近紅外光譜可為物質(zhì)提供特有的吸收光譜，從而使鑒別氣體種類成為可能。因此，需要利用小型化光譜儀實現(xiàn)緊湊型氣體傳感器，從而監(jiān)測生活空間的空氣質(zhì)量。

然而，傳統(tǒng)近紅外光譜儀均是利用光柵將入射光分散至不同波長，因此需要較長的光程，這便是傳統(tǒng)光譜儀小型化的障礙。

等離子體光電探測器則具有許多特性，如改善光電探測靈敏度、特定光探測的波長或偏振、硅材料的紅外光探測能力等，因而得到了廣泛的研究。而等離子體結(jié)構(gòu)通常非常?。ū≈?00nm），因此無需通過犧牲光電探測器的緊湊性來實現(xiàn)這些功能。

近日，日本電氣通信大學(xué)（University of Electro-Communications）的Oshita Masaaki和Kan Tetsuo與其合作者共同在MEMS可形變懸臂梁上開發(fā)了一款基于金（Au）衍射光柵的等離子體光電探測器。

圖1 帶有金衍射光柵的MEMS懸臂梁示意圖

該研究主要針對MEMS可重構(gòu)等離子體光電探測器。如圖1（a）所示，在N型硅（n-Si）懸臂梁上制造等離子體金衍射光柵，并集成到MEMS角度掃描器上。當(dāng)橫磁波（TM）偏振近紅外光以入射角θ射入光柵，滿足表面等離子體共振（SPR）耦合條件（即入射角和波長）時，即可在光柵上產(chǎn)生SPR。

入射光則被光柵表面吸收成為SPR，并激發(fā)了金層中的自由電子。在金與n-Si之間形成肖特基勢壘，當(dāng)這些電子克服肖特基勢壘時，SPR可以轉(zhuǎn)換為光電流I（θ），從而實現(xiàn)了基于SPR的光電探測。

此外，由于懸臂梁可偏轉(zhuǎn)，因此可以通過外部驅(qū)動力改變傾斜懸臂梁，引起光入射角θ的變化，從而重構(gòu)SPR匹配條件和光電探測特性。同時采用兩個鋸齒形懸臂腳來減小剛度，以增加入射角的變化幅度。

圖2 器件設(shè)計概述：（a）懸臂梁的尺寸；（b）光柵的尺寸；（c, d）在主諧振機械頻率和次諧振機械頻率下的懸臂梁機械變形的有限元模擬結(jié)果；（e）器件照片；（f）光柵的SEM圖片。

綜上所述，該器件采用n-Si體硅微加工技術(shù)制造。利用金衍射光柵激發(fā)表面等離子體（SP）。當(dāng)光射入器件時，懸臂梁的機械振動會動態(tài)地改變光的入射角度，從而改變表面等離子體的耦合條件。耦合SPR后，光能就被轉(zhuǎn)換成器件中的電流。

圖3 懸臂梁的機械諧振特性

懸臂梁在-21?至21?的角度間掃描，通過分析電流隨時間的變化，可實現(xiàn)對近紅外光中光譜的數(shù)值反演。實現(xiàn)高度小型化的近紅外光譜儀，就有望開發(fā)新型的小型物聯(lián)網(wǎng)（IoT）傳感器。

該研究已于2020年2月4日發(fā)表在ACS Photonics上，題目為“Reconfigurable Surface Plasmon Resonance Photodetector with a MEMS Deformable Cantilever”，論文地址為：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsphotonics.9b01510。