一种基于多孔硅微腔光学特性的气体传感器的研究_李志全
一种可见光波段气体传感器的设计与研究
文章编号：1007 − 6735(2020)05 − 0448 − 05DOI: 10.13255/ki.jusst.20190906004一种可见光波段气体传感器的设计与研究罗世忠， 王 琦， 孙光瑀， 张大伟（上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093）摘要：为了设计一种性能优越的气体传感结构，提出一种亚波长介质光栅/电介质/金属衬底混合波导结构，基于导模共振效应，在反射光谱中形成4个窄带共振缺陷峰。
选用多孔硅作为波导层，基于多孔硅的折射率可调特性，通过观察共振波长的漂移实现样本气体浓度的动态监测，分析结构的传感特性。
结果表明，3个窄带共振峰的灵敏度分别为300，350，400 nm/RIU，品质因数分别可以达到120，152.2，307.7/RIU，检测精度高，皆可用于气体传感。
关键词：气体传感器；亚波长光栅；导模共振；多孔硅；品质因数中图分类号：O 433 文献标志码：ADesign and analysis of a visible light band gas sensorLUO Shizhong， WANG Qi， SUN Guangyu， ZHANG Dawei(School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University ofShanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)Abstract: In order to design a gas sensing structure with superior performance, a hybrid waveguide structure consisting of a subwavelength dielectric grating, a dielectric layer and a metal substrate was proposed. Based on the guided mode resonance, four narrow-band resonance defect peaks were formed in the reflection spectrum. Porous silicon was used as the waveguide layer. Based on the refractive index tunable properties of porous silicon, the structure can realize the dynamic monitoring of sample gas concentration by observing the drift of the resonance wavelength, and the analysis of sensing characteristics of the structure. The results illustrate that the sensitivity of three narrow-band resonance peaks are 300, 350, 400 nm/RIU respectively. And the figure of merit can reach 120, 152.2, 307.7/RIU respectively.The structure has a high detection accuracy and can be used for gas sensing.Keywords: gas sensor; subwavelength grating; guide mode resonance; porous silicon; figure of merit导模共振（guide mode resonance, GMR）是指外部传播的衍射场与受调制波导的泄漏模之间产生耦合，当入射光参数或光栅结构参数发生极小变化时，光栅衍射波的传播能量发生剧烈变化的现象[1-2]。
基于高性能硅基光学超表面光场调控微腔的高集成度多功能传感技术研究
该研究为进一步实现硅基光学超表面光场调控微腔的集成化、 小型化、便携化提供了新的思路和方法，将为未来的智能化、 多功能、高灵敏度传感技术发展提供重要推动力。
展望
随着硅基光学超表面光场调 控微腔技术的不断发展和完 善，未来有望实现更高效、 更快速、更准确的多功能传 感应用。
在生物医学领域，硅基光学 超表面光场调控微腔有望为 疾病的早期诊断、实时监测 、药物筛选等提供更精确、 更便捷的技术支持。
在环境监测领域，该技术有 望为大气污染、水质污染、 土壤污染等监测提供更灵敏 、更可靠的技术手段，为环 境保护和治理提供有力支持 。
微腔作为一种重要的光学器件，具 有高灵敏度、高分辨率和高集成度 等优点
目前，基于高性能硅基光学超表面 光场调控微腔的高集成度多功能传 感技术的研究尚不充分
研究意义
有助于提高硅基光学超表面光场调控和微腔光学传感 的技术水平
对于推动硅基光学和微纳光学的发展具有积极作用
有利于实现多功能、高集成度和高灵敏度的光学传感 ，满足实际应用需求
有效性。
系统集成与应用
将硅基光学超表面微腔与读出 电路、控制电路等模块集成在 一起，形成高集成度的多功能 传感器系统，应用于实际场景
中进行测试和应用验证。
04
研究结果及讨论
研究结果
实现了微腔的高效调制，通过改变超表面的 结构参数，显著提升了微腔的反射率和透射
率
实验结果表明，所制备的传感器在波长范围 为1500-1600 nm内具有优秀的传感性能
03
研究内容及方法
研究内容
硅基光学超表面光场调控微腔的制造与优化
一种基于多孔硅微腔光学特性的气体传感器的研究
Ａｂ ｔａ ｔＷ ｈ ｎ ｔ ｅ ｐ ｒ ｕ ｉｃ ｎ ｉ ｘ ｏ ｅ ｏ ｖ ｐ ｒｏ ｅ ｅ ａ ｒ ａ ｉ ｓ ｅ ｉｓ ｈ ｖ ｒ ｇ ｅｒ ｃｉ ｅｉ— ｓｒ ｃ ： ｅ ｈ ｏ ｏ ｓｓｌ ｏ ｓｅ ｐ ｓ ｄ ｔ ａ ｏ ｆｓ ｖ ｒ ｌ ｇ ｎｃ ｐ ｃｅ ，ｔ ｅａ ｅ ａ ｅ ｒｆａ ｔ ｎ ｉ ｏ ｖ
１ Ｄｅａ ｔ ｎ ｆ ｉｓｒｍｅｔ ｃｅｃ ｎ ｎ ｉｅｒｎ Ｑｉｈ ａ ｇ ａ ｂ ｉ ６ ０ ４ ｈｎ ； ． ｐ ｒｍｅｔ ｎｔ ｏ ｕ ｎ ｉｎｅａ ｄ Ｅ ｇｎｅｉｇ， ｎ ｕ ｎ ｄ ｏＨｅｅ ６０ ，Ｃ ｉａ Ｓ ０ ２ Ｓ ｔ ｙＬ ｂｒｔｒ ｆＭ ｅ ｓ ｂｅＭａｅｉｌ Ｓ ｉｎｅａ ｄ Ｔ ｃ ｎ ｌｇ ． ａｅ Ｋｅ ａｏａｏｙｏ ｔ ｔ ｌ ａ ａ ｔｒａｓ ｃｅｃ ｎ ｅｈ ｏｏ ｙ，Ｃ ｌ ｇ ｆＭａｅｉｌ Ｓ ｉ ｃ ｎ ｎ ｉｅｒ ｏｌ ｅ ｔｒａｓ ｃｅ ｅａ ｄ Ｅ ｇｎ ｅ ， ｅ ｏ ｎ
ｓ ｉ ｉ ｉ ｅ ｅ ｔｒｓ ｎ ｎ ｅ ｋｓ ｉ ａｕ ｓｉ ｈ ｅｌｃ ｉｉ ｐ ｃｒ ．Ｉ ｈ ｓｗｏ ｋ，ｗｅｓ ｔ ｐ ｓ ｎ ｉ ｇｍｏ ｅ ｕｔ ｎｄｆ ｒ ｎ ｅ ｏ ａ ｔｐ ａ ｈｆ ｖ ｌ ｅ ｔ ｅｒ ｆｅ ｔ ｔ ｓ ｅ ｔａ ｎ ｔ ｉ ｆ ｔ ｎ ｖ ｙ ｒ ｅ ｅ ｓｎ ｄ ｌ ｕ
ｅ ｃ ｔｉ． Ｕｓｎ ｘ ｅｉ ｅ ｔｌｓ ｔ ｐ ｔ ｅ ｓ ｒ ｈ ｅｌｃｉｉｙ ｓ ｅ ｔｕ ｏ Ｐ ｓ ｘ ｅ ｉ ｅ ｔ ｌ ｅ ｕｔ ｎ ｅｍａ ｒｘ ｉｇ ｅ ｐ ｒｍ ｎ ａ ｅｕ ｏｍ ａ ｕ ｅｔ ｅｒ ｆｅｔｖｔ ｐ ｃ ｒ ｍ ｆＳ Ｍ ，ｅ ｐ ｒｍ ｎ ａ ｓ ｌｓ ｒ ｐ ｏ ｅｔ ａ ｔ ｉ ａ ｆ ａ ｉｌ ｐ ｉａ ｅ ｓ ｒｆ ｒ ｏ ｇ ｎ ｃ ｓ ｅ ｉｓｄ ｔｃｉ ｇ Ｒｅ ｏ ｕ ｉｎ ｏ ｈ Ｍ ｓ ｓ ｎ ｏ ｓ ｒ ｖ ｈ ｔｉ ｓ ｅ ｓｂｅ ｏ ｔｃ ｌｓ ｎ ｏ ｏ ｒ ａ ｉ ｐ ｃｅ ｅｅ ｔ ． ｎ ｓ ｌｔｏ ｆ ｔ ｅ ＰＳ ｅ ｓ ｒｉ ｈｇ ｉｈ．ｒ ｓ ｏ ｓ ｉ ｎ ｅ ｕ ｉ Ｓｓ ｏ ｔａ ｄ ｗｅｌｒｐ ｔ ｉｎ ｅ ｐ ｎ ｅｔ ｍｅａ ｄ ｒ ｓ ｍｅｔｍｅｉ ｈ ｒ ｎ ｌ ｅ ｅｉ ｏ ． ｔ
多孔硅基VO纳米颗粒复合结构气敏传感元件的制备方法[发明专利]
![多孔硅基VO纳米颗粒复合结构气敏传感元件的制备方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/f16fb7a48662caaedd3383c4bb4cf7ec4bfeb65b.png)
专利名称：多孔硅基VO纳米颗粒复合结构气敏传感元件的制备方法
专利类型：发明专利
发明人：梁继然,张颖,吴文豪
申请号：CN202011185310.7
申请日：20201030
公开号：CN114441599A
公开日：
20220506
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种多孔硅基VO2纳米颗粒复合结构气敏传感元件的制备方法，涉及气敏传感器技术领域，用于解决多孔硅对NO2气体响应灵敏度低的问题，所述制备方法包括以下步骤：清洗单晶硅片；利用电化学腐蚀法制备多孔硅；利用化学气相输运沉积在多孔硅基底沉积VO2纳米颗粒，形成多孔硅基VO2纳米颗粒复合结构气敏传感元件。
通过巨大的比表面积和异质结结构，多孔硅基VO2纳米颗粒复合结构气敏传感元件在室温下对NO2气体的灵敏度有较大的提高，同时有着良好的选择性。
申请人：天津大学
地址：300072 天津市南开区卫津路92号
国籍：CN
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一种硅微多传感器集成研究
Ｔｈ ｓ ａ ｃ ｆ ａ Ｍ ｉ ｒ － ｉｉ ｏ ｎ ｅ ｒ ｔ ｄ Ｍ ｕ ｔ— ｅ ｓ ｒ ｅ Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ｏ ｃ ｏ Ｓ ｌｃ ｎ Ｉ ｔ ｇ ａ ｅ ｌｉＳ ｎ ｏ
ＺＨＡＯ －ｏ ｇ ，ＸＵ Ｊ ｎ —ｏ，ＪＩ Ｙｕ ｌｎ ｉｇｂ ＡＮＧ ｈ ａ ｇ ｄｅ Ｚ ｕ ｎ — ，ＳＵＮ ａ Ｊｉ ｎ
×６ｍｍＸ０ ９ｉＩ。给出 了集成传感器 词 ： 集成； 多传感器； 微硅 ； 干扰
中图分类 号 ： ２ ２ Ｔ ４ ２ Ｔ １ ；Ｎ ０
文献标 识码 ： Ａ
文章 编号 ：０ ４ １９ （ ０ ８ ０ －４ ４０ １ ０ －６ ９ ２ ０ ） ３０ ０ －４
在航 空航 天 、 事 、 车 、 军 汽 环境 监 测 等 领 域 中 ， 由于环境适 应性 、 积 、 本 和功 能 等 的严 格 限 制 ， 体 成 要 求 传感器 具有 微 型化 、 集成 化 、 多功能 的特 点 。随 着 ＭＥ ＭＳ技 术 、 导 体 技 术 和 集 成 电路 技 术 的 发 半 展， 为传 感器 实 现集 成化 ， 型 化提供 了有力 的技术 微
ＥＥＡＣＣ： ２ ０； ５７ ７３ ２ ５
一
种 硅 微 多 传感 器 集 成 研 究
＊
赵 玉龙 ， 徐敬 波 ， 蒋庄 德 ， 孙 剑
（ 西安交通大学精密工程研究所 ， 西安 ７ ０ ４ ） １ ０ ９
基于多孔硅微腔微阵列的制备及检测
基于多孔硅微腔微阵列的制备及检测陈位荣;贾振红;吕小毅;李鹏【摘要】我们结合光刻和电化学腐蚀方法,成功在单晶硅衬底上制备出一个8×8的一维多孔硅光子晶体微腔的微阵列器件,微阵列的每个阵列单元直径300μm,间距200μm.研究了这种微阵列在633nm激光入射情况下的光学特性.利用我们制备的多孔硅光子晶体微腔的微阵列器件,借助数字图像测量方法,可实现快速的检测.本文的研究结果可应用于生物传感器阵列的检测.【期刊名称】《新疆大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2016(033)003【总页数】4页(P313-316)【关键词】多孔硅;微腔;微阵列【作者】陈位荣;贾振红;吕小毅;李鹏【作者单位】新疆大学物理科学与技术学院,新疆乌鲁木齐 830046;新疆大学信息科学与工程学院,新疆乌鲁木齐 830046;新疆大学信息科学与工程学院,新疆乌鲁木齐 830046;新疆大学物理科学与技术学院,新疆乌鲁木齐 830046【正文语种】中文【中图分类】TP212.3;O433.40 引言多孔硅是一种易于制备、具有巨大比表面积和海绵状形貌的纳米硅材料，其生物亲和性好，是优良的生物材料，具有良好的化学稳定性，能形成多种光子晶体结构，在生物传感领域具有广泛的应用[1−3]．多孔硅孔隙大小可控，内表面吸附性良好，多孔结构可捕获孔内不同尺寸大小的生物分子，同时也具有造价低廉，能与现有传统的硅加工技术兼容等特点，常用于高灵敏度的生物检测[4]．目前已报道的各种多孔硅生物传感器，主要有利用多层光栅结构或者微腔结构，基于折射率变化[5−7]和荧光变化的两类传感器[8,9]．基于折射率变化的生物传感器具有免标记的优点．其中，多孔硅微腔结构的传感器，是一种具有一维缺陷态的多孔硅光子晶体器件，其反射谱具有缺陷峰高透过率、线宽较窄的优良光学特性[10]．结合多孔硅光子晶体技术，基于折射率变化检测的生物传感器可以获得极高的检测灵敏度[11,12]．在生物芯片研究领域，具有布拉格结构的多孔硅传感器阵列已应用于生物传感[13]．这类阵列因需要通过光谱仪逐一分析每一个单元的折射率的变化，很难应用于高通量、快速的生物检测．本文成功制备出一个8×8的多孔硅光子晶体微腔的微阵列，微阵列的每个阵列单元直径300µm，间距200µm．研究了微阵列在633nm激光入射情况下的光学特性．借助数字图像测量方法，分析了阵列单元反射率变化情况．制备的多孔硅光子晶体微腔的微阵列器件，可实现低成本、肉眼易观察、快速、实时且并行的测量．1 材料和方法1.1 多孔硅微腔的微阵列制作实验中采用的晶向为<100>，电阻率为0.03-0.04Ω·cm，厚度为400µm的P型单晶硅为载片．为了使整个微阵列具有相同的光学特性，用一个厚度均匀、对氢氟酸腐蚀有很好阻碍作用的掩模材料氮化硅[14]．图1描述了制作微阵列的整个实验过程．图1 多孔硅微阵列制造过程的技术步骤步骤A，使用等离子体增强化学气相沉积法将氮化硅沉积在硅基底上，形成厚度为1.5µm的保护膜；氮化硅在硅片进行电化学腐蚀过程中用作掩蔽材料，因为它显示了在氢氟酸溶液中相对于光致抗蚀剂更好的抗腐蚀性，有效的保护硅片3-4 min．步骤B，在氮化硅薄膜上采用一个标准的光刻流程，得到一个8×8的平方掩模矩阵，每个阵列单元直径300µm，间距200µm，除圆形单元外的其它区域，都覆盖着Si3N4膜；步骤C，在CHF3/O2环境中用反应离子刻蚀法，按照掩膜板所示，刻蚀厚度为1.5µm，得到微阵列，图2为微阵列表面的扫描电子显微镜图；步骤D，通过单槽阳极电化学腐蚀法制备多孔硅微腔，黑暗和常温环境下对微阵列进行电化学腐蚀．图2 微阵列表面的扫描电子显微镜图图3 阵列单元表面的扫描电子显微镜图图4 一个阵列单元的中间（左）和边缘（右）位置截面的扫描电子显微镜图电化学腐蚀由两个腐蚀步骤组成：电解抛光和多孔硅微腔结构的形成．体积比为1:1的氢氟酸(浓度为40%)和酒精（浓度≥99%）的混合液作为电解液．对微阵列进行电解抛光，电流密度为400mA/cm2，得到一个13µm的微室；在得到的微室上进行多孔硅微腔的腐蚀，折射率为1.58的多孔硅层，电流密度为60mA/cm2，厚度为100nm；折射率为1.13的多孔硅层，电流密度为110mA/cm2，厚度为140nm；缺陷层，电流密度为110mA/cm2，厚度为560nm．介质层的总数为25层．电化学腐蚀完成后，微阵列中每个圆形单元成为多孔硅微腔，其它区域仍覆盖有厚约为1.05.µm的Si3N4膜．图3为腐蚀后多孔硅微腔的微阵列，其中一个阵列单元表面扫描电子显微镜图，多孔硅的孔径大小为30nm左右．图4为腐蚀后多孔硅微腔的微阵列中一个阵列单元的中间和边缘位置截面的扫描电子显微镜图．缺陷层厚度为560nm，整个多孔硅微腔厚度为3.3µm．1.2 多孔硅微腔微阵列表面光学特性的分析图5为多孔硅微腔的微阵列表面光学特性的检测光路．用氦氖激光器作光源，激光通过光阑A1，经过两个透镜L1和L2组成的系统进行准直扩束，再经过光阑A2时，控制光斑大小，使光斑正好覆盖样品表面，最后通过半反半透镜（5:5）到达数字相机．1.3 用数字图像显示阵列单元亮度波长为633nm的激光通过光阑，经过两个透镜准直扩束，控制光斑大小，使光斑正好覆盖微阵列，再经过半透半反镜L3垂直到达微阵列表面．用数字相机拍摄微阵列表面反射光情况如图6所示．图5 多孔硅微腔的微阵列表面光学特性的检测光路图6 数字相机拍摄激光垂直入射微阵列表面反射光情况多孔硅微腔微阵列表面和截面的扫描电子显微镜图和数字相机拍摄的图片都显示了微阵列中每个阵列单元很好的一致性和光学特性．2 讨论与分析阵列的每一个单元都是多孔硅微腔结构，是一种典型的含缺陷态的一维光子晶体．这种结构是由两个完全对称的布拉格反射镜和中间的法布里珀罗谐振腔构成[15]．布拉格反射镜由低孔隙率层和高孔隙率层交替堆叠构成，分别对应于高折射率和低折射率的区域[16]．布拉格反射镜与缺陷层的光学厚度满足以下关系[17]：其中dH，dL和dC分别是高、低折射率层和缺陷层的厚度；nH，nL和nC分别是两个对称分布的布拉格反射镜的高、低折射率和缺陷层的折射率；λc是多孔硅微腔的中心波长，m为整数．多孔硅微腔的缺陷态波长即光透射波长位于633nm．图7给出多孔硅微腔光透射波长处于633nm模拟仿真的反射谱图．图8为在相同的实验条件下，普通硅片制备出的多孔硅微腔，光透射波长处于633nm的实验反射谱图．从实验和模拟仿真的多孔硅微腔的反射谱图来看，实验室制备的多孔硅微腔结构较为成功．图7 光透射波长处于633nm的模拟仿真的反射谱图图8 光透射波长处于633nm实验反射谱图3 总结我们结合标准光刻工艺和单槽阳极电化学腐蚀法，设计并成功制备出多孔硅微腔的微阵列，研究了633nm激光垂直入射，多孔硅微腔的微阵列的光学特性．通过数字图像测量方法，克服了光谱仪不能并行测量微阵列每一阵列单元波长变化的困难，实现了低成本、肉眼易观察、快速、实时且并行的测量．本文的研究结果可应用于生物传感器阵列的检测．参考文献：【相关文献】[1]Tessier D C,Boughaba S,Arbour M,et al.Improved surface sensing of DNA on gas-etched porous silicon[J].Sensors and Actuators B:Chemical,2006,120(1):220-230.[2]Meskini O,Abdelghani A,TliliA,et al.Porous silicon as functionalized material for immunosensor application[J].Talanta,2007,71(3):1430-1433.[3]Low S P,Williams K A,Canham L T,et al.Evaluation of mammalian cell adhesion on surface-modified porous silicon[J].Biomaterials,2006,27(26):4538-46.[4]Dhanekar Sand Jain S.Porous silicon biosensor:current status[J].BiosensBioelectron,2013,41:54-64.[5]Huanca D R,Raimundo D，Sand Salcedo W J.Backside contact effect on the morphological and optical features of porous silicon photonic crystals[J].Microelectronics Journal,2009,40(4-5):744-748.[6]Lu XY,Xue T,Jia ZH,et al.Design and Realization of Label-free Optical Immunosensor Based on Porous Silicon Microcavities[C]//2008 International Conference on Optical Instruments And Technology:Advanced Sensor Technologies AndApplications,2009,8:7157.[7]Krismastuti FSH,Pace S，Voelcker N H.Porous Silicon Resonant Microcavity Biosensorfor Matrix Metalloproteinase Detection[J].Advanced FunctionalMaterials,2014,24(23):3639-3650.[8]Levitsky I A,Euler W B,Tokranova N,et al.Fluorescent polymer-porous silicon microcavity devices for explosive detection[J].Applied 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[14]ReaI,Lamberti A,Rendina I,et al.Fabrication and characterization of a porous silicon based microarray for label-free optical monitoring of biomolecular interactions[J].Journal of Applied Physics,2010,107(1):014513.[15]Ouyang Huimin,Lisa A DeLouise,Benjamin L Miller,et al.Fauchet Label-Free Quantitative Detection of Protein Using Macroporous Silicon Photonic Bandgap Biosensors[J].Analytical Chemistry,2007,79(4)：1502-1506.[16]Li S,Huang J,Fand Cai LT.A porous silicon optical microcavity for sensitive bacteria detection[J].Nanotechnology,2011,22(42):6.[17]Zhang HY,Jia ZH,Lv XY,et al.Porous silicon optical microcavity biosensor on silicon-on-insulator wafer for sensitive DNA detection[J].Biosens Bioelectron,2013,44：89-94.。
基于多孔硅三元结构微腔的光学免疫检测方法[发明专利]
![基于多孔硅三元结构微腔的光学免疫检测方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/393a873fce2f0066f433221a.png)
专利名称：基于多孔硅三元结构微腔的光学免疫检测方法专利类型：发明专利
发明人：吕小毅,莫家庆,贾振红,钟福如,李锐
申请号：CN200910113551.8
申请日：20091203
公开号：CN101710118A
公开日：
20100519
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：一种基于多孔硅三元结构微腔的光学免疫检测方法，属于生物医药、食品安全和环境监测的技术领域。
该方法所采用的多孔硅微腔内上、下的Bragg结构分别由三种电流密度交替进行电化学腐蚀而形成，探针分子首先固定在多孔硅孔洞里，然后通过生物反应前后的光谱峰位变化进行检测目标分子浓度；同时利用不同腐蚀条件制备的多孔硅微腔的反射光谱或光致发光光谱进行编码载体，实现对抗原或抗体种类的标识。
这种光学免疫检测方法不仅兼具多孔硅和光子带隙结构传感器的诸多优异性能，而且结构稳定性很好，通过编码检测技术更是可以实现多元检测。
此外，由于采用的制备方法较为简单，价格相对低廉，有一定的商业应用前景。
申请人：新疆大学
地址：830046 新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市天山区胜利路14号
国籍：CN
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多孔硅气体传感器
多孔硅气体传感器
杨光;何金田;李新建;梁二军
【期刊名称】《传感器与微系统》
【年(卷),期】2004(023)009
【摘要】介绍了多孔硅气体传感器的原理和优点,综述了多孔硅气体传感器测量氮氧化物和几种有机气体的机理、方法及最新的研究进展,并分析了传感器的选择性和稳定性,展望了多孔硅气体传感器应用前景.
【总页数】4页(P7-9,12)
【作者】杨光;何金田;李新建;梁二军
【作者单位】郑州大学,物理工程学院,河南,郑州,450052;郑州大学,物理工程学院,河南,郑州,450052;郑州大学,教育部材料物理重点实验室,河南,郑州,450052;郑州大学,教育部材料物理重点实验室,河南,郑州,450052
【正文语种】中文
【中图分类】TP212
【相关文献】
1.多孔硅气体传感器的制备及其气敏性能的研究 [J], 李东海;胡明;孙凤云;陈鹏;孙鹏
2.一种基于多孔硅微腔光学特性的气体传感器的研究 [J], 李志全;张冉;张乐欣;杨红艳;朱丹丹;白志华
3.结合LAPS及纳米多孔硅的气体传感器研究 [J], 宗小林;蔡华;余辉;王平
4.结合LAPS及纳米多孔硅的气体传感器研究 [J], 宗小林;蔡华;余辉;王平
5.氧化锌/多孔硅复合薄膜气敏传感器对有机气体的监测研究 [J], 包新荣;连兵;孙小菁
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( 6)
第1期
李志全, 张
冉等: 一种基于多孔硅微腔光学特性的气体传感器的研究
55
孔内渗透的气体 , 常用 Brug geman 介电常数近似理 论[ 8] 来近似计算多孔硅层的有效介电常数 . 在未吸附气体时, 多孔硅可以简化为硅与空气的 均匀混合体 , 有效折射率可以从式( 1) 中计算出来. 2 2 2 2 n si - neffo n air - neffo ( 1- f ) 2 + f = 0 ( 1) 2 ns i + 2 n2 effo n2 air + 2n effo 式中 : f ) 多孔硅薄膜的多孔度; E si ) 体硅的折 射率 ; E air ) 空气的介电常数 , 取 1; 在吸附有机物蒸汽后 , 将在多孔硅的孔内发生 毛细冷凝作用, 有机物蒸汽在多孔硅薄膜的孔内液 化, 此时, 假设多孔硅孔内凝聚有机物的体积分数为 V ( 0 < V < f ) , 多孔硅薄膜就变成了有机物、 空气、 硅三者的混合体 , 其有效介电常数为: 2 2 n2 si - neff1 n2 air - neff1 ( 1- f ) 2 + (f - V ) 2 2 ns i + 2 neff1 n air + 2n 2 eff1
关键词: 多孔硅微腔; 种类辨别; 传输矩阵 ; Brugg eman 介电常数 近似理论; 毛细冷凝; 反射谱 中图分类号: TN304. 52 文献标识码 : A 文章编号 : 1004 - 1699( 2007) 01 -0054 - 04 触等优点, 且可以避免复杂的电极制作、 以及电接触 引起的爆炸 , 燃烧等危险, 安全性更强. 本文以多孔 硅微腔作为传感元件 , 对其传感特性进行了实验研 究 , 证明了多孔硅微腔可以实现对有机物分子的检 测 , 在室温下 , 表现出很好的传感特性 .
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随着有机物蒸汽相对压力 P W / P N 的逐渐增大 , 在多孔硅表面的有机物蒸汽将由单分子层吸附发展 为多分子层吸附 , 由于多孔硅表面细孔的存在 , 便会 发生毛细管凝聚 [ 9] , 蒸汽变为液态, 存在于多孔硅薄 膜的细孔中, 这种现象可用 Kelvin 公式描述 . C W rk = ( 4) R T ln ( P w / P N ) 式中 : r k ) ) ) Kelv in 半径; C) ) ) 液态有机物的 表面 张力; W ) ) ) 有机物的分子 量; R ) ) ) 气体 常 数; P N ) ) ) 饱和状态有机物蒸汽的气压 ; P w ) ) ) 当 前有机物蒸汽的分压 ; 假设多孔硅的孔均为圆柱形, 且半径尺寸大小 不同 . 常用对数正态分布来模拟多孔硅薄膜上孔的 尺寸分布 , 可表示如下式 : 1 ( ln r - lnr g ) exp ( 5) ln ( R g 2P ) 2ln2 ( R g) 式中 : r g ) 半径 r 的几何平均值 ; ln R g ) lnr 的标 准差 ; 因此多孔硅薄膜孔内凝聚的体积为 : f (r) = V =
gas eff1 + V n2 - n 2 = 0 ( 2) ngas + 2n eff1 吸附有机物蒸汽后, 多孔硅有效折射率为 : neff1 ห้องสมุดไป่ตู้ = neff0 + aV + bV 2 ( 0 < V < f ) ( 3) 参数 a 与 b 可从公式( 2) 中解出. 1. 2 毛细冷凝作用 2 2
基金项目 : 国家自然科学基金资助 ( 60377002) 收稿日期 : 2006 - 01 - 09 修改日期 : 2006 - 03 - 21
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多孔硅微腔传感理论基础
1. 1 Bruggeman 介电常数近似理论 多孔硅材料可以看成是一种复杂的介电材料, 其介电特性取决于多孔硅材料本身的晶格结构以及
近几年来, 多孔硅由于其巨大的比表面积以及 独特的形貌结构 , 受到了传感领域的广泛重视 , 多孔 硅气敏传感器检测原理主要以不同气体中, 多孔硅 物理特性的变化为基础, 当气体分子吸附到多孔硅 表面时, 将使多孔硅的光致发光强度、 反射谱、 电导 率、 电容等物理参数发生变化 , 利用这些光学或电学 参量的变化, 已研发出多种多孔硅气敏传感器 [ 1- 7] , 但目前仍处在实验室研究阶段 . 多孔硅光学气敏传感器相对于基于电学原理的 多孔硅传感器, 具有灵敏度高、 抗干扰能力强, 无接
的变化 , 从而导致多孔硅微腔反射谱吸收峰峰位的变化 . 本 文主要 利用 Brug geman 介电 常数近 似理论 与传输 矩阵的 方法 , 建 立了多孔硅微腔的传感模型 . 使用多孔硅微腔 的反射谱实验装置对多孔硅微腔进行 了传感实 验 , 结果 证明多孔 硅微腔传感 元 件可以实现对有机物蒸汽的检测 , 且分辨率较 高 , 响应时间和恢复时间短 , 可重复性好 .
多孔硅微腔是一种典型的多层多孔硅结构, 在 两个完全对称的多孔硅 Bragg 反射镜中间加入一个 高多孔度的发光层, 且多孔硅 Bragg 反射镜与发光 层的光学厚度满足以下关系 : n H d H = nL d L = K 0/4 ( 7) n AC d A C = mK 0/2 式中: nH 、 nL 、 nA C 分别是两个对称分布的 Bragg 反 射镜的高、 低折射率和中心层的折射率; dH 、 dL 、 d AC 分 别是两个对称分布的 Bragg 反射镜高低折射率层的厚
一种基于多孔硅微腔光学特性的气体传感器的研究*
李志全1* , 张 冉1 , 张乐欣2 , 杨红艳1 , 朱丹丹1 , 白志华1
1. 燕山大学仪器科学与工程系 , 河北 秦皇岛 066004; 2. 燕山大学材料科学与工程学院亚稳材料国家重点实验室 , 河北 秦皇岛 066004
摘
要: 当有机物分子吸附到多 孔硅表面时, 由于有机物分子在多孔硅的孔内的毛 细冷凝作 用, 将引 起多孔硅 层有效折射 率
第 20 卷 第 1 期 2007 年 1 月
传 感 技 术 学 报
CHINESE JOURNAL OF SENSORS AND ACT UATORS
Vol. 20 No. 1 Jan. 2007
Study on a Gas Sensor Based on the Optical Character of Porous Silicon Microcavities*
0 是多孔硅微腔的中心波长. 度和中心层的厚度; K 微腔第 k 层多孔硅薄膜的传输矩阵可表示为: co sD k isin D k/ G k Mk = ( 8) k k k iG sin D cos D 2Pnk dk 在入射光正入射的情况下, D k = ;G k = nk K 2N+ 1
整个微腔的传输矩阵: M R =
2
N ) ) ) 多孔硅 Brag g 反射镜的层数; 1 微腔的硅衬底可用列矩阵 描述, G si ) ) ) 硅 Gsi 衬底的导纳 , 即体硅的折射率. 2N+ 1 B cos D k isin D k/G k 1 = F k= 1 C iGk sin D k cosD k ns i M 11 M 12 1 11 M + ns i M 12 = = ( 9) M 21 M 22 n si M 12 + ns i M 22 则多孔硅微腔的反射率为: 2 nair B - C R= n air B + C nair M 11 + n air n si M 12 - M 12 - ns i M 22 = ( 10) nair M 11 + n air n si M 12 + M 12 + ns i M 22 从反射谱公式可以看出 , 反射率由入射光的波 长、 各多孔硅层的有效折射率以及厚度决定. 在入射 波长与各层厚度一定的情况下, 反射率只取决于各多 孔硅层的有效折射率. 在未吸附有机物蒸汽时, 多孔 硅微腔的反射谱吸收峰的峰位取决于微腔中心层的
Abstract: When t he po rous silico n is ex posed to vapor o f several o rganic species, t he aver ag e ref ract ive in dex of t he micro cavit y is increased, ascribed t o capillary co ndensat ion of the v apor in t he silicon pore, re sult in diff erent resonant peak shift values in t he ref lect iv it y spectr a. In t his w o rk, w e set up sensing mo del of PSM s by applying t he Brug geman ef f ectiv e m edium appr oxim at ion t heory and t he met hod o f t ransf er ence m at rix . U sing ex periment al set up t o measure the reflectivit y spectr um of SPM s, ex perimental r esults pro ve t hat it is a f easible o pt ical sensor f or org anic species det ect ing . Resolut io n of t he PSMs sensor is hig h, response t ime and resume t ime is sho rt and w ell repetit ion. Key words: por ous silicon m icrocavit ies( PSM s) ; species det ect ing; tr ansfer m at rix ; Br ug geman ef f ect iv e me dium approx imat io n t heory ; capillary condensat io n; ref lect ivit y spectra EEACC: 7230L