CN218445132U - 一种基于环形分裂共振腔的高灵敏集成传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于环形分裂共振腔的高灵敏集成传感器，涉及光波导传感技术领域，传感器结构包括基底层、刻蚀有直狭缝波导的金属膜层、矩形谐振腔和环形分裂共振腔组成，其中环形分裂共振腔由一个开口与内矩形腔组成，该结构使得特定频率下的输入光能够与环形分裂共振腔发生耦合，从而形成透射禁带，同时，透射禁带中心波长随外界温度和检测样品折射率改变而变化，因此，通过监测透射光谱变化，可以实时获得环境温度及待测样品的特性变化。本实用新型将为高灵敏度集成传感器件的设计提供重要技术思路。

Description

一种基于环形分裂共振腔的高灵敏集成传感器

技术领域

本实用新型涉及光波导传感技术领域，具体涉及一种基于环形分裂共振腔的高灵敏集成传感器。

背景技术

当光波入射到金属与电介质分界面时，金属表面的自由电子发生集体振荡，电磁波与金属表面自由电子耦合而形成的一种沿着金属表面传播的电磁波，如果电子的振荡频率与入射光波的频率一致就会产生共振，这时就形成的一种特殊的电磁模式，即表面等离激元(Surface Plasmons,简称SPs)模式。由于SPs模场局限于离金属表面很小的范围内(通常为亚波长范围)，并且具备较明显的场增强特性，所以SPs技术被广泛应用于传感领域。

近年来，科学家们提出了多种SPs谐振腔结构以提高传感检测性能，如专利CN113281301A中提出的基于金属-绝缘体-金属(MIM)波导的圆环-矩形复合谐振腔结构，可以获得最大的折射率和温度灵敏度分别为914nm/RIU和 0.35nm/℃。虽然这些微纳结构一定程度上提高了检测性能，但是它们的检测精度和敏感度仍然相对较低，人们亟需设计新的共振结构以获得更优越的传感性能。

实用新型内容

针对上述技术背景提到的不足，本实用新型的目的在于提供一种基于环形分裂共振腔的高灵敏集成传感器。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案实现：

一种基于环形分裂共振腔的高灵敏集成传感器，包括基底层，刻蚀有直狭缝波导的金属膜层、矩形谐振腔和环形分裂共振腔，

优选的，所述基底层上表面覆盖有一层金属膜层，金属膜层上表面靠近侧面的位置刻蚀有直狭缝波导，基底层上表面中间位置开有贯穿金属膜层的矩形谐振腔，矩形谐振腔底部中心位置设置有内矩形腔，内矩形腔开有一个开口和外部的矩形谐振腔连通，内矩形腔和开口组成环形分裂腔。

优选的，所述基底层材料为二氧化硅、或有机聚合物材料中的一种。

优选的，所述刻蚀有直狭缝波导的金属膜层材料为金、银、铜、铝、钛等贵金属中的任何一种，或是各自的合金材料。

优选的，所述直狭缝波导内填充材料为空气、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA) 或氢倍半硅氧烷(HSQ)中常用光波导材料中的一种。

优选的，所述直狭缝波导的宽度为20-80纳米，高度为30-100纳米。

优选的，所述矩形谐振腔的长度和宽度均为200-400纳米，高度为30-100 纳米。

优选的，所述环形分裂共振腔开口长度和宽度均为10-50纳米，内矩形腔的长度和宽度均为60-140纳米，开口和内矩形腔的高度均为30-100纳米。

本发明的有益效果是：本发明中，对液体传感材料折射率灵敏度为 2040nm/RIU，当液体传感材料为温敏材料PDMS时，对环境温度的传感灵敏度为 -1.2nm/℃。

本实用新型的有益效果是：本实用新型采用金属环形分裂共振腔结构，通过金属-介质-金属波导模式与环形分裂腔模式发生耦合，从而在透射光谱中形成窄禁带，同时，该透射禁带中心波长与外界温度和检测样品折射率密切相关，因此，通过监测透射光谱变化，可以实时获得环境温度及待测样品的特性变化。同时，本发明的制备工艺与工业化CMOS工艺相兼容，具有易于制备、集成度高、灵敏度和检测精度高等诸多优点。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；

图1为本发明三维结构示意图；

图2是直狭缝波导宽度改变对等效折射率影响示意图；

图3是该传感器对折射率变化的灵敏度示意图；

图4是该传感器在填充介质材料为PDMS时对环境温度变化的灵敏度示意图。

图中标号说明：

1、基底层；2、金属膜层；3、直狭缝波导3；4、矩形谐振腔；5、环形分共振裂腔；6、开口；7、内矩形腔。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“开孔”、“上”、“下”、“厚度”、“顶”、“中”、“长度”、“内”、“四周”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件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实用新型的限制。

如图1所述，一种基于环形分裂共振腔的高灵敏集成传感器，包括基底层1，刻蚀有直狭缝波导3的金属膜层2、矩形谐振腔4和环形分裂共振腔5。

所述基底层1上表面覆盖有一层金属膜层2，金属膜层2上表面靠近侧面的位置刻蚀有直狭缝波导3，基底层1上表面中间位置开有贯穿金属膜层2的矩形谐振腔4，矩形谐振腔4底部中心位置设置有内矩形腔7，内矩形腔7开有一个开口6和外部的矩形谐振腔4连通，内矩形腔7和开口6组成环形分裂共振腔5。

所述基底层1材料为二氧化硅、或有机聚合物材料中的一种；

所述刻蚀有直狭缝波导3的金属膜层2材料为金、银、铜、铝、钛等贵金属中的任何一种，或是各自的合金材料；

所述直狭缝波导3内填充材料为空气、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或氢倍半硅氧烷(HSQ)中常用光波导材料中的一种；

所述直狭缝波导3的宽度为20-80纳米，高度为30-100纳米；

所述矩形谐振腔4的长度和宽度均为200-400纳米，高度为30-100纳米；

所述环形分裂共振腔5的开口6长度和宽度均为10-50纳米，内矩形腔7 的长度和宽度均为60-140纳米，开口6和内矩形腔7的高度均为30-100纳米。

本发明工作原理是：输入光(电磁波)后，产生等离子共振，电磁场被耦合进谐振腔中，从而影响了传输模式，当液体传感材料折射率不同时，使得输出光谱的谱线发生了偏移，我们便可以根据波长偏移量与折射率变化的关系达到对液体折射率传感监测的目的。

为验证本发明的传感特性，现结合说明书附图进行说明。

本实施例是基于环形分裂腔结构光波导的高灵敏度折射率传感器，如图1 所示，为了保证波导结构能够尽可能的获得高灵敏度的传感，本方案对器件的尺寸设计如下：条形介质波导的宽度为50纳米，矩形谐振腔边长为300纳米，宽为100纳米；分裂腔连接处宽为20纳米，长为50纳米；中间矩形腔长宽皆为100纳米。

本实施例选取工作波长为800纳米～2500纳米，图3是条形介质波导宽度改变有效折射率变化趋势图；从图中可以清晰看出，随着条形金属波导高度的增加，模式损耗呈下降趋势。

图4是折射率n＝1.00～n＝1.05变化时的波长折线图，从中可以看出三个波谷中，D3的偏移量最大，可达到2040nm/RIU。

图4是当液体传感材料为温敏材料PDMS时环境温度变化与波长偏移折线图，从图中可以看出随着温度的增加，波长呈现出蓝移趋势，且对温度的灵敏度可达-1.2nm/℃。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。

Claims (5)

1.一种基于环形分裂共振腔的高灵敏集成传感器，包括基底层(1)，刻蚀有直狭缝波导(3)的金属膜层(2)、矩形谐振腔(4)和环形分裂共振腔(5)，其特征在于，所述基底层(1)上表面覆盖有一层金属膜层(2)，金属膜层(2)上表面靠近侧面的位置刻蚀有直狭缝波导(3)，基底层(1)上表面中间位置开有贯穿金属膜层(2)的矩形谐振腔(4)，矩形谐振腔(4)底部中心位置设置有内矩形腔(7)，内矩形腔(7)开有一个开口(6)和外部的矩形谐振腔(4)连通，内矩形腔(7)和开口(6)组成环形分裂共振腔(5)。

2.根据权利要求1所述的基于环形分裂共振腔的高灵敏集成传感器，其特征在于，所述直狭缝波导(3)内填充有光波导材料。

3.根据权利要求1所述的基于环形分裂共振腔的高灵敏集成传感器，其特征在于，所述直狭缝波导(3)的宽度为20-80纳米，高度为30-100纳米。

4.根据权利要求1所述的基于环形分裂共振腔的高灵敏集成传感器，其特征在于，所述矩形谐振腔(4)的长度和宽度均为200-400纳米，高度为30-100纳米。

5.根据权利要求1所述的基于环形分裂共振腔的高灵敏集成传感器，其特征在于，所述环形分裂共振腔(5)的开口(6)长度和宽度均为10-50纳米，内矩形腔(7)的长度和宽度均为60-140纳米，开口(6)和内矩形腔(7)的高度均为30-100纳米。

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