CN110836640B - 一种基于近场光学谐振腔的面外位移传感单元及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于近场光学谐振腔的面外位移传感单元及方法，属于位移传感领域。所述面外位移传感单元包括一个激光器、一个分光棱镜、一个光电探测器、一个由可动亚波长硅光栅、硅基底和覆盖在两者上的错位亚波长银膜构成的近场光学谐振腔；本发明结合严格耦合波分析法和遗传算法优化得到了近场光学谐振腔的最优参数，使得从谐振腔出射的反射光强对可动亚波长硅光栅的面外位移非常敏感，并且对其面内位移相对不敏感。本发明设计的面外位移传感单元不仅拥有超越已报道位移传感单元的超高灵敏度，并且将多层可动光栅简化为了双层金属，使得结构相对简单，加工难度大大降低，因此可实现超高精度、高度集成的面外位移测量。

Description

一种基于近场光学谐振腔的面外位移传感单元及方法

技术领域

本发明属于位移传感单元领域，具体涉及一种基于近场光学谐振腔的面外位移传感单元及方法。

背景技术

目前的光学位移测量通常是基于标量衍射理论的，包括光学干涉测量、光学衍射测量及衍生出的各种测量方式。但是基于标量衍射理论的位移检测，因为存在光的衍射极限，测量精度受光波长的限制。虽然通过外差干涉、调制解调等方式可以将位移测量分辨率提升至亚纳米甚至皮米量级，但是各种细分方式的引入不仅会增加位移测量系统的复杂度和成本，并且对理论灵敏度和精度极限的提升并无帮助。

利用表面等离激元和近场光学谐振等手段实现的位移测量，由于微结构尺寸一般小于光波长，并且电磁场作用发生在近场范围内，因此标量衍射理论已不适用。拓展至矢量衍射范畴的这些位移测量方式，测量精度不受光波长的限制，往往可达皮米甚至是飞米量级[Chan H B,Marcet Z,Woo K,et al.Optical transmission through double-layermetallic subwavelength slit arrays[J].Optics letters,2006,31(4):516-518.]。但是，现有的近场光学谐振腔通常是由多层金属和多层介质材料组成的多层膜结构，不仅包含多种材料，而且结构相对复杂。例如美国Sandia国家实验室设计的纳光机电系统位移传感器[KEELER B E N,BOGART G R,CARR D W.Laterally deformable optical NEMSgrating transducers for inertial sensing applications；proceedings of theNanofabrication:Technologies,Devices,and Applications,F,2005[C].]，由两组可动纳米光栅、空气间隙和介质吸收层组成，其中可动纳米光栅的材料为无定形金刚石，介质吸收层的材料为二氧化硅和氮化硅；王晨等人提出的光栅组位移传感器拥有类似的结构，不过其可动光栅的材料为单晶硅，尽管简化了部分设计，但是其对部分工艺参数敏感，加工难度很高，并且光学位移灵敏度最高仅为2％/mg左右[WANG C,LU Q,BAI J,et al.Highlysensitive lateral deformable optical MEMS displacement sensor:anomalousdiffraction studied by rigorous coupled-wave analysis[J].Appl Optics,2015,54(30):8935-43.]；又比如美国南佛罗里达大学的Rogers等人设计的亚波长光栅组式位移传感器，由一个硅光栅和一个玻璃光栅组成，结构相对简单，但是该传感器将两个亚波长光栅等效为一个周期大于光波长的衍射光栅，因此未跳出标量衍射理论的范畴，光学位移灵敏度仅为0.5％/mg，未达到超灵敏的位移测量的要求[ROGERS A A A,KEDIA S,SAMSON S,etal.Verification of evanescent coupling from subwavelength grating pairs[J].Applied Physics B-Lasers and Optics,2011,105(4):833-7.]；发明人先前设计的面内位移传感单元，结构简单、加工便利，但是光学位移灵敏度在2％/mg左右，相较于其他的近场光学谐振腔方案提升不大[LU Q,BAI J,WANG K,et al.Single chip-based nano-optomechanical accelerometer based on subwavelength grating pair and rotatedserpentine springs[J].Sensors,2018,18(7):2036.]。从原理上看，现有近场光学谐振腔方案尽管已经突破了标量衍射的限制，但最高光学位移灵敏度基本处在2％/mg的量级，仍存在巨大提升空间。

发明内容

要解决的技术问题：

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于近场光学谐振腔的面外位移传感单元及方法，在不增加结构复杂度的前提下，通过结合严格耦合波分析法和遗传算法得到了最优的设计和参数集合，该设计大幅度提升了光学位移测量单元的灵敏度。

本发明的技术方案是：一种基于近场光学谐振腔的面外位移传感单元，固定外框和光电探测器；所述光电探测器安装于所述固定外框的内侧壁上，用于接收反射后的激光；其特征在于：还包括激光器、分光棱镜、可动亚波长硅光栅、覆盖于可动亚波长硅光栅上的银膜、空气间隙、二氧化硅层、硅基底及覆盖于硅基底上的银膜；

所述激光器安装于所述固定外框内的顶部，其发射出的激光角度与竖直方向成θ角，θ取值为0°-4°；所述分光棱镜设置于激光器的下方，用于将激光反射方向调整为水平方向，与所述光电探测器相对；所述硅基底设置于所述固定外框的内底面上，所述可动亚波长硅光栅通过二氧化硅层平行且悬空设置于所述硅基底的正上方，同时位于所述分光棱镜的下方，在所述可动亚波长硅光栅和硅基底之间形成空气间隙；覆盖于所述硅基底上的银膜的位置为，所述可动亚波长硅光栅栅线在硅基底上的正投影沿垂直于所述可动亚波长硅光栅栅线的方向平移503±100nm；由覆盖了银膜的可动亚波长硅光栅、覆盖了银膜的硅基底以及所述空气间隙构成一个近场光学谐振腔；

所述可动亚波长硅光栅为镂空的周期性结构，由多晶硅层制成，其周期为576±10nm，占空比为31％，厚度为859±10nm；覆盖于可动亚波长硅光栅上的银膜和覆盖在硅基底上的亚波长银膜的周期均为576±10nm，厚度均为为198±20nm；覆盖于可动亚波长硅光栅上的银膜的占空比为31％，覆盖在硅基底上的亚波长银膜的占空比为69％；所述空气间隙的高度为700nm。

本发明的进一步技术方案是：所述激光器输出的激光波长为1550nm，模式为TE模。

一种所述基于近场光学谐振腔的面外位移传感单元的近场光学谐振腔的制造方法：其特征在于具体步骤如下：

步骤一：在单晶硅片上利用电子束曝光、剥离工艺和电子束蒸发制作并图形化金属银膜，形成所述硅基底上的银膜；

步骤二：对步骤一中金属化后的单晶硅片进行热氧化，形成二氧化硅层；

步骤三：利用化学气相沉积法在所述二氧化硅层上生长一层多晶硅层；

步骤四：在所述多晶硅层上利用电子束曝光、剥离工艺和电子束蒸发制作并图形化金属银膜，形成覆盖在可动亚波长硅光栅上的上银膜；

步骤五：利用电子束曝光和反应离子束刻蚀工艺，镂空所述多晶硅层上的银膜之间的间隙，制作出可动亚波长硅光栅；

步骤六：利用湿法腐蚀去除位于可动亚波长硅光栅下位于所述空气间隙内的二氧化硅层，完成可动亚波长硅光栅的释放。

本发明的进一步技术方案是：所述单晶硅片厚度为300-500μm。

有益效果

本发明的有益效果在于：本发明结合严格耦合波分析法和遗传算法，通过对近场光学谐振腔各个参数的全局优化，使得位移传感单元对面外位移的光学位移灵敏度远超以往的光学测量方案，最高可达40％/nm，即每当可动亚波长硅光栅发生1nm的面外位移时，反射光束的光强变化量为入射激光光强的40％，并且同时对面内位移不敏感。

本发明相较于多介质层、多组光栅的设计简化了谐振腔的结构：用两层存在面内错位的银膜代替了两组光栅，用单晶硅代替了介质吸收层，因此整个传感单元可以由一个单抛的硅片制作而成，降低成本的同时提高了器件的可靠性。两层银膜的错位设计是通过上面提到的全局优化设计出来的，此参数设置只对面外位移敏感，而对面内位移不敏感。

本发明在优化设计的过程中考虑了近场光学谐振腔的参数容差，使得现有的微纳加工工艺可以满足其加工误差的需求，保证了整体方案的可行性。

附图说明

图1是本发明的面外位移传感单元示意图；

图2是近场光学谐振腔的工艺流程示意图；

图3是可动亚波长硅光栅发生面内位移时反射光束的光强与位移的关系图；

图4是近场光学谐振腔处在反射模式和透过模式时的电磁场分布图。

附图标记说明：1、激光器，2、分光棱镜2，3、近场光学谐振腔，4、光电探测器，5、固定外框，6、封装外壳，7、上银膜，8、可动亚波长硅光栅，9、下银膜，10、硅基底，11、空气间隙，12、入射激光，13、反射光束，14、二氧化硅层，15、多晶硅层。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明的实施例及其实施过程如下：

如图1所示，本发明提供了一种基于近场光学谐振腔的面内位移传感单元，该传感单元包括激光器1、分光棱镜2、近场光学谐振腔3、二氧化硅层、光电探测器4、固定外框5和封装外壳6；近场光学谐振腔3由上银膜7、可动亚波长硅光栅8、下银膜9、二氧化硅层、硅基底10、空气间隙11构成，其中上银膜7覆盖在可动亚波长硅光栅8上，下银膜9覆盖在硅基底10上，两者周期不同且有错位。

所述激光器1安装于所述固定外框5内的顶部，其发射出的激光角度与竖直方向成θ角，θ取值为0°-4°；所述分光棱镜2设置于激光器的下方，用于将激光反射方向调整为水平方向，与所述光电探测器4相对；所述硅基底10设置于固定外框5的内底面上，所述可动亚波长硅光栅8通过二氧化硅层平行且悬空设置于硅基底10的正上方，同时位于分光棱镜2的下方，在可动亚波长硅光栅8和硅基底10之间形成空气间隙11；下银膜9的位置为，所述亚波长硅光栅栅线在硅基底上的正投影沿垂直于所述亚波长硅光栅栅线的方向平移503±100nm；近场光学谐振腔3由上银膜7、可动亚波长硅光栅8、下银膜9、硅基底10、空气间隙11构成。

可动亚波长硅光栅8为镂空的周期性结构，由多晶硅层制成，其周期为576±10nm，占空比为31％，厚度为859±10nm；覆盖于可动亚波长硅光栅8上的上银膜7和覆盖在硅基底10上的下银膜9的周期均为576±10nm，厚度均为为198±20nm；覆盖于可动亚波长硅光栅8上的上银膜7的占空比为31％，覆盖在硅基底10上的下银膜9的占空比为69％；所述空气间隙11的高度为700nm。

本发明的具体测量原理描述如下：

激光器1出射波长为1550nm的TE模式激光，入射激光12以一个接近垂直的小角度(0°-4°)入射至近场光学谐振腔3中的可动亚波长硅光栅8的上银膜7上表面；由于可动亚波长硅光栅8、上银膜7和下银膜9的周期小于入射激光12的波长，因此入射激光12经可动亚波长硅光栅8和上银膜7后不会发生衍射，而是激发表面等离激元；表面等离激元在近场光学谐振腔3内振荡耦合，部分能量透过硅基底10上的下银膜9间隙耗散，部分能量在近场光学谐振腔3中耦合产生可以传递至远场的反射光束13，反射光束13同样与近场光学谐振腔3的法线方向成一个小角度，但是偏转方向和入射激光12方向相反；近场光学谐振腔3的参数经严格耦合波分析和遗传算法优化，使得反射光束13的光强会随着可动亚波长硅光栅8的面外位移发生剧烈变化。通过探测被分光棱镜反射后的光强变化量即可解算出近场光学谐振腔的腔长变化，也即可动亚波长硅光栅的面外位移量。近场光学谐振腔3的最优参数集合包括：可动亚波长硅光栅8的周期为576±10nm，占空比为31％，厚度为859±10nm；上银膜7和下银膜9的周期和厚度相同，分别为576±10nm和198±20nm，上银膜7的占空比为31％，下银膜9的占空比为69％，两者存在面内距离为503±100nm的错位；当空气间隙11为700nm时，该传感单元的面外位移测量灵敏度最高，可达40％/nm。

当可动亚波长硅光栅8发生相对于硅基底10的面外位移时，近场光学谐振腔3的耦合条件会发生改变。反射光束13的光强随着可动亚波长硅光栅8的面外位移的变化曲线图如图3所示。可以发现当可动亚波长硅光栅8的面外位移从696变化至704nm，及704nm变化至712nm时，光强位移灵敏度最大，且变化基本为线性。在除了这两个区间的区域，近场光学谐振腔3都处于如图4(a)所示的反射模式，反射率接近100％；当可动亚波长硅光栅8运动至上述两个区间，尤其是如图4(b)所示的中间位置时，其对应的透射模式，大部分电磁场能量均通过硅基底10耗散，此时反射光束13的光强最弱；在两个线性区间内，该位移传感单元对面外位移的光强位移灵敏度可高达40％/nm，考虑了近场光学谐振腔3的容差后依然可以高于15％/nm，即可动亚波长硅光栅8发生面外位移1nm，反射光束13的光强变化超过入射激光12光强的15％。

参阅图2，本发明还提供了近场光学谐振腔3的制造方法，所用基片是如图2(a)所示的单抛单晶硅片，厚度为500μm。制造方法包括以下步骤：

1)在所述单晶硅片上利用电子束曝光、剥离工艺和电子束蒸发制作并图形化金属银膜，形成硅基底10上的下银膜9；

2)对金属化后的单晶硅片进行热氧化，形成一层一定厚度的二氧化硅层14；

3)利用化学气相沉积法在二氧化硅层14上生长一定厚度的多晶硅层15；

4)在多晶硅层15上利用电子束曝光、剥离工艺和电子束蒸发制作并图形化金属银膜，形成覆盖在可动亚波长硅光栅8上的上银膜7；

5)利用电子束曝光和反应离子束刻蚀工艺镂空多晶硅层15，制作出可动亚波长硅光栅8；

6)利用湿法腐蚀去除位于可动亚波长硅光栅8下的二氧化硅层14，完成可动亚波长硅光栅8的释放。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (3)

1.一种基于近场光学谐振腔的面外位移传感单元的近场光学谐振腔的制造方法，所述传感单元包括固定外框和光电探测器；所述光电探测器安装于所述固定外框的内侧壁上，用于接收反射后的激光；其特征在于：所述传感单元还包括激光器、分光棱镜、可动亚波长硅光栅、覆盖于可动亚波长硅光栅上的银膜、空气间隙、二氧化硅层、硅基底及覆盖于硅基底上的银膜；

所述激光器安装于所述固定外框内的顶部，其发射出的激光角度与竖直方向成θ角，θ取值为0°-4°；所述分光棱镜设置于激光器的下方，用于将激光反射方向调整为水平方向，与所述光电探测器相对；所述硅基底设置于所述固定外框的内底面上，所述可动亚波长硅光栅通过二氧化硅层平行且悬空设置于所述硅基底的正上方，同时位于所述分光棱镜的下方，在所述可动亚波长硅光栅和硅基底之间形成空气间隙；覆盖于所述硅基底上的银膜的位置为，所述可动 亚波长硅光栅栅线在硅基底上的正投影沿垂直于所述可动 亚波长硅光栅栅线的方向平移503±100nm；由覆盖了银膜的可动亚波长硅光栅、覆盖了银膜的硅基底以及所述空气间隙构成一个近场光学谐振腔；

所述可动亚波长硅光栅为镂空的周期性结构，由多晶硅层制成，其周期为576±10nm，占空比为31％，厚度为859±10nm；覆盖于可动亚波长硅光栅上的银膜和覆盖在硅基底上的亚波长银膜的周期均为576±10nm，厚度均为为198±20nm；覆盖于可动亚波长硅光栅上的银膜的占空比为31％，覆盖在硅基底上的亚波长银膜的占空比为69％；所述空气间隙的高度为700nm；

所述制造方法具体步骤如下：

步骤一：在单晶硅片上利用电子束曝光、剥离工艺和电子束蒸发制作并图形化金属银膜，形成所述硅基底上的银膜；

步骤二：对步骤一中金属化后的单晶硅片进行热氧化，形成二氧化硅层；

步骤三：利用化学气相沉积法在所述二氧化硅层上生长一层多晶硅层；

步骤四：在所述多晶硅层上利用电子束曝光、剥离工艺和电子束蒸发制作并图形化金属银膜，形成覆盖在可动亚波长硅光栅上的上银膜；

步骤五：利用电子束曝光和反应离子束刻蚀工艺，镂空所述多晶硅层上的银膜之间的间隙，制作出可动亚波长硅光栅；

步骤六：利用湿法腐蚀去除位于可动亚波长硅光栅下位于所述空气间隙内的二氧化硅层，完成可动亚波长硅光栅的释放。

2.根据权利要求1所述基于近场光学谐振腔的面外位移传感单元的近场光学谐振腔的制造方法，其特征在于：所述激光器输出的激光波长为1550nm，模式为TE模。

3.根据权利要求1所述基于近场光学谐振腔的面外位移传感单元的近场光学谐振腔的制造方法：所述单晶硅片厚度为300-500μm。

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