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日本學(xué)者利用MEMS懸臂梁制造等離子體近紅外光譜儀


  來源: MEMS 時(shí)間:2020-03-17 編輯:清風(fēng)
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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(shí)現(xiàn)緊湊型氣體傳感器,從而監(jiān)測(cè)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(zhǎng),因此需要較長(zhǎng)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(cè)器則具有許多特性,如改善光電探測(cè)靈敏度、特定光探測(cè)的波長(zhǎng)或偏振、硅材料的紅外光探測(cè)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(cè)器的緊湊性來實(shí)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(cè)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(duì)MEMS可重構(gòu)等離子體光電探測(cè)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(zhǎng))時(shí),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(shì)壘,當(dāng)這些電子克服肖特基勢(shì)壘時(shí),SPR可以轉(zhuǎn)換為光電流I(θ),從而實(shí)現(xiàn)了基于SPR的光電探測(cè)。


此外,由于懸臂梁可偏轉(zhuǎn),因此可以通過外部驅(qū)動(dòng)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(cè)特性。同時(shí)采用兩個(gè)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(jì)概述:(a)懸臂梁的尺寸;(b)光柵的尺寸;(c, d)在主諧振機(jī)械頻率和次諧振機(jī)械頻率下的懸臂梁機(jī)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(shí),懸臂梁的機(jī)械振動(dòng)會(huì)動(dòng)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(jī)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(shí)間的變化,可實(shí)現(xiàn)對(duì)近紅外光中光譜的數(shù)值反演。實(shí)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。


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