本發(fā)明涉及一種基于斜拋光纖和硅片濕化腐蝕工藝的斜拋光纖折射率傳感器器件，特別是涉及光纖斜拋加工技術(shù)以及光子膠體晶體涂覆硅片端面的工藝技術(shù)，采用可以控溫控壓的垂直沉積法工藝在硅片表面制作膠體晶體，通過濕法腐蝕工藝加工硅晶圓，腐蝕形成膠體晶體薄膜，另一與之粘貼固定的硅晶圓對應(yīng)腐蝕形成V形槽結(jié)構(gòu)，光纖端面斜拋為45度并鍍膜，經(jīng)過粘結(jié)封裝形成折射率傳感器。

背景技術(shù)：

目前研究的絕大多數(shù)光子晶體光纖都是基于拉制有排列結(jié)構(gòu)的預(yù)制棒，而微結(jié)構(gòu)光纖光柵則采用紫外側(cè)寫技術(shù)或CO₂熱激技術(shù)制成。改變光纖中的微孔排列、大小以及占空比，或者將介質(zhì)載入微孔，均可改變光子晶體光纖及其光柵的光學(xué)性質(zhì)，極大地改變了光纖傳感器的結(jié)構(gòu)和性能。雖然光子晶體光纖及其傳感器的研究已經(jīng)有很大發(fā)展，但是制作工藝很復(fù)雜，造價偏高，而且與普通光纖的對接也存在很多問題。從目前的發(fā)展情況來看，光子晶體光纖不會取代傳統(tǒng)光纖的地位，而是作為傳統(tǒng)光纖的有效補充，發(fā)揮特種光纖作用。

基于膠體晶體的傳感器，國內(nèi)外研究基本停留在實驗室階段，很少有能夠應(yīng)用的膠體晶體器件。一方面因為制備大面積的有序高質(zhì)量的膠體晶體比較困難；另一方面很難找到匹配的連接方式和傳感回路。而膠體晶體-光纖氣液傳感器，通過在普通單模光纖端面涂覆一定厚度的均勻膠體晶體薄膜，利用膠體晶體帶隙波段的反射特性，反射光譜經(jīng)過分路器耦合到光譜分析儀。在制備完畢的膠體晶體微球空隙中填充不同折射率的液體或者氣體，帶隙的中心波長位置會發(fā)生偏移，從而進行相關(guān)的測量和傳感。通過膠體晶體、光纖氣液傳感器、光纖耦合器等無源器件，有可能形成一個新型的光纖傳感測量網(wǎng)絡(luò)，對全光網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)和新型的傳感器制作有重要意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明即是基于以上所述現(xiàn)狀進行的，目的在于制作一種結(jié)構(gòu)新穎、成本低、精度高、有望批量生產(chǎn)的斜拋光纖折射率傳感器。同時，提供該傳感器的制作方法。

為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明斜拋光纖折射率傳感器采用如下技術(shù)方案：

斜拋光纖折射率傳感器，包括單模光纖、V型光纖槽以及膠體晶體膜，單模光纖的端面為45度的斜面，V型光纖槽位于膠體晶體膜的上方；所述單模光纖位于V型光纖槽內(nèi)，其45度的斜面朝上；所述單模光纖的軸線與膠體晶體膜的平面平行。

進一步地，所述單模光纖為裸光纖。所述單模光纖的端面上鍍有一層金屬薄膜。

上述斜拋光纖折射率傳感器的制作方法，具體步驟如下：

a)對兩片硅片進行清潔，依次用丙酮、酒精、去離子水超聲清洗5分鐘，然后用氮氣吹干；

b)V型光纖槽陣列的制作：首先對單晶硅進行雙面氧化，單面沉積氮化硅，形成保護層；再制作掩膜板，光刻開窗，選擇性去除保護層，形成V型光纖槽陣列圖案；接著用KOH溶液進行硅片濕法腐蝕，控制反應(yīng)時間得到光纖槽所需深度；最后去除氧化硅和氮化硅保護膜；

c)膠體晶體膜的制作：配置膠體微球溶液，微球直徑偏差/平均直徑×％<0.2％，質(zhì)量百分比濃度為2％～6％，溶劑為水和乙醇；將干燥好的硅片垂直放置在盛有膠體微球溶液的玻璃瓶中，硅片的端面處于液體中心位置，且與溶液液面保持相互垂直；然后將玻璃瓶置于真空干燥箱中，在一定的溫度、濕度和真空度的條件下，采用垂直沉積法在所述硅片表面涂覆膠體晶體；最后在恒溫恒壓條件靜置48小時左右，再在恒溫恒濕條件下干燥；

d)將步驟b)和c)制備好的V型光纖槽陣列和膠體晶體膜粘貼固定；

e)對單模光纖的端面進行45度的拋磨，然后將排好的單模光纖陣列壓入與之排布方式對應(yīng)的光V型纖槽陣列中，單模光纖的45度斜面朝上，且單模光纖的軸線與膠體晶體膜的平面保持平行；然后向V型光纖槽中注入紫外粘結(jié)劑，蓋上玻璃蓋板并將單模光纖壓緊在V型光纖槽內(nèi)，用紫外燈照射使粘結(jié)劑固化。

所述步驟e)完成后，將固定好的單模光纖陣列以等間距的V型光纖槽為基準(zhǔn)，切割為相同大小的單個傳感部件，并進行封裝。

本發(fā)明通過上述傳感器加工步驟得到的結(jié)構(gòu)：45度光纖與硅基底的膠體晶體膜保持平行，避免了其他介質(zhì)對光路的影響；傳感器制作過程中所需的主要材料為單模光纖、硅片、玻璃板、紫外固化膠，材料易于收集且成本低廉。整個制作過程采取拋磨、腐蝕等方法，傳感器機械性能高，制作步驟簡單。因此，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)新穎、靈敏度高、可靠性好、線性測量范圍大、成本低廉、可批量生產(chǎn)，能廣泛應(yīng)用于工業(yè)中的折射率檢測。

附圖說明

圖1是本發(fā)明斜拋光纖折射率傳感器的側(cè)面結(jié)構(gòu)示意圖，1-光纖，2-V型槽，3-膠體晶體膜；

圖2是傳感器結(jié)構(gòu)的截面示意圖；

圖3是本發(fā)明傳感器加工制作的主要工藝流程圖，4-紫外粘結(jié)劑，5-玻璃，6-單個傳感部件，7-塑料；

圖4是傳感器應(yīng)用時反射光譜測量示意圖，8-光譜分析儀，9-白光源；

圖5是折射率傳感器實驗結(jié)果。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例做進一步詳細說明。

本實施例制備斜拋光纖折射率傳感器的步驟如下:

a)對兩片相同的硅片進行濕式化學(xué)清洗法的RCA標(biāo)準(zhǔn)清潔，依次用丙酮、酒精、去離子水超聲清洗5分鐘，然后用氮氣吹干。

b)V型光纖槽陣列的制作。首先對單晶硅進行雙面氧化，單面沉積氮化硅，形成保護層。再制作掩膜板，光刻開窗，選擇性去除保護層，形成V型光纖槽2陣列圖案。接著用KOH溶液進行硅片濕法腐蝕，控制反應(yīng)時間得到光纖槽所需深度。最后去除氧化硅、氮化硅保護膜。

c)膠體晶體膜的制作。配置不同材料(如：PS、PMMA或Silica)的膠體微球溶液，微球直徑偏差/平均直徑×％<0.2％，質(zhì)量百分比濃度為2％～6％，溶劑水/乙醇(7：3體積比)。將干燥好的硅片垂直放置在盛有膠體微球溶液的玻璃瓶中，端面處于液體中心位置，硅片端面與溶液液面保持相互垂直。將整個裝置置于真空干燥箱中，在一定的溫度，濕度和真空度的條件下，采用垂直沉積法在處理好的硅片表面涂覆膠體晶體。恒溫恒壓條件靜置48小時左右，再恒溫恒濕條件下干燥，形成膠體晶體膜3陣列圖案。

d)將V型光纖槽2和制備好的膠體晶體膜硅片基底粘貼固定。

e)利用磁控濺射鍍膜機在拋磨好的光纖1的45度斜面上鍍銀膜，增加其反射率。銀膜厚度約為50nm。

f)光纖固定及對準(zhǔn)。將排好的45度光纖1陣列壓入與之排布方式對應(yīng)的光纖槽陣列2中，光纖45度端面朝上，光纖1側(cè)壁與膠體晶體膜3保持平行，保證出射光垂直入射到膠體晶體膜3并能反射回45度光纖1中，然后向V型槽2中注入紫外粘結(jié)劑4，蓋上玻璃蓋板5并將其壓緊，用紫外燈照射使粘結(jié)劑固化。

g)劃片封裝。將(f)中固定好的光纖陣列以等間距的V型槽為基準(zhǔn)切割為相同大小的單個傳感部件6，使用塑料7進行封裝。

圖4是利用上述制備的傳感器進行測量的示意圖。白光源9發(fā)出的光經(jīng)耦合器后從45度光纖1的鍍膜端面出射，經(jīng)待測環(huán)境下的膠體晶體膜3后反射回到45度光纖1中，再通過耦合器回到光譜分析儀8中，得到反射光譜。在制備完畢的膠體晶體膜3的微球空隙中填充不同折射率的液體或者氣體時，利用膠體晶體帶隙波段的反射特性，帶隙的中心波長位置會發(fā)生偏移，記錄下折射率和光譜儀反射峰的中心波長，得到測量結(jié)果如圖5所示。其中，膠體晶體采用聚苯乙烯小球，直徑690nm，層數(shù)25層左右(±5層)；V型槽寬100um(±10um)，深100um(±5um)；單模光纖的總直徑125um，纖芯直徑9um。由圖5可知，不同折射率條件下的反射峰中心波長偏移明顯，擬合曲線的線性度很好，準(zhǔn)確性較高，可重復(fù)測量。