到待测物的折射率。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明的光学传感系统实现光学传感和光电探测功能一体化集成，在同一个器件结构中同时获得了高灵敏度、宽工作波长范围和高度集成电读出的优势。

2、本发明通过将半导体和金属或类金属层组成光电探测器，并与光栅直接集成，获得了光场局域在器件表面的窄线宽和高吸收的表面共振模式，并提高对器件表面折射率环境的敏感度，而且增强光电管的探测响应度。

3、本发明半导体与薄金属或类金属层构建的肖特基光电管利于肖特基结的带间跃迁，同时实现光子能量大于和小于半导体禁带宽度的光电探测，增大了器件工作波长范围。

4、本发明光学传感系统，基于光栅对于单色入射光产生共振吸收的角度和光栅表面的折射率之间的关系，通过扫描旋转角检测共振吸收发生的角度，就能检测出光栅表面折射率的变化，不需要探测器阵列和光学色散元件。

5、本发明的系统，由硅和金属或类金属材料构成的光栅具有光场局域的作用，能同时增强基于共振吸收的光学传感和光电探测模块的光电转换，因此从两个方面实现性能提升。

附图说明

图1为本发明的角度扫描的电读出光学传感系统的示意图；

图2为本发明实施例一的光电传感器的剖视结构示意图；

图3为本发明实施例一的光电传感器在正入射时的吸收光谱的计算结果；

图4为本发明实施例一的光电传感器在不同波长入射光照射下的角度分辨吸收谱的计算结果；

图5(a)为本发明实施例一的光电传感器在848纳米入射光以共振角10°入射时的电场强度分布的计算结果；(b)为本发明实施例一的光电传感器在848 纳米入射光以非共振角12°入射时的电场强度分布的计算结果；

图6(a)为本发明实施例一的光电传感器在848纳米入射光以共振角10°入射时的光电传感器吸收的计算结果；(b)为本发明实施例一的光电传感器在 848纳米入射光以非共振角12°入射时的光电传感器的吸收的计算结果；

图7为本发明实施例一的光电传感器的表面待测液体折射率分别为1.323和1.324时在1300纳米入射光照射下的角度分辨吸收谱的计算结果；

图8为本发明实施例一的光电传感器表面有无10纳米厚水层时吸收谱的计算结果；

图9为本发明实施例一的光电传感器表面光栅结构的扫描电子显微镜照片；

图10为图9光栅结构在不同角度拍摄的相机照片；

图11为本发明实施例一的光电传感器的电流电压测试结果；

图12为本发明实施例一的角度扫描的电读出光学传感系统在入射光以0度和12度角照射下光电流响应度在700纳米-1100纳米工作波段的测试结果；

图13为本发明实施例一的角度扫描的电读出光学传感系统在入射光以从12 到30度角照射下光电流响应度在1200纳米-1550纳米工作波段的测试结果；

图14为本发明实施例二的角度扫描的电读出光学传感系统中光电传感器的剖视结构示意图；

图15为本实施例二的光电传感器在正入射时吸收光谱的计算结果；

图16为本实施例二正入射光照射下待测气体折射率分别为1和1.01的波长分辨吸收谱的计算结果；

图17为本发明实施例三的角度扫描的电读出光学传感系统中光电传感器的结构示意图；

图18为实施例三的光电传感器在正入射时吸收光谱的计算结果；

图19为实施例三正入射光照射下待测气体折射率分别为1和1.01的波长分辨吸收谱的计算结果；

图20为本发明实施例四的角度扫描的电读出光学传感系统中光电传感器的结构示意图；

图21为实施例四的光电传感器在正入射时的吸收光谱的计算结果。

其中：1—转动硅片；2—单色准直光源；2-1—光束；3—光栅；3-1—硅材料光栅；3-2—金膜；3-3—二氧化硅光栅；3-4—金二维圆盘阵列；3-5—聚甲基丙烯酸甲酯二维圆孔阵列；4—第二电级；5—微流通道；5-1—微流体通道入口； 5-2—微流体通道出口。

具体实施方式

为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图详细描述本发明提供的实施例，但本发明的实施方式不限于此。

参照图1所示，本发明的角度扫描的电读出光学传感系统中光电探测器可通过微机电工艺技术制备在硅晶圆上，制备成光电探测器的硅片可在外加电压控制下进行精确的旋转；

转动硅片1面向单色准直光源2的表面形成光栅3，并覆盖金属或类金属材料薄膜，构成金属或类金属材料-硅的肖特基结，在界面附近的结区形成肖特基势垒，进而形成内建电场驱使结区电子向硅方向漂移；

光学传感器包括和光电探测器共用的光栅，还包括覆盖在光栅上的微流通道5，5-1和5-2分别对应微流体通道的入口和出口；微流通道用来导入导出待测物，可以防止气体或液体待测物污染光栅。

单色准直光源2的光经过微流体通道入射到转动硅片上，一部分入射光被硅材料吸收并实现带间跃迁的光电转换，一部分入射光被金属或类金属材料吸收并基于光子内发射机制实现带间跃迁的光电转换，两种光电转换机制都将贡献给光电探测器的输出，由于光栅对于单色入射光产生共振吸收峰值的角度(即共振角)与微流通道中待测物的折射率有关，因此通过扫描硅片旋转角检测共振吸收发生的角度，就能检测出微流通道中待测物折射率的变化，不需要探测器阵列和光学色散元件实现传感。

实施例一

参照图2所示，可转动硅片面向单色准直光源的第一表面形成一维硅材料光栅3-1，其中周期为1微米，硅材料光栅3-1条宽为0.5微米，硅材料光栅深度35纳米；在硅材料光栅上覆盖金膜3-2，厚度50纳米。硅材料光栅和金膜共同组成光栅，并形成肖特基结，金膜作为光电探测器的第一电极。在硅片背光的第二表面形成光电探测器的第二电极4，为金材料，厚度200纳米。

不同波长的入射光在特定入射角时与光栅3的表面等离子体波发生共振，共振条件由下式决定：

ksinθ+mG＝±k_sp (1)

其中k是入射光介质环境中的波矢，θ是入射角，G＝2π/P是硅材料光栅的格矢，P是硅材料光栅的周期，m是衍射阶数，k_sp是表面等离子体波的波矢。如图3所示，正入射时入射光与表面等离子体波共振发生在共振波长λ₀＝1020纳米时，峰值吸收率达到98％，半高宽(FWHM)为10纳米，品质因子 (Q＝f₀/FWHM)超过100。如图4所示，对于808，980，1064，1270，1330 和1550纳米的入射光，共振引起的吸收峰值分别发生在不同共振入射角，例如 1550纳米的吸收峰值发生在32.96°，半高宽约为0.2°，峰值吸收率达到91％。高的光吸收有利于提高光电传感器的量子效率，并且高品质因子有利于提高光学传感的器件优值，而且在宽光谱范围内都可用，提高系统的适用性。

图5a和图5b分别为本实施例在848纳米入射光以共振角10°和非共振角 12°入射时电场强度在xz平面内分布的计算结果。可以看到在发生共振时，入射光局域在金膜表面，电场增强因子达到16；而在非共振时，入射光的吸收很小，在金膜表面的电场非常弱。发生共振时局域在金膜表面的电场非常有利于光学传感；图6a和图6b分别对应848纳米入射光以共振角10°和非共振角12°入射时的吸收计算结果。如图所示，不管哪种模式，吸收都集中在金膜3-2和转动硅片的硅材料中，有利于带间跃迁和光子内发射机制的光电转换，并且发生共振时的吸收是非共振时的15倍，有利于电读出的实现。

假设将第一液体(折射率n₁＝1.323)和第二液体(n₂＝1.324)覆盖本实施例中的金膜表面来分析系统的体折射率传感灵敏度。由于两种溶液折射率不同，因此吸收峰值发生在不同入射角。如图7所示，当入射波长为1300纳米，第一液体和第二液体的共振角分别为72.1°和71.8°。光学传感器的角度传感灵敏度S定义为：

S＝Δ_θ/Δ_n (2)

其中，Δ_θ为共振角的变化，也即入射角的变化，Δn为被测物折射率变化。对应的传感灵敏度约为300°/RIU。假设旋转角度控制的分辨率为10^-4度，本实施例的探测极限为3.3×10^-7RIU。以乙醇水溶液为例，浓度每变化1mol/L大约会引起折射率变化0.0023，从而乙醇水溶液的探测极限约为0.142nmol/μL。此外，假设有一层10纳米水层覆盖在本实施例的金膜表面来分析系统的表面传感灵敏度。如图8所示，当表面存在10纳米水层时，共振吸收对应的波长发生5 纳米的偏移，在1319纳米波长处对应吸收率变化为59％，进而导致光电传感器输出电流的变化。10纳米水膜的面密度为1.0×10^-4g/cm²，以设备的相对强度噪声0.05％为例，则表面传感灵敏度优于1.1×10^-7g/cm²。

硅材料光栅可由步进式光刻机制备，本实施例制备的硅材料光栅和金膜复合结构的扫描电子显微镜照片如图9所示，可以看到均匀的周期性结构，周期1 微米，光栅条的平均宽度为0.6微米，平均深度0.05微米。图10是不同角度拍摄的相机照片，其均匀变化的色彩说明了周期性结构在大尺寸范围内的良好均匀性。本实施例所制备光电传感器的电流电压曲线如图11所示，可以看到明显的整流特性，测试结果与理论仿真结果吻合的非常好，说明了器件良好的金属半导体肖特基接触。图12为本实施例分别在0度和12度入射光照射下光电探测灵敏度在700纳米-1100纳米工作波段的测试结果，这个波段的光子能量大于硅材料的禁带宽度，因此是带间跃迁主导的光电探测机制。可以看到0度时共振发生在1050纳米，因此在1050纳米波长处形成一个光电流响应度峰值 (>60mA/W)；12度时共振发生在820纳米，因此在820纳米波长处形成一个光电流响应度峰值(140mA/W)。图13为本实施例在12到30度入射光照射下光电流响应度在1200nm-1550纳米工作波段的测试结果，这个波段的光子能量小于硅材料的禁带宽度，因此是光子内发射主导的光电探测机制。可以看到不同入射光角度对应的光共振吸收发生在不同波长，即同一入射光对应的光共振发生在不同角度，通过扫描角度光电流谱，就可以通过光电流的变化实现光学传感。

实施例二

图14为本实施例的角度扫描的电读出光学传感系统中光电传感器的剖视结构示意图。如图14所示，本实施例中光电探测器的制备通过在转动硅片表面覆盖金膜，然后再在金膜上形成二氧化硅光栅3-3，其中金膜厚度为80纳米，二氧化硅光栅深度为155纳米，宽度为360纳米。图15为本实施例的角度扫描的电读出光学传感系统在正入射光照射下的吸收谱的计算结果。共振发生在波长 1068纳米处，峰值处吸收约为98％，半高宽<10纳米，品质因子Q大于100。用折射率为1.01的气体分析系统的体折射率灵敏度，计算结果如图16所示，当折射率从1变为1.01时，共振峰由1068nm变为1077纳米，灵敏度为900纳米 /折射率。第一、第二电极的形成和工作原理同实施例一。

实施例三

图17为本实施例的二维光栅角度扫描的电读出光学传感系统中光电探测器的示意图。本实施例中光电探测器的制备通过在转动硅片表面覆盖金膜，然后再在金膜上方形成金二维圆盘阵列3-4。其中金膜厚度为80纳米，二维金圆盘阵列高度为100纳米，半径500纳米，圆盘周期为1400纳米。图18为本实施例的角度扫描的电读出光学传感系统在正入射光照射下的吸收谱的计算结果。正入射时入射光与表面等离子体波共振发生在1412纳米处。峰值处的吸收率大于98％，半高宽为4纳米。品质因子Q高达300。同样用折射率为1.01的气体分析系统的体折射率灵敏度，计算结果如图19所示，当折射率从1变为1.01时，共振峰由1412纳米变为1427纳米，灵敏度为1500纳米/折射率。第一、第二电极的形成和工作原理同实施例一。

实施例四

图20为本实施例的二维光栅角度扫描的电读出光学传感系统中光电探测器的示意图。本实施例中光电探测器的制备通过在转动硅片面向光源的第一表面覆盖金膜，然后在金膜上形成聚甲基丙烯酸甲酯二维圆孔阵列3-5，其中金膜厚度为80纳米。厚为270纳米，圆孔半径440纳米，周期为1400纳米。金膜和硅片形成肖特基结，入射光照射到二维圆孔阵列发生衍射，当满足波矢匹配条件时发生共振。被测物变化引起的光电传感器的输出大小变化，或扫描入射角时光电传感器输出峰值响应对应的入射角发生变化，电信号通过作为第一电极的金膜，和在硅片背光的第二表面形成光电传感器的第二电极4输出，实现电读出的光学传感。图21为本实施例的角度扫描的电读出光学传感系统在正入射光照射下的吸收谱的计算结果，正入射时入射光与表面等离子体波共振发生在 1412纳米处，峰值处的吸收率大于82％。

实施例五

本实施例公开一种使用上述光学传感系统的传感测试方法，包括步骤：

开启单色入射光源，对准光电探测器进行照射；

不导入或导入折射率已知的参考物，转动光栅结构，获得共振角θ₁，也即发生共振吸收时光栅结构的转动角度；

导入待测物，转动具有光栅结构的肖特基结，获得照射待测物的共振角θ₂；

基于共振角θ₂相对于共振角θ₁的变化即可得到待测物的折射率。

也可以通过固定入射角，分析加入待测物前后电信号强度的变化或者通过固定入射角扫描波长，分析加入待测物前后共振波长的变化实现传感，得到待测物折射率可使用电流源表或其他常用分析仪器分析电信号。

综上所述，本发明的电读出光学传感器，通过将半导体和金属或类金属层组成光电管，并与光栅结构直接集成，获得了光场局域在器件表面的窄线宽和高吸收的表面共振模式，提高对器件表面折射率环境的敏感度，而且增强光电管的探测响应度，半导体与薄金属或类金属层构建的肖特基光电管能够同时实现光子能量大于和小于半导体禁带宽度的光电探测，增大了器件工作波长范围。更重要的是将光学传感和光电探测功能实现了一体化集成，最终在同一个器件结构中同时获得了高灵敏度、宽工作波长范围和高集成电读出的优势。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光学传感系统，其特征在于，包括：单色准直光源、光学传感器和光电探测器；

所述光电探测器包括可旋转的半导体基底层和覆盖在半导体基片上的金属或类金属材料薄膜，光电探测器向光面制备成光栅；

所述光学传感器与光电探测器共用光栅。

2.根据权利要求1所述的光学传感系统，其特征在于，所述光电探测器向光面光栅的制备方法为：在半导体基底层上形成光栅后涂覆金属或类金属材料薄膜；或者在半导体基底层上涂覆金属或类金属材料薄膜，并在金属或类金属材料薄膜上形成光栅；或者在未形成光栅的半导体基底层上依次涂覆金属或类金属材料薄膜、非金属材料层，再在非金属材料层上形成非金属材料光栅。

3.根据权利要求2所述的光学传感系统，其特征在于，所述光栅为一维或二维光栅。

4.根据权利要求2所述的光学传感系统，其特征在于，所述金属包括金、铂、银、铜、铝和钛中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的光学传感系统，其特征在于，所述半导体基底层为硅片。

6.根据权利要求1所述的光学传感系统，其特征在于，所述光栅的周期为单色准直光源波长的0.2倍～2倍；所述光栅的厚度为单色准直光源波长的0.02倍～0.2倍。

7.根据权利要求1所述的光学传感系统，其特征在于，所述金属或类金属材料薄膜的厚度小于200纳米。

8.根据权利要求1所述的光学传感系统，其特征在于，所述单色准直光源的光谱线宽小于2纳米，发散角小于0.1度。

9.根据权利要求1所述的光学传感系统，其特征在于，所述光电探测器的半导体基底层在电压控制下相对单色准直光源的入射方向转动。

10.一种使用权利要求1-9任一项所述的光学传感系统的传感测试方法，其特征在于，包括步骤：

开启单色入射光源，对准光电探测器进行照射；

转动半导体基底层，获得共振角θ₁；

导入待测物，转动半导体基底层，获得照射待测物的共振角θ₂；

基于共振角θ₂相对于共振角θ₁的变化即可得到待测物的折射率。