中红外波段光探测传感技术研究[范文]

摘要：中红外传感由于传感的天然优势，近几年来逐渐成为集成传感器热点新方向。某些有机和非有机分子在中红外波段（2-20μm）有特定的吸收峰值，可以利用这种特性，理论上可以在中红外光谱学上实现痕量级别的分子检测。特别的是，中红外分子检测不需要进行分子标定，在生物/化学检测、环境监测等方面有重要的应用前景。氟化氢（HF）气体常产生于发生故障的高压电气设备中，它对高压电气设备器件腐蚀性很强，影响设备安全运行，通过在线检测高压电气设备中HF的浓度，对于设备的诊断和预防极为重要。由于中红外波导的限制，中红外传感器的探测精度也受到了限制。中红外波导的材料和结构两方面基本决定了中红外传感器的探测精度。由于中红外波导材料是比较有限的，通过使用新材料难度比较大，因此国内外的研究人员通过努力改变波导结构来提高中红外传感器探测精度。脊形波导到半悬空脊形波导，再到镂空式条形波导，波导表面与溶液接触面积不断增加，传感器探测精度不断提升。要想继续提高中红外传感器的探测精度，必须对中红外波导的结构进行特殊设计。亚波长光栅是一种光栅周期小于入射光波长的光栅，该结构在SiO2绝缘层上的Si结构蚀刻出周期性条状结构，类似于布拉格光栅，与其他波导结构相比，可以有效的增加波导表面与溶液的接触面积，是一种非常适合用来做传感的波导结构。可以通过适当的参数设计，将亚波长光栅波导运用在中红外传感，可能实现中红外传感精度的重大提高，充分发挥中红外光谱学检测的高精度特性。

HF红外吸收谱图

1 绪论

本文介绍了一种新型的波导结构-亚波长光栅波导结构，旨在于验证亚波长光栅波导用于检测氟化氢（HF）气体的可行性，通过仿真可以看出，亚波长光栅波导结构可以用于中红外波段，有效的提高了波导表面与溶液的接触面积，可以进一步提高传感器探测灵敏度。

1.1 中红外传感

传感器是系统的一部分，其作用类似于感觉器官，是人类感觉器官的延伸。人类借助传感器可以去探测那些人们无法用或不便用感官直接感知的事物，是人类探索未知，创造知识的有力工具。根据不同的技术工艺，传感器大体可以分为：光纤传感器、集成传感器、MEMS传感器、模糊传感器、网络传感器等等。其中，随着集成工艺和半导体硅工业的不断发展，集成传感器以其体积小、重量轻、高精度和低功耗等特性，被广泛应用于石油、化工、机械动力、生物医学及航空航天等领域。集成硅波导是集成传感器的核心器件，其在紫外区、可见光区和近红外区的传感应用研究已经非常成熟，出现了回音壁传感器（WGM）、微环传感器、微球传感器和微盘传感器等具有精度高、体积小、集成度高的集成传感器。

全反射条件下倏逝波场分布

中红外光谱逐渐引起了人们的重视，这是由于光电集成器件已经在该波段范围内实现了广泛的应用，如光通信、光传感、生物医学还有传统成像领域。许多有毒有污染，或者很难用其他方法检测到的气体或者液体在中红外波段有着强烈的吸收峰，正是由于这个原因，吸引着众多研究者踏入这一领域，研究中红外传感。相比于二氧化硅，本征硅在中红外波段范围内吸收损耗比较低，因为本征硅存在色散效应，当波长变化时，本征硅折射率会发生改变。而在大于3.6μm的中红外波段，二氧化硅损耗很高，在使用二氧化硅作为波导材料时需要考虑这一因素，新的波导材料或者新型波导机构可以解决吸收损耗这一问题[1]。传统光学器件在中红外波段具有高损耗问题，这是中红外光学器件发展的关键问题，如何解决这一问题成为了众多研究者的难题。

中红外传感因其在传感方面的天然优势，近年来越来越成为集成传感器发展的热点新方向之一。许多有机和非有机分子在中红外波段（2-20μm）有特定的吸收峰，通过利用这种特性，中红外光谱学理论上可以实现痕量级别的分子检测[2]。而且，中红外分子检测不需要进行分子标定，在化学/生物检测、环境监测等方面有重要的应用前景。但是，中红外传感器精度的提高受制于传感核心器件——中红外波导。中红外波导的材料和结构基本决定着中红外传感器的探测精度极限。而中红外材料是比较有限的，国内外的研究人员都致力于通过改变波导结构来提高中红外传感精度：从最简单的脊形波导到半悬空脊形波导，再到镂空式条形波导，波导表面与溶液接触面积不断增加，传感器灵敏度不断提高。要想继续提高中红外传感的灵敏度，必须对中红外波导的结构进行特殊设计。