本發(fā)明涉及一種微盤腔光溫度傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計及工藝制備方法，屬于硅基光子器件制備和集成光子器件。

背景技術(shù)：

1、傳統(tǒng)傳感器核心傳感部件較大，且與光子集成傳感器與之相比，無法進(jìn)行原位校準(zhǔn)、溯源因此承載著微腔傳感器的集成光子芯片的工作效率要比傳統(tǒng)的傳感器有所提高。近年來，集成光學(xué)微腔因其高靈敏度、高集成度在傳感領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。利用cmos兼容的微納加工工藝，集成光學(xué)微腔在實現(xiàn)大規(guī)模制備的小型化傳感系統(tǒng)中具有顯著潛力。使得光子集成傳感器能夠降低成本，并可將其嵌入到實際儀器系統(tǒng)中，提高系統(tǒng)便攜性。

2、目前微盤腔的制備工藝已經(jīng)比較成熟，但是大部分的微盤腔與傳感的對接設(shè)計還有所不足，因此微盤腔在傳感中的應(yīng)用較為少見。例如，使用微盤與光纖的耦合系統(tǒng)、微盤腔和波導(dǎo)的異質(zhì)結(jié)構(gòu)的耦合系統(tǒng)，少有波導(dǎo)微盤腔的同質(zhì)結(jié)構(gòu)。基于同質(zhì)結(jié)構(gòu)的微盤腔傳感器設(shè)計更為少見。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了解決現(xiàn)有波導(dǎo)微盤腔同質(zhì)結(jié)構(gòu)制備工藝難點(diǎn)，本發(fā)明的目的是提供一種微盤腔光溫度傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計及工藝制備方法，通過多次光刻和濕法、干法刻蝕工藝相結(jié)合，得到基于氮化硅的微盤腔-波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)，能夠在減少異質(zhì)工藝步驟復(fù)雜度的同時，提高傳感器的制作成本，并提高生產(chǎn)器件的效率。

2、本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)的：

3、本發(fā)明公開的一種微盤腔光溫度傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，實現(xiàn)方法如下：

4、由微諧振器的自由光譜范圍公式(1)得到諧振波長、微盤半徑以及等效折射率之間的關(guān)系

5、

6、將式(1)帶入到由折射率變化導(dǎo)致諧振波長隨溫度變化的公式(2)得公式(3)

7、

8、當(dāng)外界溫度變化δt時，微盤諧振腔附近的介質(zhì)折射率變化與耦合效率兩者之間的關(guān)系滿足式(4)

9、

10、由于耦合效率與諧振波長的變化成正相關(guān)，通過耦合效率將被測量溫度變化與測試量功率變化相聯(lián)系得公式(5)

11、

12、被測量和測試量之間的關(guān)系如式(6)

13、

14、傳感系統(tǒng)的靈敏度k表示如式(7)

15、

16、式(1)～(7)中，λ為微盤腔的諧振波長，ng為等效折射率，r為微盤腔半徑，n為液體的折射率，t為環(huán)境溫度，δλfsr為系統(tǒng)的自由光譜范圍，相鄰諧振模式的頻率差或波長差，ηeff為耦合效率，m為耦合效率與諧振波長變化量的正相關(guān)系數(shù)，p為功率值，p0為初始功率值。

17、根據(jù)式(1)～(7)，通過調(diào)節(jié)微盤腔的半徑和結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)控制微盤腔的諧振波長，調(diào)控傳感系統(tǒng)的靈敏度，直至得到滿足設(shè)計要求的微盤腔光溫度傳感器的結(jié)構(gòu)。

18、本發(fā)明公開的一種微盤腔光溫度傳感器的結(jié)構(gòu)工藝制備方法，用于制備所述一種微盤腔光溫度傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法設(shè)計的微盤腔光溫度傳感器。一種微盤腔光溫度傳感器的結(jié)構(gòu)工藝制備方法，包括如下步驟：

19、步驟一：選用單晶單拋的硅片作為基底，清洗基底，在氮?dú)鈿夥罩猩郎刂翜囟萢后，恒溫下通入氧氣和水汽在硅基底上熱氧氧化生長氧化硅厚膜，生長結(jié)束后升溫，在溫度b下退火。

20、步驟二：在氮?dú)夥諊薪禍刂翜囟萩，將樣片送入反應(yīng)腔室，通入二氯二氫硅和氨氣生長氧化硅，分兩次生長厚膜氮化硅，完成后再生長一層氮化硅薄膜，取出樣品，在反應(yīng)腔室中通入氮?dú)馍郎刂翜囟萪并退火。

21、步驟三：在樣片上旋涂光刻膠。

22、步驟四：以光刻膠為掩膜刻蝕樣片上的氮化硅層。

23、步驟五：去除樣片上的光刻膠。

24、步驟六：在反應(yīng)腔室中通入反應(yīng)氣體，生長氧化硅膜層填充刻蝕區(qū)域并覆蓋氮化硅層生長預(yù)定厚度。

25、步驟七：以光刻膠為掩膜刻蝕樣片上的氮化硅層，其版圖與步驟四所用版圖不同。

26、步驟八：以光刻膠為掩膜濕法刻蝕去除氧化硅層，在刻蝕到接近硅基底時采用干法刻蝕修飾刻蝕表面。

27、步驟九：去除樣片上的光刻膠，得到設(shè)計目標(biāo)的微盤腔光溫度傳感器。

28、還包括步驟十：在樣片上通入溶液，在溫度有微擾的情況下觀測功率計的變化，同時通過數(shù)據(jù)采集儀記錄并總結(jié)溫度與功率計光強(qiáng)、諧振波長頻移大小之間的關(guān)系，實現(xiàn)微盤腔光溫度測量。

29、進(jìn)一步的，微盤腔光溫度傳感器的結(jié)構(gòu)的測溫原理為：

30、當(dāng)外界溫度變化δt時，微盤諧振腔附近的介質(zhì)折射率變化與耦合效率兩者之間的關(guān)系式為

31、

32、進(jìn)一步的，所述的微盤腔光溫度傳感器的結(jié)構(gòu)實時功率與溫度變化的關(guān)系為

33、

34、其中k為溫度測試靈敏度，k表示為

35、

36、λ為微盤腔的諧振波長，ng為等效折射率，r為微盤腔半徑，n為液體的折射率，t為環(huán)境溫度，δλfsr為系統(tǒng)的自由光譜范圍，相鄰諧振模式的頻率差或波長差，ηeff為耦合效率，m為耦合效率與諧振波長變化量的正相關(guān)系數(shù)，p為功率值，p0為初始功率值。

37、進(jìn)一步的，步驟一通入氧氣量和水汽量比例不高于0.01。

38、進(jìn)一步的，步驟二所述方法的二氯二氫硅和氨氣的比例不高于1:4。

39、進(jìn)一步的，生長溫度a低于退火溫度b、生長溫度c低于退火溫度d；

40、進(jìn)一步的，兩次生長的氧化硅厚度第一次要低于第二次。

41、進(jìn)一步的，對制備完成的微盤腔光溫度傳感器進(jìn)行清洗，清洗溶液包括有機(jī)溶劑丙酮、乙醇。

42、進(jìn)一步的，步驟十通入的溶液需要具備熱脹系數(shù)高的特點(diǎn)，通入的溶液熱脹系數(shù)高于1.5e-4。

43、有益效果：

44、1、本發(fā)明公開的一種微盤腔光溫度傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，將設(shè)計的結(jié)構(gòu)與高光熱系數(shù)的介質(zhì)相結(jié)合，相比于單純硅光結(jié)構(gòu)，可以有效的進(jìn)行系統(tǒng)的散熱，實現(xiàn)測溫傳感裝置的高穩(wěn)定性，從而擴(kuò)大系統(tǒng)的應(yīng)用范圍以及魯棒性。

45、2、本發(fā)明公開的一種微盤腔光溫度傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，通過溫度與折射率相關(guān)公式，將傳感系統(tǒng)的半徑、諧振波長、折射率、耦合強(qiáng)度以及光功率聯(lián)系起來：通過折射率與耦合強(qiáng)度相關(guān)將光信號傳遞至溫度，將光功率與溫度的變化建立起聯(lián)系，通過改變光功率與溫度變化關(guān)系中的參數(shù)系數(shù)來提高微區(qū)溫度測試的靈敏度、設(shè)計測溫范圍；通過調(diào)節(jié)微盤腔的半徑和結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)控制微盤腔的諧振波長，調(diào)控傳感系統(tǒng)的靈敏度，實現(xiàn)微盤腔光溫度傳感器的定量設(shè)計優(yōu)化，直至得到滿足設(shè)計要求的微盤腔光溫度傳感器的結(jié)構(gòu)。

46、3、本發(fā)明公開的一種微盤腔光溫度傳感器的結(jié)構(gòu)的工藝制備方法，通過膜層生長后的退火，提高膜層的致密性，對提高結(jié)構(gòu)的q值有增益效果，且能夠間接提高測試的靈敏度；采用多步退火工藝對氧化硅和氮化硅膜層退火，能夠使氮化硅折射率穩(wěn)定在設(shè)計的參數(shù)范圍內(nèi)，使得傳感器的探測穩(wěn)定度有所提高；通過控制氮化硅膜層的硅氮比，能夠提升波導(dǎo)與微盤的耦合效果，擴(kuò)大微區(qū)測溫的范圍；在刻蝕氧化硅階段，同時使用濕法刻蝕與干法刻蝕相結(jié)合的刻蝕方法，優(yōu)化微盤腔結(jié)構(gòu)的側(cè)壁粗糙度，提高測溫的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確度。

47、4、本發(fā)明公開的一種微盤腔光溫度傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計及工藝制備方法，通過膜層生長工藝以及干法、濕法刻蝕結(jié)合，制備得到同質(zhì)波導(dǎo)微盤腔的耦合結(jié)構(gòu)，通過膜層優(yōu)化傳感系統(tǒng)的靈敏度、測溫范圍；通過刻蝕工藝的優(yōu)化，提升傳感系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時獲得同質(zhì)結(jié)構(gòu)的傳感結(jié)構(gòu)。本發(fā)明與傳統(tǒng)測溫傳感相比，靈敏度有所提升、能夠大量制備節(jié)約成本、同時彌補(bǔ)微盤腔傳感應(yīng)用的不足。