基于外置液囊和固定波長(zhǎng)的超高分辨溫度傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種超高分辨率，納米尺度的溫度傳感器，尤其涉及基于外置液囊和 單一波長(zhǎng)激光探測(cè)的超高靈敏度溫度傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002] 溫度傳感器是實(shí)際應(yīng)用中最廣泛的傳感器之一，從我們生活中的寒暑表，體溫計(jì) 到大型儀器以及集成電路上的溫控設(shè)備，溫度傳感器無(wú)處不在。傳統(tǒng)溫度傳感器如熱電阻、 鉑電阻，雙金屬開關(guān)等雖然有著各自的優(yōu)點(diǎn)，但在微型和高精度產(chǎn)品中卻不再適用。半導(dǎo)體 溫度傳感器靈敏度或分辨率高、體積小、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)使得其在半導(dǎo)體集成 電路中應(yīng)用非常廣泛。
[0003] 基于表面等離子激元的波導(dǎo)卻能突破衍射極限的限制，實(shí)現(xiàn)納米尺度的光信息處 理和傳輸。表面等離子激元是當(dāng)電磁波入射到金屬與介質(zhì)分界面時(shí)，電磁波和金屬表面的 自由電子親合形成的一種在金屬表面?zhèn)鞑サ谋砻骐姶挪?。根?jù)表面等離子激元的性質(zhì)，人 們已經(jīng)提出了很多基于表面等離子體結(jié)構(gòu)的器件，例如濾波器、環(huán)形器、邏輯門、光開關(guān)等。 這些器件在結(jié)構(gòu)上都比較簡(jiǎn)單，非常便于光路集成。
[0004] 目前，根據(jù)表面等離子激元的性質(zhì)人們提出的溫度傳感器的靈敏度只有70pm/°C 或-0.65nm/°C。雖然這些表面等離子激元的溫度傳感器體積很小，但是靈敏度或分辨率并 不尚。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種便于集成的MIM結(jié)構(gòu)的超高分 辨率溫度傳感器。
[0006] 本發(fā)明的溫度傳感器通過(guò)下述技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)。
[0007] 本發(fā)明的基于外置液囊和固定波長(zhǎng)的超高分辨率溫度傳感器由一個(gè)外置液囊、金 屬塊、一個(gè)豎直波導(dǎo)、一個(gè)水平波導(dǎo)、兩個(gè)金屬膜和一個(gè)水平傳播的信號(hào)光組成;所述信號(hào) 光采用固定波長(zhǎng);所述液囊和所述豎直波導(dǎo)連接，所述金屬塊設(shè)置豎直波導(dǎo)內(nèi)，且可以移 動(dòng);所述豎直波導(dǎo)和水平波導(dǎo)連接。
[0008] 所述液囊內(nèi)物質(zhì)為高熱膨脹系數(shù)的物質(zhì)；
[0009] 所述高膨脹系數(shù)的物質(zhì)為酒精或水銀。
[0010] 所述液囊的形狀為立方體、球形、橢球形或不規(guī)則形狀。
[0011] 所述金屬為金或銀。
[0012] 所述金屬為銀。
[0013]所述水平波導(dǎo)和豎直波導(dǎo)為MIM結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)。
[0014]所述水平波導(dǎo)內(nèi)的介質(zhì)為空氣。
[0015]所述信號(hào)光為單一波長(zhǎng)激光，其波長(zhǎng)為792nm的激光。
[0016] 所述可移動(dòng)金屬塊固定位置為116nm。
[0017] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，有如下積極效果：
[0018] 1.結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，非常便于集成。
[0019] 2.分辨率高，溫度平均分辨率平均達(dá)到0.99 X 10-9°C，最高分辨率為0.595 X 10一9 V。
【附圖說(shuō)明】
[0020] 圖1是本發(fā)明超高分辨率溫度傳感器第一種實(shí)施例二維結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021] 圖中：外置液囊1金屬塊2豎直波導(dǎo)3金屬膜4水平波導(dǎo)5金屬膜6水平傳播的 信號(hào)光200
[0022] 圖2是本發(fā)明超高分辨率溫度傳感器第二種實(shí)施例二維結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023] 圖中：外置液囊1金屬塊2豎直波導(dǎo)3金屬膜4水平波導(dǎo)5金屬膜6水平傳播的 信號(hào)光200
[0024] 圖3是不同波長(zhǎng)信號(hào)光的透射頻譜圖。
[0025] 圖4是不同波長(zhǎng)透射率的間隔的平均值。
[0026] 圖5是透射率對(duì)應(yīng)溫度的導(dǎo)數(shù)曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的闡述。
[0028]如圖1所不，本發(fā)明高分辨率溫度傳感器由一個(gè)外置液囊1、金屬塊2、一個(gè)豎直波 導(dǎo)3、一個(gè)水平波導(dǎo)5、兩個(gè)金屬膜4、6(沒(méi)有刻蝕的金屬膜)和一水平傳播的信號(hào)光200(波導(dǎo) 表面形成表面等離子激元)組成;信號(hào)光采用固定波長(zhǎng);液囊1和豎直波導(dǎo)3連接，液囊1為球 形，其半徑R采用〇.1_，該液囊1內(nèi)的物質(zhì)為比熱容較低，且為高熱膨脹系數(shù)的物質(zhì);所述高 熱膨脹系數(shù)的物質(zhì)采用酒精或水銀，最好采用酒精;金屬采用金或銀，最佳為銀，金屬膜厚 度（以下用hi表示)采用100nm以上取值范圍，以100nm厚度為最佳;金屬塊2設(shè)置豎直波導(dǎo)3 內(nèi)，且可以移動(dòng)，移動(dòng)金屬塊2長(zhǎng)度m采用80nm-150nm取值范圍，以125nm長(zhǎng)度為最佳，可移動(dòng) 金屬塊2距離水平波導(dǎo)5的距離s采用0nm-200nm距離范圍，且由金屬塊2的位置確定，該金屬 塊2為金或銀，最佳為銀;豎直波導(dǎo)3和水平波導(dǎo)5連接;豎直波導(dǎo)3和水平波導(dǎo)5為MM結(jié)構(gòu)的 波導(dǎo)，即MIM波導(dǎo)為金屬-絕緣體-金屬結(jié)構(gòu)，絕緣體采用不導(dǎo)電透明物質(zhì)；不導(dǎo)電透明物質(zhì) 為空氣、二氧化硅或硅；豎直波導(dǎo)3位于水平波導(dǎo)5的上端；豎直波導(dǎo)3的寬度b采用30nm-60nm取值范圍，以35nm寬度為最佳，豎直波導(dǎo)3的長(zhǎng)度Μ采用200nm以上，以300nm長(zhǎng)度為最 佳;豎直波導(dǎo)3的左邊緣到金屬膜6左邊緣的距離a采用350nm-450nm取值范圍，以400nm為最 佳。水平波導(dǎo)5寬度d采用30nm-100nm取值范圍，以50nm寬度為最佳，水平波導(dǎo)5內(nèi)的介質(zhì)為 空氣；水平波導(dǎo)5的下邊緣距離金屬膜6的邊緣的距離c采用大于150nm的取值范圍；信號(hào)光 波長(zhǎng)為792nm的激光。
[0029]本發(fā)明通過(guò)溫度的變化來(lái)改變酒精的體積，使其膨脹推動(dòng)可移動(dòng)金屬塊3向水平 波導(dǎo)5移動(dòng)來(lái)改變豎直波導(dǎo)4內(nèi)空氣段的長(zhǎng)度，可移動(dòng)金屬塊3向下移動(dòng)使得其到水平波導(dǎo)5 距離發(fā)生變化，信號(hào)光的透過(guò)率也就隨之發(fā)生變化；由于可移動(dòng)金屬塊3往下移動(dòng)受溫度的 控制，所以溫度的變化影響信號(hào)光的透射率的變化，根據(jù)透射率的變化即可探測(cè)溫度信息 的變化;透射率的特征可以與溫度一一對(duì)應(yīng)，即從透射率的特征即可知道溫度的變化。當(dāng)溫 度又降回初始溫度時(shí)，在外界大氣壓的作用下，金屬塊3又會(huì)回到初始?jí)毫ζ胶獾奈恢?，?便下一次探測(cè)。
[0030]本發(fā)明酒精體積膨脹系數(shù)為aethancil = l. 1 X 1(T3/°C，在室溫（20°C)時(shí)密度為P < 0.789g/cm3。金屬塊的線膨脹系數(shù)為aAg=19.5Xl(T6/°C。相比于酒精的膨脹系數(shù)，在相同溫 度變化下，銀的膨脹可以忽略不計(jì)。本發(fā)明中即不再考慮溫度變化對(duì)金屬塊體積的影響。根 據(jù)液囊的體積和可移動(dòng)金屬塊的截面積可以計(jì)算出金屬塊的位置變化與溫度的關(guān)系，由此 定義一個(gè)比例系數(shù)〇表示單位溫度的變化對(duì)應(yīng)的金屬塊移動(dòng)距離
[0032] 此式也可以作為衡量該結(jié)構(gòu)的溫度敏感性。根據(jù)此式可以得出圓形吸收腔的截面 積以及可移動(dòng)金屬塊的寬度對(duì)金屬塊的位置變化影響比較大，綜合考慮選擇b = 35nm。則σ =1.32 X l(T9nm/°C，此結(jié)果為金屬塊的移動(dòng)量與溫度的關(guān)系。
[0033] 如圖2所示，本發(fā)明高分辨率溫度傳感器由一個(gè)外置液囊1、金屬塊2、一個(gè)豎直波 導(dǎo)3、一個(gè)水平波導(dǎo)5、兩個(gè)金屬膜4、6(沒(méi)