[发明专利]气体传感器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种气体传感器及其制备方法，该气体传感器包括：SOI基片，包含底层硅、埋氧层和顶层硅，其中，顶层硅上制作有脊形光波导芯区结构，该脊形光波导芯区结构包括：依次连接的模斑转换器、直波导和布拉格反射光栅，以及一微环谐振腔，该微环谐振腔位于模斑转换器、直波导和布拉格反射光栅形成的直线一侧，与直波导位置对应且耦合连接，可与直波导进行光谐振耦合；气体传感上包层，位于一谐振耦合区域，该谐振耦合区域覆盖于直波导与微环谐振腔上方；以及绝缘上包层，覆盖于SOI基片上方除谐振耦合区域之外的区域。该气体传感器具有微型化、高灵敏度、响应速度快、不易受电磁干扰、制备工艺与CMOS工艺兼容、以及易于制备和集成的综合性能。

技术领域

本公开属于光学领域和微纳系统领域，涉及一种气体传感器及其制备方法，特别地，涉及一种一氧化碳传感器及其制备方法。

背景技术

一氧化碳是一种无色、无味不易觉察的有毒气体，在人体血液中血红蛋白与一氧化碳的结合能力比氧气的结合能力高200多倍。人体一旦长时间接触到过量的一氧化碳气体往往难以自救。因此，借助高灵敏度的传感器对一氧化碳实时检测显得非常重要。

传统的一氧化碳气体传感器主要有电容、电阻式和表面声波式，这些传感器都存在体积大、成本高、响应速率慢、灵敏度低、易受外界电磁场干扰等缺点。近年来，对于小型化、高精度、低成本的一氧化碳气体传感器的市场需求越来越高。

现有的气体传感器存在品质因数和传感器尺寸大小之间的矛盾，品质因数较高的传感器对应的尺寸较大，而体积小的传感器存在灵敏度较低、易受外界电磁场干扰、或者响应速度慢等问题。

因此，有必要提出一种能够同时实现微型化、高灵敏度、响应速度快且不易受外界电磁场干扰的气体传感器件，保证微型化、高灵敏度和高稳定性。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种气体传感器及其制备方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种气体传感器，包括：SOI基片，包含底层硅、埋氧层和顶层硅，其中，顶层硅上制作有脊形光波导芯区结构，该脊形光波导芯区结构包括：依次连接的模斑转换器、直波导和布拉格反射光栅，以及一微环谐振腔，该微环谐振腔位于模斑转换器、直波导和布拉格反射光栅形成的直线一侧，与直波导位置对应且耦合连接，可与直波导进行光谐振耦合；气体传感上包层，位于一谐振耦合区域，该谐振耦合区域覆盖于直波导与微环谐振腔上方；以及绝缘上包层，覆盖于SOI基片上方除谐振耦合区域之外的区域。

在本公开的一些实施例中，SOI基片中埋氧层的厚度大于或等于2μm：和/或，绝缘上包层的材料为B、P或B、Ge掺杂的二氧化硅；和/或，该气体传感器的尺寸为微米级。

在本公开的一些实施例中，气体传感上包层的材料为氧化锌纳米线，该氧化锌纳米线是利用阴影效应，通过电子束倾斜蒸发的工艺制备得到的。

在本公开的一些实施例中，布拉格反射光栅通过周期性改变波导宽度来实现，其反射中心波长位于1.55μm处，反射带宽至少大于微环谐振腔的自由谱范围。

在本公开的一些实施例中，布拉格反射光栅右侧端面镀有一层增反膜。

在本公开的一些实施例中，模斑转换器为一宽度渐变增大的波导，光入射端为窄波导端，与光纤相连，光出射端为宽波导端，与直波导尺寸匹配，通过宽度渐变实现直波导与光纤的高效耦合。

在本公开的一些实施例中，直波导与微环谐振腔进行耦合连接处的波导结构为直波导或者弯曲波导结构，以减小耦合失配因子，降低倏逝波耦合器的插入损耗。