基于內置液囊和固定波長的高分辨溫度傳感器的制造方法
【技術領域】
[0001 ]本發明涉及一種高分辨率，納米尺度的溫度傳感器，尤其涉及一種基于內置液囊 和單一波長激光探測的高靈敏度溫度傳感器。
【背景技術】
[0002] 溫度傳感器是實際應用中最廣泛的傳感器之一，從我們生活中的寒暑表，體溫計 到大型儀器以及集成電路上的溫控設備，溫度傳感器無處不在。傳統溫度傳感器，例如熱電 阻、鉑電阻，雙金屬開關等雖然有著各自的優點，但在微型和高精度產品中卻不再適用。半 導體溫度傳感器靈敏度或分辨率高、體積小、功耗低、抗干擾能力強等優點使得其在半導體 集成電路中應用非常廣泛。
[0003] 基于表面等離子激元的波導卻能突破衍射極限的限制，實現納米尺度的光信息處 理和傳輸。表面等離子激元是當電磁波入射到金屬與介質分界面時，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傳播的表面電磁波。
[0004] 目前，根據表面等離子激元的性質，提出了基于表面等離子體結構的器件，例如濾 波器、環形器、邏輯門、光開關等。這些器件在結構上都比較簡單，非常便于光路集成。
[0005] 現有技術中的溫度傳感器靈敏度為70pm/°C或-0.65nm/°C，雖然溫度傳感器體積 很小，但是靈敏度或分辨率并不高。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的是克服現有溫度傳感器分辨率的不足，提供一種便于集成的MM結 構的高分辨率溫度傳感器。
[0007] 本發明的目的通過下述技術方案予以實現。
[0008] 本發明基于內置液囊和固定波長的高分辨率溫度傳感器，它由一個內置液囊、金 屬塊、一個豎直波導、一個水平波導、兩個金屬膜和一個水平傳播的信號光組成;所述信號 光采用固定波長;所述液囊和所述豎直波導連接，所述金屬塊設置豎直波導內，且可以移 動;所述豎直波導和水平波導連接;所述信號光采用固定波長。
[0009] 所述液囊內物質為高熱膨脹系數的物質；
[0010] 所述高膨脹系數的物質為酒精或者水銀。
[0011] 所述液囊截面的形狀為矩形、圓形、多邊形、橢圓形或者不規則形狀。
[0012] 所述金屬為金或銀。
[0013] 所述金屬為銀。
[0014] 所述水平波導和豎直波導為MIM結構的波導。
[0015] 所述水平波導內的介質為空氣。
[0016] 所述信號光為單一波長激光，其波長為792nm的激光。
[0017] 所述可移動銀塊固定位置為116nm。
[0018]本發明與現有技術相比的有益效果是：
[0019] 1.具有結構緊湊，體積小，非常便于集成。
[0020] 2.分辨率高，溫度平均分辨率平均達到0.0083°C，最高分辨率為0.005°C。
【附圖說明】
[0021] 圖1是本發明高分辨率溫度傳感器第一種實施例二維結構示意圖。
[0022] 圖中：金屬膜1內置液囊2金屬塊3豎直波導4水平波導5金屬膜6水平傳播的 信號光200
[0023]圖2是圖1所示的三維結構示意圖。
[0024] 圖3是本發明高分辨率溫度傳感器第二種實施例二維結構示意圖。
[0025] 圖中：金屬膜1內置液囊2金屬塊3豎直波導4水平波導5金屬膜6水平傳播的 信號光200
[0026]圖4是圖3所示的三維結構示意圖。
[0027] 圖5是不同波長信號光的透射頻譜圖。
[0028] 圖6是不同波長透射率的間隔的平均值。
[0029 ]圖7是透射率對應溫度的導數曲線圖。
【具體實施方式】
[0030] 下面結合附圖與實施例對本發明作進一步的描述。
[0031] 如圖1和2(圖2中省略了結構上面的封裝介質)所示，本發明基于內置液囊和固定 波長的高分辨率溫度傳感器，它由金屬膜1、一個內置液囊2、金屬塊3、一個豎直波導4、一個 水平波導5、金屬膜1、6(沒有被刻蝕的金屬膜)和一個水平傳播的信號光200(波導表面形成 表面等離子激元)組成;信號光采用固定波長;液囊2和豎直波導4連接，液囊2(溫度敏感腔） 截面為圓形腔，半徑為R，其截面積采用502655nm 2,厚度為Ιμπι，該液囊2內的物質為比熱容 較低的，且為高熱膨脹系數的物質，高膨脹系數物質為酒精或水銀，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;液囊2的厚度大于銀膜的厚度h 1;金屬塊3設置豎直波導4內，且可以移動，移動金屬塊 3長度m采用80nm-150nm取值范圍，以125nm長度為最佳，可移動金屬塊3距離水平波導5的距 離s采用0nm-200nm距離范圍，且由金屬塊3的位置確定，該金屬塊3為金或銀，最佳為銀;豎 直波導4和水平波導5連接;豎直波導4和水平波導5為MM結構的波導，即MM波導為金屬-絕 緣體-金屬結構；絕緣體采用不導電透明物質；所述不導電透明物質為空氣、二氧化硅、或 硅;豎直波導4和水平波導5連接;豎直波導4寬度b采用30nm-60nm取值范圍，以35nm寬度為 最佳，豎直波導4長度Μ采用200nm以上，以300nm長度為最佳;豎直波導4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。豎直波導4位于水平波導5的上 端;水平波導5寬度d采用30nm-100nm取值范圍，以50nm寬度為最佳，水平波導5內的介質為 空氣;水平波導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。
[0032] 本發明通過溫度的變化來改變酒精的體積，使其膨脹推動可移動金屬塊3向水平 波導5移動來改變豎直波導4內空氣段的長度，可移動金屬塊3向下移動使得其到水平波導5 距離發生變化，信號光的透過率也就隨之發生變化；由于可移動金屬塊3往下移動受溫度的 控制，所以溫度的變化影響信號光的透射率的變化，根據透射率的變化即可探測溫度信息 的變化;透射率的特征可以與溫度一一對應，即從透射率的特征即可知道溫度的變化。當溫 度又降回初始溫度時，在外界大氣壓的作用下，金屬塊3又會回到初始壓力平衡的位置，方 便下一次探測。
[0033]本發明液囊2內的酒精體積膨脹系數為aethanQl = 1.1 X 1(T3/°C，在室溫(20°C )時密 度為P = 0.789g/cm3。銀的線膨脹系數為aAg= 19.5 X 1(T6/°C。相比于酒精的膨脹系數，在相 同溫度變化下，銀的膨脹可以忽略不計。在本發明中，即不再考慮溫度變化對銀的體積的影 響。根據液囊的體積和可移動金屬塊的截面積可以計算出金屬塊的位置變化與溫度的關 系，由此定義一個比例系數σ表示單位溫度的變化對應的金屬塊移動距離
[0035] 此式也可以作為衡量該結構的溫度敏感性。根據此式可以得出圓形吸收腔的截面 積及可移動金屬塊的寬度對金屬塊的位置變化影響比較大，綜合考慮選擇S = 502655mm2，b = 35nm。則〇 = 1.57nm/°C，此結果為金屬塊的移動量與溫度的關系。
[0036] 如圖3和4 (圖4中省略了結構上面的封裝介質)所示