專利名稱：微量濕度和有機氣體集成光波導(dǎo)芯片傳感器及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于測量濕度和氣體濃度的傳感器。
背景技術(shù)：
應(yīng)用光電學(xué)方法檢測及測量低濕度和低濃度有機氣體面臨諸多技術(shù)困難，尤其是檢測及測量百萬分比數(shù)量級的低濕度和低濃度。光波導(dǎo)是通過光的全反射效應(yīng)把光束限制在一定區(qū)域內(nèi)傳播的光學(xué)器件結(jié)構(gòu)，分為平面光波導(dǎo)和條形光波導(dǎo)，前者基本結(jié)構(gòu)為三層平面薄膜，中間薄膜的折射率大于上下兩層薄膜，從而在中間形成波導(dǎo)層；后者要求具有光波諧振腔模式和波導(dǎo)結(jié)構(gòu)?！耙环N光波導(dǎo)傳感器及其制作方法”(中國發(fā)明專利申請?zhí)?201010171743. 7)，其光波導(dǎo)基片介質(zhì)為耐高溫光學(xué)材料，在光波導(dǎo)基片上有線狀光波導(dǎo)并在其表面設(shè)置光柵，光波導(dǎo)限制為單模的或少數(shù)幾個模，使得光柵諧振模式與其對應(yīng)。光波導(dǎo)材料的折射率隨環(huán)境溫度變化而改變光波導(dǎo)光柵的周期，通過檢測光柵的諧波波長變化則可測量溫度。本申請的目的是提出測量溫度的傳感器，而制備工藝需要用耐高溫且對溫度敏感的光學(xué)材料以及附加光柵。與本發(fā)明目的相關(guān)的文獻(xiàn)中，“一種基于諧振干涉復(fù)合結(jié)構(gòu)和游標(biāo)效應(yīng)的光波導(dǎo)傳感器”(中國發(fā)明專利申請?zhí)?00910153230. 0)，包含輸入波導(dǎo)、四個分支波導(dǎo)、輸出波導(dǎo)等。光從輸入波導(dǎo)進(jìn)入分支波導(dǎo)、與兩側(cè)對稱設(shè)置的傳感諧振腔和參照諧振腔耦合，傳感諧振腔與參照諧振腔光學(xué)長度不同，諧振頻率不完全重合，而傳感諧振腔的部分波導(dǎo)與被測物質(zhì)接觸，引起諧振模式折射率變化，從而諧振譜移動產(chǎn)生游標(biāo)效應(yīng)。 將此移動放大并轉(zhuǎn)換為相鄰兩個諧振峰的功率比變化而檢測被測物質(zhì)。除上述外，中國發(fā)明專利還有申請?zhí)?01010171743. 7,200910154601. 7,200920200575. 2等文獻(xiàn)。但該類光波導(dǎo)傳感器為金屬構(gòu)件，至少需要一個諧振腔，且光路十分復(fù)雜，準(zhǔn)確的諧振頻率必需精確的制作工藝。通常的，光學(xué)楊氏干涉條紋強度分布和干涉條紋間距為
權(quán)利要求
1.微量濕度和有機氣體集成干涉光波導(dǎo)芯片傳感器，其特征是該傳感器由低折射率平面光波導(dǎo)A和高折射率平面光波導(dǎo)E按EAEA排序交替覆蓋在A上或按EAEAS排序交替覆蓋在襯底S上的平面玻璃膜組成，其中，表層E為感應(yīng)層，被測氣體分子通過感應(yīng)層進(jìn)入傳感器，而低折射率平面光波導(dǎo)A折射率為1. 455 1. 464，高折射率平面光波導(dǎo)E折射率為 1. 465 1. 495。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征是低折射率平面光波導(dǎo)A折射率為1.45，高折射率平面光波導(dǎo)E的折射率為1. 465 1. 495。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的傳感器，其特征是該傳感器的膜應(yīng)力為50 80MPa。
4.一種制備如權(quán)利要求1 3所述的集成光波導(dǎo)芯片傳感器的方法，包括以下步驟(1)將SiH4和N2O混合氣體輸入PECVD機的反應(yīng)室，反應(yīng)后得到純SiO2,折射率為 1. 455 1. 464，作為低折射率平面光波導(dǎo)S或/和A ；(2)在上述混合氣體中摻雜鍺烷組成鍺烷混合氣體輸入PECVD機的反應(yīng)室，鍺烷濃度占混合氣體濃度的9% ；同時輸入氨氣，氨氣為混合氣體濃度的5% 12%，反應(yīng)后得到摻雜鍺的SiO2材料，折射率為1. 465 1. 495，作為高折射率平面光波導(dǎo)E ； (3)返回步驟(1)制備低折射率平面光波導(dǎo)A；(4)返回步驟(2)制備高折射率平面光波導(dǎo)E；或者，用聚甲基丙烯酸甲酯或聚碳酸酯之一通過離心甩膠法制備高折射率平面光波導(dǎo)E ；上述氣體的反應(yīng)過程中反應(yīng)室溫度為300°C、壓強為400mTorr，反應(yīng)后，經(jīng)1100°C退火爐緩慢退火。使制成的傳感器每層膜厚為2. 5 3. 0 μ m。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征是在反應(yīng)中進(jìn)入反應(yīng)室的鍺烷氣體流速為 300mL/min，氨氣流速為 150 400mL/min。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的制備方法，其特征是在反應(yīng)室中反應(yīng)時間為21 25min 以確定淀積出的膜厚。
全文摘要
微量濕度和有機氣體集成光波導(dǎo)芯片傳感器及制備方法，屬于測量濕度和氣體濃度的傳感器。本發(fā)明傳感器由平面光波導(dǎo)A和E按EAEA～EAEAS排序交替覆蓋在A上或襯底S上組成，表層E為感應(yīng)層，A和E折射率分別為1.45、1.465～1.495或進(jìn)一步為1.465～1.48。制備是用PECVD方法使摻雜SiO2的兩個平面光波導(dǎo)E夾在純SiO2平面光波導(dǎo)A之間構(gòu)成玻璃薄膜芯片。本發(fā)明傳感器厚度僅約15μm，靈敏度達(dá)ppm量級，體積小、高穩(wěn)定、準(zhǔn)直簡便，成本低、工業(yè)化生產(chǎn)，可用于環(huán)境、醫(yī)療及工業(yè)領(lǐng)域的實時監(jiān)測。
文檔編號G01N21/45GK102183489SQ20101060283
公開日2011年9月14日 申請日期2010年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月24日
發(fā)明者任一濤 申請人:云南大學(xué)