[发明专利]一种涂覆TiO2薄膜的光波导型微环谐振腔湿度传感器的制备方法

说明书

本发明属于光学领域和微纳系统领域，具体为一种涂覆TiO₂薄膜的光波导型微环谐振腔湿度传感器的制备方法。一种TiO₂光波导型微环谐振腔湿度传感器：包括在波导结构上对环形谐振腔，直波导和输入输出光栅的光刻，以及对TiO₂湿敏薄膜的涂覆。利用在SOI波导上制备的微环谐振腔所具有的独特的回廊模效应，实现光波在微环中发生谐振，利用光谱仪可观测到稳定的谐振现象，当外界相对湿度发生变化时，湿敏薄膜吸收水分，使谐振腔折射率发生变化，从而使光谱仪上观测到的输出谱线发生波长漂移，从而完成湿度的测量。本发明较一般的湿度传感器相比，具有制作简单，成本低，体积小，反应时间短，灵敏度高，并且不易受电磁干扰的特点，因此，具有极高的应用价值。

技术领域

本发明属于光学领域和微纳系统领域，具体为一种涂覆TiO₂薄膜的光波导型微环谐振腔湿度传感器的制备方法。

背景技术

湿度作为较难检测而又特别重要的环境参数之一，在气象预报、环境检测、农业生产、半导体器件加工、食品储存、纺织、发电、航空航天、机车舰船等方面都有着重要的应用。传统的湿度传感器主要有电容、电阻、声表面波等类型，这些传感器存在体积大、响应时间长、灵敏度低、易受电磁干扰、需要湿敏涂覆等缺点。近年来，人们对传统湿度传感器微型化和集成度的要求越来越高。

光学微谐振腔拥有独特的光学传输模式—回音壁模式，即激光束耦合进入光学微腔内以后被约束在腔内，沿赤道上面的大圆不断绕行并在表面不断地进行全反射，从而形成谐振，同时光学微腔具有较高的品质因数和较小的腔模体积为探索高灵敏度传感器提供了可能，因此，光学微型湿度传感器的研究成为新热点。

发明内容

针对目前传统湿度传感器存在的体积大，响应时间长，灵敏度低，易受电磁干扰，无法适应极端恶劣的环境的情况。本发明提出一种涂覆TiO₂薄膜的光波导型微环谐振腔湿度传感器的制备方法。

本发明是采用如下的技术方案实现的：一种涂覆TiO₂薄膜的光波导型微环谐振腔湿度传感器的制备方法,包括以下步骤：

第一步：SOI基片清洗；

第二步：匀胶，在清洗后的SOI基片顶层表面匀一层光刻胶；

第三步：采用电子束曝光系统对SOI基片顶层表面上的光刻胶进行曝光，并进行显影、定影处理，在光刻胶层上留下直波导状和微环谐振腔状的胶层，以及直波导状胶层两侧的光栅结构胶层；

第四步：ICP深硅刻蚀，完成对SOI基片顶层表面Si的刻蚀，胶层下方的Si得到保留；

第五步：将完成腐蚀的SOI基片放入丙酮溶液中进行清洗去胶处理，并用去离子水清洗，氮气吹干，得到光波导、微环谐振腔（微环谐振腔与光波导耦合）和光栅结构；

第六步：在加工得到的微环谐振腔和直波导的表层上，涂覆一层用TiO₂制成的湿敏薄膜，并最终完成SOI硅基光学微环谐振腔湿度传感器的制备。

该湿度传感器基本工作原理为：激光通过光纤传输，通过光栅耦合入直波导中，进入波导中的光会在微环谐振腔中发生耦合，此时直波导的另一端连接光栅，将光信号输出传送到光谱仪上，由于微环谐振腔独特的回音壁效应，可以在光谱仪上观测到稳定的谐振谱线，当大气中的相对湿度发生变化时，涂覆在微环谐振腔表面的TiO₂薄膜开始吸水，从而导致耦合区域的折射率发生改变，导致微环谐振腔的光学谐振参数发生变化，最终使得在光谱仪上的谱线发生漂移，通过相应的计算即可完成对湿度的测量。