ES2331549B2 - NEW INTEGRATED OPTICAL SENSOR OF ULTRA-HIGH SENSITIVITY MECHANICAL DEFLEXION. - Google Patents
NEW INTEGRATED OPTICAL SENSOR OF ULTRA-HIGH SENSITIVITY MECHANICAL DEFLEXION. Download PDFInfo
- Publication number
- ES2331549B2 ES2331549B2 ES200602724A ES200602724A ES2331549B2 ES 2331549 B2 ES2331549 B2 ES 2331549B2 ES 200602724 A ES200602724 A ES 200602724A ES 200602724 A ES200602724 A ES 200602724A ES 2331549 B2 ES2331549 B2 ES 2331549B2
- Authority
- ES
- Spain
- Prior art keywords
- sheet
- optical
- sensor device
- coating layer
- optical coating
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 48
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 title claims abstract description 20
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 24
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 13
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 12
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 10
- 239000011247 coating layer Substances 0.000 claims description 8
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 8
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 claims description 7
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 claims description 7
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 6
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 6
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229920005591 polysilicon Polymers 0.000 claims description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 4
- 238000001459 lithography Methods 0.000 claims description 3
- 230000004044 response Effects 0.000 claims description 3
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 2
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims 2
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 claims 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 claims 1
- 239000012808 vapor phase Substances 0.000 claims 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 abstract description 13
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 abstract description 4
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 abstract description 3
- 239000002360 explosive Substances 0.000 abstract description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 abstract description 2
- 238000000386 microscopy Methods 0.000 abstract description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 abstract description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 abstract 1
- 238000005253 cladding Methods 0.000 description 4
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 4
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 4
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 4
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 4
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 3
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 3
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 3
- 241000196324 Embryophyta Species 0.000 description 2
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 2
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 2
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 2
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 2
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 2
- 240000005838 Dudleya edulis Species 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000004630 atomic force microscopy Methods 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 1
- 239000002872 contrast media Substances 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 1
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000000644 propagated effect Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 230000000284 resting effect Effects 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 239000011800 void material Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L1/00—Measuring force or stress, in general
- G01L1/24—Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet
- G01L1/242—Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet the material being an optical fibre
- G01L1/243—Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet the material being an optical fibre using means for applying force perpendicular to the fibre axis
- G01L1/245—Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet the material being an optical fibre using means for applying force perpendicular to the fibre axis using microbending
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
- G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
Abstract
Nuevo sensor óptico integrado de deflexión mecánica de ultra-alta sensibilidad.New integrated optical deflection sensor Ultra-high sensitivity mechanics
La invención propuesta consiste en un nuevo sensor óptico formado por una guía ranurada integrada en un resonador o interferómetro óptico.The proposed invention consists of a new optical sensor formed by a grooved guide integrated in a resonator or optical interferometer.
La guía ranurada consiste en dos tiras de un material de alto índice de refracción, separadas por un material de bajo índice de refracción. Esta estructura es extremadamente sensible a pequeñas variaciones de la distancia entre las tiras de la guía. Esta distancia se varía convirtiendo una de ellas en un elemento móvil o mecánico ("cantilever").The grooved guide consists of two strips of a high refractive index material, separated by a material of Low refractive index This structure is extremely sensitive to small variations in the distance between the strips of The Guide. This distance is varied by converting one of them into a mobile or mechanical element ("cantilever").
Las aplicaciones de estos sensores incluyen la detección de todo tipo de agente capaz de producir una pequeña deflexión del elemento mecánico del sensor, por ejemplo: interacciones biomoleculares y bioquímicas, gases y explosivos, campos electro- y magneto-státicos, radiación electromagnética, movimiento, acelerometría y microscopía de fuerzas por rastreo.Applications of these sensors include the detection of all types of agents capable of producing a small deflection of the mechanical element of the sensor, for example: biomolecular and biochemical interactions, gases and explosives, electro- and magneto-static fields, radiation Electromagnetic, motion, accelerometry and microscopy of forces by tracking.
Description
Nuevo sensor óptico integrado de deflexión mecánica de ultra-alta sensibilidad.New integrated optical deflection sensor Ultra-high sensitivity mechanics
Dispositivos sensores ópticos con elementos mecánicos integrados.Optical sensor devices with elements Integrated mechanics
Sensores ópticos integrados de alta sensibilidad.Integrated high optical sensors sensitivity.
Actualmente, los principales dispositivos sensores de deflexión mecánica de alta sensibilidad para las aplicaciones mencionadas anteriormente en el resumen están basados en "microcantilevers", es decir, palancas de tamaño micrométrico cuya deflexión, en respuesta a la aplicación de una fuerza, se monitoriza bien detectando la variación del ángulo de reflexión de un haz de luz que índice sobre su superficie superior [H.P. Lang, M. Hegner and C. Gerber, "Cantilever array sensors," Materials Today, vol.8, no.4, pp.30-36, 2005], o bien midiendo el acoplamiento óptico entre el "cantilever", que actúa a modo de guía óptica, y otra guía óptica cercana [K. Zinoviev, C. Dominguez, J.A. Plaza, V.J. Cadalso Busto, and L.M. Lechuga, "A novel optical waveguide microcantilever sensor for the detection of nanomechanical forces," J. Lightw. Technol. Vol.24, no. 5, pp. 2133-2138, 2006].Currently, the main devices high sensitivity mechanical deflection sensors for applications mentioned earlier in the summary are based in "microcantilevers", that is, levers of size micrometric whose deflection, in response to the application of a force, is well monitored by detecting the angle variation of reflection of a beam of light that indexes on its upper surface [H.P. Lang, M. Hegner and C. Gerber, "Cantilever array sensors, "Materials Today, vol.8, no.4, pp.30-36, 2005], or by measuring the coupling optical between the cantilever, which acts as an optical guide, and another nearby optical guide [K. Zinoviev, C. Dominguez, J.A. Square, V.J. Cadalso Busto, and L.M. Lettuce, "A novel optical waveguide microcantilever sensor for the detection of nanomechanical forces, "J. Lightw. Technol. Vol. 24, no. 5, pp. 2133-2138, 2006].
Estos dispositivos presentan una serie de inconvenientes. En concreto, en el caso de los "microcantilevers" basados en variaciones del ángulo de reflexión de un haz de luz, el no ser dispositivos integrados en un chip hacen complejos el acoplo y el ajuste entre los distintos elementos del sistema de detección. En el caso de los microcantilevers basados en la medida del acoplo óptico entre guías próximas, la sensibilidad es inferior a la exhibida por los basados en reflexión. Otros dispositivos basados en "microcantilevers" y estructuras ópticas integradas, tales como un reflector de Bragg [C. Kocabas and A. Aydinli, "Design and analysis of an integrated optical sensor for scanning force microscopies," IEEE Sens. J., vol. 5, no. 3, pp.411-418, 2005], presentan sensibilidades similares a los basados en reflexión, pero poseen el inconveniente de tener tamaños del orden de milímetros, lo cual dificulta la integración de múltiples dispositivos en un solo chip, lo que es deseable para aplicaciones de detección simultanea de múltiples agentes y abaratamiento de costes de producción.These devices present a series of inconvenience Specifically, in the case of "microcantilevers" based on variations in the angle of reflection of a beam of light, not being devices integrated in a chip make the coupling and adjustment between the different elements of the detection system. In the case of microcantilevers based on the measurement of the optical coupling between guides next, the sensitivity is lower than that exhibited by the based in reflection. Other devices based on "microcantilevers" and integrated optical structures, such as a Bragg reflector [C. Kocabas and A. Aydinli, "Design and analysis of an integrated optical sensor for scanning force microscopies, "IEEE Sens. J., vol. 5, no. 3, pp. 411-418, 2005], present sensitivities similar to those based on reflection, but possess the inconvenient of having sizes of the order of millimeters, which makes it difficult to integrate multiple devices on a single chip, what is desirable for simultaneous detection applications of Multiple agents and lower production costs.
\vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip
La invención se encuadra en el sector técnico de los dispositivos sensores ópticos con elementos mecánicos integrados, más concretamente dentro de los sensores ópticos integrados de alta sensibilidad para detección de deflexiones mecánicas producidas por fuerzas externas extremadamente débiles. Las aplicaciones de estos sensores incluyen la detección de todo tipo de agente capaz de producir una pequeña deflexión del elemento mecánico del sensor o variar la frecuencia de oscilación del mismo; por ejemplo: detección de interacciones biomoleculares y bioquímicas, detección de gases y explosivos, detección de campos electrostáticos y magnéticos, detección de radiación electromagnética, detección de movimiento, acelerometría y microscopía de fuerzas por rastreo.The invention falls within the technical sector of optical sensor devices with mechanical elements integrated, more specifically within the optical sensors High sensitivity integrated for deflection detection mechanics produced by extremely weak external forces. The applications of these sensors include the detection of everything type of agent capable of producing a small deflection of the element mechanical sensor or vary the frequency of oscillation thereof; for example: detection of biomolecular interactions and biochemistry, gas and explosive detection, field detection electrostatic and magnetic radiation detection Electromagnetic, motion detection, accelerometry and force microscopy by tracking.
La invención propuesta consiste en un dispositivo resonador o interferométrico formado por una guía óptica, co-inventada recientemente por el autor de este documento (V.R. Almeida, Q. Xu, C.A. Barrios and M. Lipson "Guiding and confining light in void nanostructure," Optics Letters, vol.29, no.1, pp.1209-1211, 2004) llamada guía ranurada ("slot-waveguide") integrada en un resonador o interferómetro óptico. La guía ranurada consiste en dos tiras o láminas de un material de alto índice de refracción, separadas por una región o material de bajo índice de refracción. La discontinuidad del campo eléctrico en las interfaces de los materiales de alto índice de contraste permite guiar y confinar la luz dentro de un área nanométrica formada por un material de bajo índice de refracción. Esta alta concentración de campo hace que esta estructura sea extremadamente sensible a pequeñas variaciones de la distancia entre las tiras o láminas del material de alto índice.The proposed invention consists of a resonator or interferometric device formed by a guide optics, co-invented recently by the author of this document (V.R. Almeida, Q. Xu, C.A. Barrios and M. Lipson "Guiding and confining light in void nanostructure," Optics Letters, vol.29, no.1, pp. 1209-1211, 2004) call grooved guide ("slot-waveguide") integrated in a resonator or optical interferometer. The grooved guide consists of two strips or sheets of a high refractive index material, separated by a region or material of low refractive index. The discontinuity of the electric field at the interfaces of the High contrast materials allow guiding and confining the light within a nanometric area formed by a low material refractive index. This high concentration of field makes this structure is extremely sensitive to small variations of the distance between the strips or sheets of the high material index.
\vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip
La presente invención presenta las siguientes ventajas sobre los dispositivos mencionados en el párrafo relativo al "Estado de la técnica":The present invention presents the following advantages over the devices mentioned in the relative paragraph to the "State of the art":
1) El sensor propuesto exhibe ultra-alta sensibilidad de deflexión; en concreto, cálculos preliminares indican hasta un aumento de cuatro órdenes de magnitud sobre la de los sensores anteriormente mencionados. Esto aumenta el abanico de aplicaciones para las que el dispositivo propuesto podría ser utilizado, y en las que otros dispositivos no serian válidos,1) The proposed sensor displays ultra-high deflection sensitivity; specific, Preliminary calculations indicate up to an increase of four orders of magnitude over that of the aforementioned sensors. This increases the range of applications for which the device proposed could be used, and in which other devices do not would be valid,
2) El sensor propuesto es integrable y de tamaño micrométrico. De esto modo, es posible integrar múltiples dispositivos sensores en un solo chip para la detección de múltiples agentes simultáneamente. Esto, unido a la posibilidad de utilizar la tecnología (tanto procesos como materiales) convencional de la industria microelectrónica del silicio para su fabricación, permitiría un abaratamiento significativo de los costes de fabricación del sensor.2) The proposed sensor is integrable and sized micrometric In this way, it is possible to integrate multiple single-chip sensor devices for multiple detection agents simultaneously. This, together with the possibility of using the conventional technology (both processes and materials) of the microelectronic silicon industry for manufacturing, would allow a significant reduction in the costs of sensor manufacturing
\vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip
Las Figuras 1 y 2 muestran una visión esquemática de la planta y sección transversal, respectivamente, del dispositivo propuesto. Consiste en un disco resonador de radio R formado por una guía ranurada horizontal (1 y 2) sobre una capa de recubrimiento óptico o "cladding" (4). El disco resonador es excitado ópticamente, es decir, se acopla luz al mismo, mediante una guía de onda cercana (7) que sirve para introducir (I_{in}) y sacar (I_{out}) luz del dispositivo. La longitud de onda de la luz que se propaga por la guía de acoplo y dispositivo óptico es \lambda_{probe} La guía ranurada horizontal esta formada por dos discos de espesor t_{1} y t_{2}, separados por un espacio (ranura) de espesor t_{slot}. El disco superior (1) actúa a modo de "cantilever", el cual esta sujeto por un disco interior (3) de radio (R-L). Aunque la presente invención se centrara en un disco resonador, debe indicarse que otro tipo de resonadores con diferentes geometrías, tales como anillos o formas poligonales, y estructuras ópticas interferométricas, tales como interferómetros Mach-Zehnder y acopladores direccionales, podrían ser utilizados en lugar del disco resonador presentado en las Figuras 1 y 2 con la misma finalidad, la cual se explica en el próximo párrafo.Figures 1 and 2 show a vision plant schematic and cross section, respectively, of the proposed device. It consists of a radio resonator disk R formed by a horizontal grooved guide (1 and 2) on a layer of optical coating or "cladding" (4). The resonator disk is optically excited, that is, light is coupled thereto, by a nearby waveguide (7) used to enter (I_ {in}) and take out (I_ {out}) light from the device. Wavelength of light which is propagated by the coupling guide and optical device is \ lambda_ {probe} The horizontal grooved guide is formed by two disks of thickness t_ {1} and t_ {2}, separated by a space (slot) thick t_ {slot}. The upper disk (1) acts as a mode of "cantilever", which is held by an inner disk (3) radio (R-L). Although the present invention is centered on a resonator disc, it should be indicated that another type of resonators with different geometries, such as rings or shapes polygonal, and interferometric optical structures, such as Mach-Zehnder interferometers and couplers directional, could be used instead of the resonator disk presented in Figures 1 and 2 for the same purpose, which is Explain in the next paragraph.
El principio de operación del sensor es el siguiente: la respuesta mecánica del "cantilever" a la aplicación de una fuerza o tensión sobre el mismo se traduce en un doblamiento o deflexión (d) del "cantilever", tal como se muestra en la Figura 3. La deflexión del "cantilever" modifica la distancia entre las láminas (1 y 2) que forman la guía ranurada, es decir, cambia el espesor de la ranura t_{slot}, lo cual, a su vez, varía el índice de refracción efectivo de los modos ópticos que se propagan por la guía ranurada. Esta variación de índice (fase) es intensificada por el resonador debido a su naturaleza interferométrica. La intensidad óptica de salida (I_{out}) del dispositivo puede ser leída bien mediante un espectrógrafo como un desplazamiento en longitud de onda de la transmitancia espectral del resonador, o bien, como una variación de la intensidad óptica a la salida a una determinada longitud de onda de operación, mediante un fotodetector.The principle of operation of the sensor is the next: the mechanical response of the cantilever to the application of a force or tension on it results in a bending or deflection (d) of the cantilever, as shown in Figure 3. The deflection of the cantilever modifies the distance between the sheets (1 and 2) that form the grooved guide, that is, change the thickness of slot t_ {slot}, which, at its instead, the effective refractive index of the optical modes varies that spread through the grooved guide. This index variation (phase) is intensified by the resonator due to its nature interferometric The optical output intensity (I_ {out}) of device can be read well using a spectrograph as a wavelength shift of spectral transmittance of the resonator, or, as a variation of the optical intensity at the output at a certain operating wavelength, by A photodetector
La sensibilidad de deflexión del sensor, definida como el cambio fraccional de la intensidad óptica de salida (I_{out}) por unidad de desplazamiento del "cantilever" viene dada por la relación:The sensor deflection sensitivity, defined as the fractional change of the optical intensity of output (I_ {out}) per unit of movement of the "cantilever" is given by the relationship:
donde S_{slot} es la sensibilidad de la guía ranurada, definida como la variación del cambio de índice de refracción efectivo (\Deltan_{eff}) de la guía ranurada por variación de la deflexión (d) del "cantilever" y Sdsk es la sensibilidad del disco resonador, definida como la variación relativa de la intensidad de salida (I_{out}) por variación del índice efectivo de la guía ranurada (\Deltan_{eff}).where S_ {slot} is the sensitivity of the grooved guide, defined as the variation of the change in effective refractive index (\ Deltan_ {eff}) of the guide grooved by variation of the deflection (d) of the cantilever and Sdsk is the sensitivity of the resonator disk, defined as the relative variation of the output intensity (I_ {out}) by variation of the effective index of the grooved guide (\ Deltan_ {eff}).
Como ejemplo y caso particular, se presentan a continuación cálculos correspondientes a materiales concretos y valores determinados de las dimensiones del sensor, los cuales se muestran en la Tabla I. Los materiales elegidos (nitruro de silicio, óxido de silicio, y silicio) son todos de uso habitual en la industria microelectrónica del silicio. Además, el nitruro de silicio es un material muy común y adecuado para la fabricación de "cantilevers" [H.P. Lang, M. Hegner and C. Gerber, "Cantilever array sensors," Materials Today, vol.8, no.4, pp.30-36, 2005]. La longitud de onda de operación, \lambda_{probe} 1.3 \mum, es habitualmente utilizada en comunicaciones por fibra óptica.As an example and particular case, they are presented to then calculations corresponding to specific materials and determined values of the sensor dimensions, which are shown in Table I. The materials chosen (silicon nitride, silicon oxide, and silicon) are all commonly used in the microelectronic silicon industry. In addition, nitride from Silicon is a very common and suitable material for the manufacture of "cantilevers" [H.P. Lang, M. Hegner and C. Gerber, "Cantilever array sensors," Materials Today, vol.8, no.4, pp.30-36, 2005]. The operating wavelength, \ lambda_ {probe} 1.3 \ mum, is commonly used in fiber optic communications
La Figura 4 ilustra la distribución de campo óptico calculada para los modos transversal magnético (TM) y la Figura 5 para el modo transversal eléctrico (TE) de menor orden del disco resonador. En ambos casos existe un porcentaje de campo óptico en el espacio (ranura) entre las dos laminas (1 y 2) de SiN (nitruro de silicio), aunque, este hecho es especialmente significativo en el caso de la polarización TM debido al efecto de la guía de ranura (discontinuidad del campo eléctrico) comentado anteriormente. La Figura 6 muestra la variación de los índices efectivos (\Deltan_{eff}) de los modos ópticos calculados en función de la deflexión (d) del "cantilever". Para d\leq20 nm, \Deltan_{eff} varía linealmente con una pendiente (sensibilidad de la guía ranurada) de S_{slot} 10^{-3} RIU/nm (RIU= unidades de índice de refracción).Figure 4 illustrates the field distribution Optical calculated for magnetic transverse (TM) modes and Figure 5 for the lower transverse electric mode (TE) of the resonator disc In both cases there is a percentage of optical field in the space (slot) between the two sheets (1 and 2) of SiN (silicon nitride), though, this fact is especially significant in the case of TM polarization due to the effect of the groove guide (electric field discontinuity) commented previously. Figure 6 shows the variation of the indices effective (\ Deltan_ {eff}) of the optical modes calculated in function of the deflection (d) of the cantilever. For d \ leq20 nm, \ Deltan_ {eff} varies linearly with a slope (grooved guide sensitivity) of S_ {slot} 10 - 3 RIU / nm (RIU = refractive index units).
Suponiendo un valor típico del factor de calidad de un disco resonador de 15.000, la Figura 7 muestra la transmitividad espectral calculada del disco resonador propuesto. Para una potencia de salida de operación de I_{out} 0.4I_{in}, la sensibilidad del disco sería: S_{disk}=3.3\times10^{4} RIU^{-1} para pequeñas variaciones de \Deltan_{eff}. El mínimo valor de \Deltan_{eff} detectable esta principalmente limitado por el ruido del fotodetector utilizado para monitorizar I_{out}. Por ejemplo, fotodetectores comerciales pueden fácilmente resolver variaciones de potencia de 0.1 \muW para una potencia incidente de 100 \muW; en este caso, el valor mínimo de \Deltan_{eff} sería \Deltan_{eff,min}= 3\times10^{-8} RIU.Assuming a typical value of the quality factor of a 15,000 resonator disk, Figure 7 shows the calculated spectral transmissivity of the proposed resonator disk. For an operating output power of I_ {out} 0.4I_ {in}, The sensitivity of the disk would be: S_ {disk} = 3.3 \ times10 ^ {4} RIU -1 for small variations of \ Deltan_ {eff}. The minimum Detectable \ Deltan_ {eff} value is mainly limited by the noise of the photodetector used to monitor I_ {out}. For example, commercial photodetectors can easily solve power variations of 0.1 µW for an incident power of 100 µW; in this case, the minimum value of \ Deltan_ {eff} would be \ Deltan_ {eff, min} = 3 \ times10 ^ - 8 RIU.
Por tanto, la sensibilidad de deflexión, S_{def}, del sensor propuesto para los valores contemplados en la Tabla I, seria (de la ecuación 1): S_{def} = 3.3\times10^{4} (RIU^{-1}) \times 10^{-3} (RIU/nm) = 33 nm^{-1}. Este valor es 4 órdenes de magnitud superior a la sensibilidad de deflexión exhibida por sensores actuales de deflexión basados en microcantilevers. El limite de detección de deflexión del dispositivo seria Ad_{min}=\Deltan_{eff,min}/S_{slot} = 3\times10^{-8} (RIU) / 10^{-3} (RIU/nm) = 3\times10^{-5} nm, es decir, dos órdenes de magnitud inferior al que presentan lo sensores basados en microcantilevers.Therefore, the deflection sensitivity, S_ {def}, of the sensor proposed for the values contemplated in the Table I, would be (from equation 1): S_ {def} = 3.3 \ times10 ^ {4} (RIU -1) x 10-3 (RIU / nm) = 33 nm -1. This value is 4 orders of magnitude greater than deflection sensitivity exhibited by current deflection sensors based on microcantilevers The deflection detection limit of device would be Ad_ {min} = \ Deltan_ {eff, min} / S_ {slot} = 3 x 10-8 (RIU) / 10 -3 (RIU / nm) = 3 x 10-5 nm, that is, two orders of magnitude lower than that presented by sensors based on microcantilevers.
El modo de operación descrito se denomina estático. No obstante, el dispositivo presentado también se puede operar en modo dinámico (ver Figura 8), en el cual se hace oscilar externamente el "cantilever" a su frecuencia de resonancia utilizando, por ejemplo, un actuador piezoeléctrico. La aplicación de una fuerza exterior sobre el cantilever o una variación de su masa producirán un desplazamiento de su frecuencia de resonancia que podrá ser detectada ópticamente a través de la intensidad óptica de salida I_{out}.The described mode of operation is called static . However, the presented device can also be operated in dynamic mode (see Figure 8), in which the cantilever is oscillated externally at its resonance frequency using, for example, a piezoelectric actuator. The application of an external force on the cantilever or a variation of its mass will produce a displacement of its resonance frequency that can be detected optically through the optical output intensity I_ {out}.
Una posible realización práctica del dispositivo descrito basada en la tecnología microelectrónica del silicio [tecnología CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)] se ilustra esquemáticamente en el diagrama de flujo de procesos de la Figura 9. Se han asumido los mismos materiales contemplados en la Tabla I. Técnicas convencionales de procesado CMOS tales como depósito químico en fase de vapor (CVD), litografía, ataque por iones reactivos (RIE) y ataques químicos húmedos selectivos se pueden emplear para la fabricación de esta invención.A possible practical embodiment of the device described based on silicon microelectronic technology [CMOS technology (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)] se schematically illustrated in the process flow diagram of the Figure 9. The same materials contemplated in the Table I. Conventional CMOS processing techniques such as chemical vapor tank (CVD), lithography, attack by reactive ions (RIE) and selective wet chemical attacks are They can be used for the manufacture of this invention.
Figura 1. Esquema de la planta del sensor propuesto. Consiste en un resonador de disco formado por una guía ranurada horizontal. La guía ranurada que forma el resonador esta constituida por dos laminas circulares paralelas (1 y 2) de materiales con índices de refracción n_{Hu} (1) y n_{Hd} (2). n_{Hu} y n_{Hd} pueden ser iguales o no. La lamina circular (2) esta fija sobre la capa de recubrimiento óptico o "cladding" (4), mientras que la lamina circular (1) esta suspendida a modo de "cantilever" apoyada sobre un disco interior (3) de menor radio. El material del "cladding" (4) posee un índice de refracción n_{Lc} inferior a n_{Hd}. El índice de refracción del material que constituye el disco interno (3), n_{a}, que sirve de apoyo para el "cantilever" (1), puede ser igual o diferente a n_{Hu} o n_{Hd}. El material (6) que se encuentra entre las láminas (1) y (2) y que rodea la guía posee un índice de refracción n_{L} inferior a n_{Hu} y n_{Hd}. El substrato (5) sirve como base material para el dispositivo, por tanto, puede estar formado por cualquier material o incluso puede omitirse y utilizar la capa de recubrimiento (4) como el propio substrato. Una guía de onda (7) que se encuentra a una distancia d_{g} del disco sirve para acoplar luz de longitud de onda \lambda_{probe} al mismo.Figure 1. Scheme of the sensor plant proposed. It consists of a disk resonator formed by a guide horizontal grooving The grooved guide that forms the resonator is constituted by two parallel circular plates (1 and 2) of materials with refractive indexes n_ {Hu} (1) and n_ {Hd} (2). n_ {Hu} and n_ {Hd} can be the same or not. The circular sheet (2) is fixed on the layer of optical coating or "cladding" (4), while the circular sheet (1) is suspended as a "cantilever" resting on an inner disk (3) of smaller radio. The cladding material (4) has an index of refraction n_ {Lc} less than n_ {Hd}. The refractive index of material that constitutes the internal disk (3), n_ {a}, which serves as support for the cantilever (1), may be the same or different from n_ {Hu} or n_ {Hd}. The material (6) that is among the sheets (1) and (2) and surrounding the guide has an index of refraction n_ {L} less than n_ {Hu} and n_ {Hd}. The substrate (5) serves as material base for the device can therefore be formed for any material or can even be omitted and use the layer of coating (4) as the substrate itself. A waveguide (7) which is located at a distance d_ {g} from the disk serves to couple light of wavelength λ probe to it.
Figura 2. Esquema del corte transversal a lo largo de la línea AA' (ver Fig. 1) del sensor propuesto.Figure 2. Schematic cross section along the line AA '(see Fig. 1) of the proposed sensor.
Figura 3. Principio de funcionamiento (estático) del dispositivo propuesto. La deflexión (d) del "cantilever" (1) debida a la acción de una fuerza produce una variación de la distancia entre las láminas (1) y (2) que forman la guía ranurada, lo cual perturba las propiedades ópticas de la misma en forma de una variación del índice efectivo (o equivalentemente la fase) del modo óptico de la guía ranurada. El disco resonador intensifica esta perturbación debido a su sensibilidad a variaciones de fase de los modos opticos que contiene. El efecto total se lee monitorizando la luz de salida (I_{out}) del dispositivo bien utilizando un espectrógrafo para medir un desplazamiento en longitud de onda de la transmitancia espectral del resonador o bien como una variación de la intensidad óptica a una longitud de onda fija \lambda_{probe} mediante un fotodetector.Figure 3. Principle of operation (static) of the proposed device. The deflection (d) of the cantilever (1) due to the action of a force produces a variation of the distance between the sheets (1) and (2) that form the grooved guide, which disturbs the optical properties of it in the form of a variation of the effective index (or equivalent phase) of the optical mode of the grooved guide. The resonator disk intensifies this disturbance due to its sensitivity to phase variations of the optical modes it contains. The total effect is read monitoring the output light (I_ {out}) of the device well using a spectrograph to measure a displacement in length wave of the resonator spectral transmittance or as a variation of the optical intensity at a fixed wavelength \ lambda_ {probe} using a photodetector.
Tabla I. Materiales, longitud de onda de operación y dimensiones utilizadas como ejemplo particular para ilustrar el concepto propuesto, y dar valores numéricos concretos de sensibilidad del dispositivo.Table I. Materials, wavelength of operation and dimensions used as a particular example for illustrate the proposed concept, and give concrete numerical values of device sensitivity.
Figura 4. Distribución del modo óptico transversal magnético del modo de menor orden del disco resonador de guía ranurada mostrado esquemáticamente en las Fig. 1 y Fig. 2 para los valores que aparecen en la Tabla I.Figure 4. Optical mode distribution magnetic transverse of the lower order mode of the resonator disk of slotted guide shown schematically in Fig. 1 and Fig. 2 for the values shown in Table I.
Figura 5. Distribución del modo óptico transversal eléctrico del modo de menor orden del disco resonador de guía ranurada mostrado esquemáticamente en las Fig. 1 y Fig. 2 para los valores que aparecen en la Tabla I.Figure 5. Optical mode distribution electric transverse of the lower order mode of the resonator disc of slotted guide shown schematically in Fig. 1 and Fig. 2 for the values shown in Table I.
Figura 6. Variación del índice de refracción efectivo (\Deltan_{eff}) del modo de menor orden de la guía ranurada en función de la deflexión (d) del "cantilever" (1) para las polarizaciones TE y TM y los valores mostrados en la Tabla I.Figure 6. Variation of refractive index cash (\ Deltan_ {eff}) in the lowest order mode of the guide grooved depending on the deflection (d) of the cantilever (1) for the TE and TM polarizations and the values shown in the Table I.
Figura 7. Transmitividad espectral calculada del disco resonador-sensor en función de la variación del índice efectivo (\Deltan_{eff}) del modo óptico que se propaga por el resonador. En la figura se indica el punto de operación del sensor.Figure 7. Calculated spectral transmissivity of resonator-sensor disk as a function of variation of the effective index (\ Deltan_ {eff}) of the optical mode that propagate through the resonator. The figure indicates the point of sensor operation
Figura 8. Modo de operación dinámico. El "cantilever" (1) es forzado a oscilar externamente a su frecuencia de resonancia. Para esto se puede utilizar un actuador piezoeléctrico. La aplicación de una fuerza externa o variación de la masa del "cantilever" modifican la frecuencia de oscilación de resonancia del mismo, lo cual puede ser detectado a través de una variación de las características ópticas de la señal de salida I_{out} (Figura 1).Figure 8. Dynamic operation mode. He "cantilever" (1) is forced to swing externally to its resonance frequency For this you can use an actuator piezoelectric. The application of an external force or variation of the cantilever mass modify the oscillation frequency resonance thereof, which can be detected through a variation of the optical characteristics of the output signal I_ {out} (Figure 1).
Figura 9. Posible realización del dispositivo
propuesto utilizando los materiales indicados en la Tabla I
(compatibles con la tecnología de la industria microelectrónica del
silicio). Sobre una oblea de silicio se realiza, bien un crecimiento
de oxido térmico o bien un depósito de este material por técnicas
químicas de depósito en fase de vapor (CVD), para la formación de
una capa de recubrimiento óptico (4), también llamada
"cladding". A continuación se deposita una capa de nitruro de
silicio por CVD. Se realiza un proceso litográfico (P1) y un ataque
direccional por iones reactivos (RIE) (P2) para formar la capa
circular (2). Luego se deposita por CVD una capa de polisilicio
(P3) y se realiza otro proceso litográfico (P4) seguido de un ataque
RIE (P5) para determinar la posición del disco interior (3) que
servirá como apoyo para el cantilever. Tras esto, se deposita una
capa de nitruro de silicio por CVD (P6), y se realiza un último
proceso de litografía (P7) y ataque RIE (P8) para formar tanto el
disco que actuará como "cantilever" (1) como
su apoyo
(3). Finalmente, se elimina la capa de polisilicio mediante un
ataque químico húmedo selectivo (P9).Figure 9. Possible realization of the proposed device using the materials indicated in Table I (compatible with the technology of the silicon microelectronic industry). On a silicon wafer, either a thermal oxide growth or a deposit of this material is carried out by chemical vapor deposition techniques (CVD), for the formation of an optical coating layer (4), also called " cladding. " A layer of silicon nitride is then deposited by CVD. A lithographic process (P1) and a directional attack by reactive ions (RIE) (P2) are performed to form the circular layer (2). A layer of polysilicon (P3) is then deposited by CVD and another lithographic process (P4) is performed followed by an RIE attack (P5) to determine the position of the inner disk (3) that will serve as support for the cantilever. After this, a layer of silicon nitride is deposited by CVD (P6), and a final process of lithography (P7) and RIE attack (P8) is performed to form both the disk that will act as a cantilever (1) as
your support (3). Finally, the polysilicon layer is removed by a selective wet chemical attack (P9).
Claims (9)
\vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES200602724A ES2331549B2 (en) | 2006-10-25 | 2006-10-25 | NEW INTEGRATED OPTICAL SENSOR OF ULTRA-HIGH SENSITIVITY MECHANICAL DEFLEXION. |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES200602724A ES2331549B2 (en) | 2006-10-25 | 2006-10-25 | NEW INTEGRATED OPTICAL SENSOR OF ULTRA-HIGH SENSITIVITY MECHANICAL DEFLEXION. |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| ES2331549A1 ES2331549A1 (en) | 2010-01-07 |
| ES2331549B2 true ES2331549B2 (en) | 2010-06-01 |
Family
ID=41449702
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ES200602724A Active ES2331549B2 (en) | 2006-10-25 | 2006-10-25 | NEW INTEGRATED OPTICAL SENSOR OF ULTRA-HIGH SENSITIVITY MECHANICAL DEFLEXION. |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| ES (1) | ES2331549B2 (en) |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7519257B2 (en) * | 2004-11-24 | 2009-04-14 | Cornell Research Foundation, Inc. | Waveguide structure for guiding light in low-index material |
-
2006
- 2006-10-25 ES ES200602724A patent/ES2331549B2/en active Active
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| ANGULO BARRIOS et al., "{}Electrically driven silicon resonant light emitting device based on slot-waeguide"{}. 12.12.2005. Optics Express Vol 13, n$^{o}$ 25, páginas 10092-10101. Epígrafes 1,3.3; figura 6. * |
| KOCABAS et al. "{}Design and analysis of an integrated optical sensor for scanning force microscopios"{}. 16.05.2006. Sensors Journal, IEEE, Vol.5, n$^{o}$ 3, páginas 411-418. ISSN: 1530-437X. Todo el documento. * |
| ZINOVIEV et al. "{} A novel optical waveguide microcantiveler sensor for detection of nanomechanical forces"{}. 31.05.2006. Journal of Lightwave Technology Vol. 4 n$^{o}$ 5, páginas 2133-2138 Todo el documento. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| ES2331549A1 (en) | 2010-01-07 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Ma et al. | Progress of infrared guided-wave nanophotonic sensors and devices | |
| Zainuddin et al. | Investigation of cladding thicknesses on silver SPR based side-polished optical fiber refractive-index sensor | |
| CA2601836C (en) | Silicon photonic wire waveguide biosensor | |
| Descrovi et al. | Guided Bloch surface waves on ultrathin polymeric ridges | |
| CN102230986B (en) | Optical phase device as well as application method and system thereof | |
| Slavı́k et al. | Single-mode optical fiber surface plasmon resonance sensor | |
| Ricciardi et al. | Versatile optical fiber nanoprobes: from plasmonic biosensors to polarization-sensitive devices | |
| US8279445B2 (en) | Interferometer and sensor based on bimodal optical waveguides, and detection method | |
| JP5384331B2 (en) | Sensors based on surface plasmon resonance | |
| US9759552B2 (en) | Evanescent field opto-mechanical displacement sensor | |
| US20020172457A1 (en) | Coated optical microcavity resonator chemical sensor | |
| US20160187256A1 (en) | Plasmonic interferometer sensor | |
| Kashyap et al. | Surface plasmon resonance-based fiber and planar waveguide sensors | |
| JPH11505023A (en) | Integrated optical interference sensor | |
| Ahmed et al. | Highly sensitive U-shaped micro-channel photonic crystal fiber–based plasmonic biosensor | |
| Takashima et al. | High-sensitivity refractive index sensor with normal incident geometry using a subwavelength grating operating near the ultraviolet wavelength | |
| Lv et al. | High-sensitive refractive index sensing enabled by topological charge evolution | |
| CN104570219B (en) | A kind of integrated optical sensor based on period waveguide microcavity resonance interference effect | |
| ES2331549B2 (en) | NEW INTEGRATED OPTICAL SENSOR OF ULTRA-HIGH SENSITIVITY MECHANICAL DEFLEXION. | |
| Azab et al. | DNA hybridization detection based on plasmonic photonic crystal fiber | |
| Yasli et al. | Photonic crystal fiber based surface plasmon sensor design and analyze with elliptical air holes | |
| Narayanaswamy et al. | Interferometric Biosensors for environmental pollution detection | |
| Rehammar et al. | Electromechanically tunable carbon nanofiber photonic crystal | |
| CN113514420B (en) | High-sensitivity sensor with double U-shaped waveguide structure | |
| Werquin et al. | Silicon Ring Resonator-Based Biochips |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| EC2A | Search report published |
Date of ref document: 20100107 Kind code of ref document: A1 |
|
| FG2A | Definitive protection |
Ref document number: 2331549B2 Country of ref document: ES |