ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ СЕНСОР ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРИМЕСЕЙ В ГАЗОВОЗДУШНЫХ СРЕДАХ Российский патент 2021 года по МПК G01N21/59 B82Y20/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к оптическим сенсорам, которые могут быть использованы в различных отраслях промышленности в системах детектирования содержания примесей газов в газовоздушных средах. Оптический сенсор основан на использовании резонансных наноструктур в области ближнего инфракрасного диапазона, может быть выполнен на интегральном чипе и встроен в электронные устройства, предназначенные для установки в рабочих и домашних помещениях.

Уровень техники

Задача контроля качества воздуха является актуальной во многих сферах жизни человека, таких как контроль газовоздушных сред в бытовых условиях, учебных и офисных помещениях, на производственных площадках. На данный момент существует большое количество технологий и подходов, позволяющих детектировать различные примеси газов в воздухе. На их основе работают следующие виды сенсоров: термохимические, электрохимические, полупроводниковые, оптические, магнитные и т.д. Среди этих видов оптические сенсоры выделяются за счёт таких характеристик, как компактность, быстрый отклик, хорошая стабильность и большой срок эксплуатации. В то же время актуальным остаётся вопрос об интеграции газового сенсора (датчика) в современные электронные устройства и, как следствие, дальнейшая его миниатюризация.

На рынке газовых оптических сенсоров хорошо известно устройство не дисперсионного газового анализатора (патент US 5055688). Принцип его работы основан на селективном поглощении различными газами излучения ближнего инфракрасного диапазона. Преимуществом данного подхода является возможность одновременного детектирования нескольких разных газов в одной смеси. Недостатком такого устройства является необходимость использования при этом одновременно двух каналов для регистрации газов, что усложняет схему устройства и увеличивает размеры данного типа сенсора.

Также известно устройство, работающее на принципе локализованного поверхностного плазмонного резонанса, что позволяет значительно усиливать локальное поле в окрестности наночастиц, в которых данный резонанс возбуждается (US 9638633). Преимуществами такого сенсора являются стабильность работы, простота в реализации, а также низкая стоимость. К недостаткам такого устройства относится использование металлов в качестве материалов для активной части сенсора, в результате чего сенсор обладает значительным поглощением на длинах волн видимого и ближнего инфракрасного диапазонов, что приводит к низкой чувствительности сенсора и его нагреву во время работы, что также отрицательно сказывается на производительности.

Помимо устройств и способов детектирования газов, основанных на явлении локализованного поверхностного плазмонного резонанса, наблюдаемых в металлических наночастицах, существуют устройства и способы, базирующиеся на явлении поверхностного плазмонного резонанса, возбуждаемого на границе раздела сред с разными знаками диэлектрической восприимчивости, металлом и диэлектриком. Известен сенсор (патент US 8786859), включающий объёмную призму треугольного сечения, к одной грани которой примыкает два слоя золота, между которыми располагается слой оксида кремния. В данном сенсоре на границе раздела металл-диэлектрик возбуждается поверхностный плазмон, поле которого экспоненциально спадает вглубь диэлектрика по мере удаления от границы раздела с металлом и который очень чувствителен к той среде, которая окружает металлический слой. Недостатками такого устройства является необходимость использования громоздкой призмы, а также наличие потерь, связанных с использованием металлов.

Известно устройство и способ детектирования газов с помощью поверхностного плазмонного резонанса с чувствительностью к показателю преломления 10^-6 [Jory, M. J., Bradberry, G. W., Cann, P. S., & Sambles, J. R., 1995. A surface-plasmon-based optical sensor using acousto-optics. Measurement Science and Technology, 6(8), p.1193.]. Принцип работы устройства основан на том, что тонкий слой химически активного вещества помещают на поверхность металла, вдоль которой и распространяется поверхностный плазмон, возбуждаемый за счёт дифракционной решётки и проявляющийся в виде минимума в коэффициенте отражения. Изменения в этом слое за счёт присутствия газов ведут к модификации положения, глубины и ширины поверхностного плазмонного резонанса в спектре отражения такой структуры. Несмотря на то, что данное устройство имеет преимущества по отношению к традиционным сканирующим по углу схемам, требующим объёмную призму и само сканирующее устройство, для него необходимо использовать внешний акустооптический перестраиваемый фильтр и применять достаточно сложную методику синхронного детектирования, чтобы достичь заявленного уровня чувствительности.

Наиболее близким к заявляемому решению является сенсор на основе кремниевого волновода [Densmore, A., Xu, D. X., Waldron, P., Janz, S., Cheben, P., Lapointe, J., Delage, A., Lamontagne, B., Schmid, J. H., & Post, E. (2006). A silicon-on-insulator photonic wire based evanescent field sensor. IEEE Photonics Technology Letters, 18(23), p.2520-2522.], реализованный в геометрии интерферометра Маха–Цендера и включающий заводящий и выводящий волноводы длиной по 40 мкм каждый и высотой 260 нм, а также сам сенсор, в котором прямоугольный волновод с той же высотой 260 нм и шириной 450 нм находится в окне для детектирования шириной 50 мкм и длиной 1.5 см. Область с заводящими и выводящими волноводами сверху дополнительно покрыта 2 мкм фоторезиста SU-8. Принцип действия данного сенсора основан на следующем эффекте: эванесцентное (затухающее при удалении от границы раздела сред) поле распространяющейся по волноводу ТМ-поляризованной моды выходит за пределы волновода в окружающую среду, изменение показателя преломления которой за счёт наличия примесей влияет на условия распространения такой моды по волноводу и, соответственно, на оптический отклик волноводной системы. К преимуществам данного решения относится простота изготовления сенсора, КМОП-совместимость, а также возможность использования в схеме с интерферометром и высокая чувствительность. Чувствительность сенсора составляла примерно Однако, для того чтобы интегрировать сенсор в такие устройства электроники, как, например, «умные часы», он должен иметь характерные размеры (длину участка детектирования) не более 100 мкм, что не обеспечивается данной конструкцией сенсора. Таким образом, недостатками данного сенсора являются сравнительно протяжённая длина сенсора и чувствительность, не позволяющая регистрировать малые концентрации примесей газов.

Технической проблемой, которую решает данное изобретение, является создание компактного оптического газового сенсора, с длиной цепочки активных элементов менее 100 мкм, при обеспечении его высокой чувствительности для регистрации малых концентраций примесей газов в воздухе.

Раскрытие изобретения

Техническим результатом данного изобретения является создание компактного высокочувствительного газового сенсора для детектирования газовых примесей.

Чувствительный элемент заявляемого сенсора может быть реализован с длиной цепочки активных элементов (длиной активной области) менее 100 мкм, при обеспечении его высокой чувствительности . При этом предлагаемый сенсор также является совместимым с существующими КМОП-технологиями, может быть выполнен на интегральном чипе.

Технический результат достигается посредством изготовления интегрального оптического сенсора для определения наличия примесей в газовоздушных средах, включая возможность детектирования превышения количества допустимых примесей в составе газовоздушных сред, который содержит размещенные на подложке из оптически прозрачного диэлектрического материала с коэффициентом преломления N1 элементы ввода и вывода излучения, и чувствительный элемент в виде волновода, также выполненный из оптически прозрачного диэлектрического материала с коэффициентом преломления N2, где N2>N1, отличающийся тем, что чувствительный элемент представляет собой дискретный волновод в виде цепочки Ми-резонансных субволновых наночастиц, расположенных на субволновом расстоянии друг от друга, а элементы ввода и вывода излучения выполнены в виде волноводов с прямоугольным сечением, имеющим субволновые поперечные размеры, и расположенные на субволновом расстоянии от крайних наночастиц чувствительного элемента.

Подложка может быть выполнена из диэлектрика с показателем преломления N1 = 1.32 - 1.75, а чувствительный элемент, элементы ввода и вывода излучения размещены на одной оси и выполнены из диэлектрика с показателем преломления N2 = 2.38 – 4.25. Наночастицы и элементы ввода и вывода излучения могут быть выполнены из следующих материалов: Si, Ge, GaAs, AlGaAs, алмаз; а подложка - из оксида кремния, сапфира или оптического стекла. Наночастицы могут иметь различную форму, например, в виде сфер, дисков, параллелепипедов, цилиндров, кубов. Элементы ввода и вывода излучения предпочтительно имеют прямоугольное сечение фиксированных размеров на протяжении всей своей длины, либо имеют прямоугольное сечение, ширина которого увеличивается или уменьшается при отдалении от волновода из цепочки наночастиц.

Заявленная чувствительность сенсора достигается за счёт более эффективного взаимодействия распространяющейся волноводной моды с окружающей средой благодаря тому, что электромагнитное поле концентрируется вне волновода не только над его поверхностью, но и ещё в зазорах между отдельными наночастицами, что приводит к большей области взаимодействия между светом и окружающим веществом по сравнению с прототипом. Предлагаемый дизайн активной части сенсора также имеет меньшие размеры за счёт использования наночастиц вместо непрерывного объёма материала. Кроме того, заявленный сенсор имеет меньшие размеры, что является важным для задач интегрирования сенсора в существующие электронные устройства.

Краткое описание чертежей

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 схематично представлен один из вариантов реализации одномерной цепочки диэлектрических наночастиц - цепочки из наносфер (2), в которую ИК-излучение заводится с помощью диэлектрического прямоугольного волновода (1), а выводится с помощью волновода (3). Устройство сенсора выполнено на прозрачной подложке (4) из диэлектрика.

На фиг. 2 показана одна из вариаций одномерной цепочки диэлектрических наночастиц - цепочки из нанодисков (2). В такую цепочку ИК-излучение заводится с помощью диэлектрического прямоугольного волновода (1), а выводится с помощью волновода (3). Устройство сенсора выполнено на прозрачной подложке (4) из диэлектрика.

На фиг. 3 представлен вариант сенсора, выполненного из цепочки, состоящей из параллелепипедов (2) в качестве резонансных наночастиц. Заводящим элементом служит диэлектрический прямоугольный волновод (1), а выводящим – волновод (3). Устройство сенсора выполнено на прозрачной подложке (4) из диэлектрика.

На фиг. 4 представлен спектр пропускания одной из вариаций одномерной цепочки наночастиц – цепочки, состоящей из нанодисков, в диапазоне длин волн 1250–1370 нм в случае показателя преломления окружающей среды n=1.

На фиг. 5 изображены спектры пропускания той же цепочки, что и на фиг. 4, в диапазоне длин волн, обозначенном пунктирными линиями на фиг. 4, для случая показателей преломления окружающей среды n=1 и n=1.00093.

На фиг. 6 изображён принцип работы сенсора, выполненного на основе цепочки из нанодисков (2), в которую ИК-излучение заводится с помощью диэлектрического прямоугольного волновода (1), а выводится с помощью волновода (3). Устройство сенсора выполнено на прозрачной подложке (4) из диэлектрика. Источником является лазерный диод (5), излучение которого фокусируется на входной торец волновода (7) с помощью линзы (6), а собирается с помощью линзы (8), и через светофильтр (9) попадает на детектор (10), который регистрирует изменение в пропускании из-за наличия газа (11).

Осуществление изобретения

Заявляемый сенсор предназначен преимущественно для детектирования содержания примесей газов в газовоздушных средах, например, регистрации повышенного содержания углекислого газа в воздухе или присутствия в нём метана, при этом может быть также использован для определения примесей твердых частиц, например соединений кремния, кальция, углерода, сажи, смол.

При этом под примесью в рамках настоящего изобретения понимают вещества, которые изначально не содержатся в газовоздушной среде (например, наличие угарного газа или частиц сажи в воздухе), а также вещества, которые в норме содержатся в газовоздушной среде, но концентрация которых в момент измерения превышает эту норму (например, повышенное содержание метана или углекислого газа в воздухе). Под воздухом в данном случае понимается смесь газов, концентрация которых в момент измерений считается находящейся в норме.

Интегральный оптический сенсор представляет собой дискретный волновод в виде одномерной цепочки наночастиц субволновых размеров (от 250 нм до 500 нм), выполненных из диэлектрического материала с высоким показателем преломления (от 2.38 до 4.25), обладающих резонансами Ми в ближней инфракрасной области спектра в диапазоне длин волн 800–2100 нм. Данный волновод, в свою очередь, находится на подложке, например, двухслойной, верхний слой которой является прозрачным, например, толщиной 2.6 мкм с низким показателем преломления (от 1.32 до 1.75), а нижний слой представляет из себя подложку из диэлектрического материала с высоким показателем преломления (от 2.38 до 5), например, толщиной 50 мкм. При возбуждении Ми-резонанса в наночастице происходит усиление локального поля как внутри, так и снаружи частицы. При расположении резонансных наночастиц в одномерную цепочку на субволновом (от 250 нм до 500 нм) расстоянии от соседних, они оптически связываются между собой, что приводит к распространению электромагнитного излучения и усилению локального поля вдоль этой цепочки. Использование диэлектрических материалов обеспечивает малые потери при прохождении электромагнитного излучения через цепочку наночастиц.

В качестве элементов для одномерной цепочки диэлектрических наночастиц могут быть использованы частицы различных форм (включая, но не ограничиваясь): сферы, диски, цилиндры, кубы и параллелепипеды. Характерные размеры таких частиц в разных измерениях могут составлять от 250 до 500 нм. Количество частиц может варьироваться от 10 до 1000, что в переводе на длину цепочки даёт значение от 5 мкм до 800 мкм. В качестве материалов для таких частиц могут выступать различные диэлектрики и полупроводники из оптически прозрачного материала: простые вещества (кремний, германий) и химические соединения (арсенид галлия) и др., характеризующиеся коэффициентом преломления N2 = 2.38 – 4.25. В качестве подложки для данных структур может выступать диэлектрик из оптически прозрачного материала, например плавленый кварц или сапфир, характеризующийся коэффициентом преломления N1= 1.32 - 1.75. В качестве заводящего в цепочку излучения элемента может быть использован (включая, но не ограничивая) волновод прямоугольного сечения из того же материала, из которого сделана сама цепочка. Заведение излучения в волновод, в свою очередь, может быть выполнено с помощью дифракционной решётки на конце волновода, одномодового волокна или с помощью засвечивания заводящего торца волновода сфокусированным пучком (методика «end-fire coupling»). В качестве источника ИК-излучения может быть выбран лазерный диод, излучение которого фокусируется с помощью линзы или объектива на входной торец волновода. На выходном торце излучение собирается также с помощью линзы и направляется на ИК-детектор, который измеряет пропускание сенсора в зависимости от содержания примесей.

Сенсор заявленной конструкции может быть изготовлен широко известными и отработанными способами производства наноструктур: методом электронно-лучевой литографии (Tsuchizawa, T., Yamada, K., Fukuda, H., Watanabe, T., Takahashi, J. I., Takahashi, M., Shoji T., Tamechika E., Itabashi S.-i. & Morita, H. (2005). Microphotonics devices based on silicon microfabrication technology. IEEE Journal of selected topics in quantum electronics, 11(1), 232-240) или методом фотолитографии (Terry, S. C., Jerman, J. H., & Angell, J. B. (1979). A gas chromatographic air analyzer fabricated on a silicon wafer. IEEE transactions on electron devices, 26(12), 1880-1886).

Для детектирования примесей в газовоздушных средах излучение ближнего инфракрасного диапазона заводят в цепочку наночастиц через прямоугольный диэлектрический волновод с субволновыми поперечными размерами, который находится на одной прямой с цепочкой наночастиц. При этом в волновод заводят линейно поляризованное лазерное излучение, где электрическая компонента поля перпендикулярна волноводу и параллельна подложке. Торец волновода, через который излучение заводится в цепочку наночастиц и который расположен на субволновом расстоянии от ближайшей к нему наночастицы, представляет собой сечение под нормалью прямоугольного диэлектрического волновода. Заведение излучения в волновод происходит через противоположный торец волновода. Выводят излучение через выходной волновод, реализованный аналогично входному.

Изменение состава окружающей среды приводит к изменению ее показателя преломления, и соответственно, к изменению коэффициента пропускания газовоздушной среды, окружающей наночастицы, на выходе цепочки диэлектрических наночастиц. Так как одномерная цепочка наночастиц представляет собой набор Ми-резонансных наночастиц, выстроенных в линию, каждая из которых находится на субволновом расстоянии от двух соседних, то за счёт возбуждения резонансов Ми, внутри и снаружи частицы происходит сильная локализация электромагнитного поля. Благодаря тому, что соседние частицы находятся близко друг к другу, они оптически связываются между собой, и электромагнитная волна начинает распространяться по цепочке, при этом усиливая локальное электромагнитное поле вдоль цепочки наночастиц. Такое усиление приводит к тому, что локальные поля концентрируются как в зазорах между наночастицами, так и в ближайшей окрестности от них с других сторон. Условия распространения волны по цепочке наночастиц за счёт сконцентрированного локального поля снаружи от частиц будут зависеть от показателя преломления окружающей такую цепочку среды. На показатель преломления среды непосредственно влияет её состав, изменение которого будет отражаться на условиях распространения волны и, как результат, на сигнал на выходе из цепочки.

Перед измерением концентрации примесей в интересующей газовоздушной среде, необходимо провести калибровку заявляемого сенсора на газовоздушной среде с количеством содержащихся примесей, считающимся допустимым. Для этого измеряют оптическое пропускание системы в «нормальной» (или эталонной) газовоздушной среде, при этом количество калибровочных измерений выбирают в диапазоне 10-100 в зависимости от стабильности внешних условий (температуры, влажности и т.д.). По результатам калибровочного измерения определяют «нормальное» значение оптического пропускания сенсора T₀ и погрешность измерения dT. Вывод о превышении уровня примесей относительно допустимого значения делают по итогам сравнения результатов измерений T на интересующей газовоздушной среде с результатами, полученными при калибровке T₀:

|T- T₀|> k*dT,

где k – калибровочный коэффициент, который может определяться либо для общего отклонения газовоздушной смеси от стационарного состояния (k=3), либо в случае определения превышения конкретной примеси за предельно допустимую концентрацию примеси может рассчитываться по формуле k=(|T₀-T_ПДК|+dT)/dT. В последнем случае необходимо рассчитать оптическое пропускание сенсора для газовоздушной смеси при предельно допустимой концентрации примеси T_ПДК.

Приведённые параметры интегрального оптического сенсора являются необходимыми и достаточными для достижения технического результата.

Одним из главных преимуществ оптического сенсора на основе цепочки диэлектрических наночастиц является его совместимость с существующими технологиями на базе комплементарных структур металл-оксид-полупроводник (КМОП-технологий). Данный факт даёт возможность для реализации сенсора на основе цепочки резонансных диэлектрических наночастиц на интегральном чипе, что отличает его от большинства существующих аналогов. Использование диэлектрических материалов, прозрачных для области ИК-диапазона с длинами волн больше 1 мкм, для создания самой цепочки наночастиц и подложки делает сенсор свободным от оптических потерь и нагрева в отличие от плазмонных структур. Использование в качестве геометрии сенсора одномерной цепочки из наночастиц приводит к его малым размерам (в одном из вариантов осуществления изобретения был реализован сенсор со следующими габаритными размерами: ширина ~300 нм, высота ~220 нм, и длина ~20 мкм, и чувствительностью Δn=0.00093), в результате чего достигается компактность сенсора. Данные преимущества используемых материалов и геометрии одномерной цепочки позволили разработать оптический газовый сенсор с малыми потерями, с компактными размерами и совместимый с существующими КМОП-технологиями, являющимися ключевыми требованиями для реализации сенсора на интегральном чипе.

Пример

Описываемый сенсор и принцип его работы поясняется конкретным примером, который является одной из возможных реализаций рассматриваемого изобретения. Одновременно с этим, данный пример хорошо иллюстрирует возможность достижения заявленного технического результата.

Сенсор изготовлен на основе слоистой структуры кремний-изолятор-кремний, где два нижних слоя - изолятор и кремний, играют роль двухслойной подложки для верхнего слоя кремния. Нижним слоем подложки является объёмный кремний c показателем преломления 3.5 и толщиной 50 мкм, а изолятором является слой из диоксида кремния с показателем преломления 1.445 и толщиной 2,6 мкм. Верхний слой, из которого выполняли чувствительный элемент сенсора, представляет собой слой кремния высотой 280 нм с показателем преломления 3.5. Одномерная цепочка резонансных наночастиц изготовлена посредством наноструктурирования верхнего слоя кремния с помощью метода фотолитографии. Наноструктурирование поверхности может быть реализовано также с помощью метода электронно-лучевой литографии.

Полученный сенсор представлял собой одномерную цепочку из 50 наночастиц, расположенных вдоль одной прямой и имеющих форму нанодисков, диаметр которых составлял 300 нм, а расстояние между соседними нанодисками - 130 нм. Для заведения оптического излучения в такую цепочку использовался прямоугольный кремниевый волновод шириной 300 нм и длиной 10 мкм с прямоугольным выходным торцом, расположенным на расстоянии 130 нм от первого нанодиска. Высота одномерной цепочки нанодисков, а также заводящего волновода составляла 220 нм. Входной торец волновода также имел прямоугольную форму, на который падало линейно поляризованное излучение лазера в диапазоне длин волн 1.2 – 1.8 мкм. Падающее излучение было поляризовано таким образом, чтобы электрическая компонента поля была перпендикулярна направлению волновода и параллельна подложке. Принцип работы сенсора поясняется конкретным примером, представленным на фиг. 6. Излучение лазерного диода Thorlabs LP1310-SAD2 фокусировалось с помощью линзы Thorlabs 354330-C на входной торец волновода, заводящего излучение ближнего ИК-диапазона в цепочку нанодисков. Сбор сигнала на выходе из цепочки осуществлялся с помощью ещё одной линзы Thorlabs 354330-C, после которой излучение попадало на детектор Thorlabs PDA05CF2, который преобразовывал сигнал, прошедший через сенсор оптического излучения (оптическое пропускание структуры), в электрический и считывал его. В результате заведения оптического излучения в такую систему, нанодиски оптически связываются друг с другом благодаря возбуждению в них магнито-дипольных резонансов Ми, и происходит локализация поля вблизи нанодисков на протяжении всей цепочки. Условия распространения такой моды по цепочке будут зависеть от показателя преломления среды, окружающей данную цепочку. В результате, при изменении процентных содержаний различных веществ (таких как углекислый газ, угарный газ и т.д.) в окружающей цепочку среде, её показатель преломления меняется, и в итоге будет меняться коэффициент пропускания одномерной цепочки. Для того, чтобы определить наличие примесей в воздухе, необходимо провести два измерения: калибровочное (на воздухе с допустимым количеством примесей, что является нормой) и измерение исследуемого воздуха. В этих двух измерениях сенсор будет пропускать разное количество света, что измеряется детектором на выходе, и далее сравнивается между собой.

Благодаря тому, что сенсор на основе цепочки резонансных наночастиц детектирует изменения показателя преломления окружающего воздуха, то он может определять наличие в т.ч. многокомпонентных примесей в воздухе. Так, например, с помощью заявляемого сенсора было определено, что наличие в окружающем воздухе (показатель преломления n = 1.000292) дополнительных 10% углекислого газа (n = 1.00045) приводило к результирующему показателю преломления воздуха n = 1.0003078. При изменении состава окружающего воздуха, в котором дополнительно находилось 15% аммиака (n = 1.000375) и 5% метана (n = 1.000441), результирующий показатель преломления составил n = 1.000312, что также было определено с помощью сенсора на основе цепочки резонансных наночастиц.

Изготовленный сенсор был использован для детектирования примесей газовоздушной среды, размещенной в камере, где находился сенсор. Калибровка, в свою очередь, проводилась при открытой камере так, что сенсор контактировал с воздухом лабораторного помещения, где проводился эксперимент. В ходе проведённых экспериментов с сенсором, сделанным из указанных материалов, была продемонстрирована чувствительность

Измерения пропускания и чувствительности сенсора были оценены в следующем эксперименте. Так, на фиг. 4 представлен расчёт коэффициента пропускания для цепочки длиной 21 мкм, состоящей из нанодисков диаметром 300 нм и зазорами 130 нм, с источником в виде моды прямоугольного волновода, соответствующей направлению электрического поля перпендикулярно волноводу и параллельно подложке, и с показателем преломления окружающей среды n=1. На фиг. 5 представлено сравнение этого же графика с аналогичным, но для случая показателя преломления окружающей среды n=1.00093, соответствующему показателю преломления воздуха с примесями. На длине волны 1316.3 нм изменение коэффициента пропускания в случае этих двух показателей преломления составило 0.7%.

Исследования заявляемого сенсора были проведены при различном сочетании параметров используемых конструктивных элементов. В частности, подложка была выполнена из различных диэлектриков (оксида кремния, сапфира или оптического стекла, крона) с различными показателями преломления из заявленного интервала значений (1.45, 1.75, 1.55, 1.32). Чувствительные элементы и элементы ввода и вывода излучения были выполнены из различных диэлектриков (Si, Ge, GaAs, AlGaAs, алмаз) с различными показателями преломления из заявленного интервала значений (3.5, 4.25, 3.2, 2.9, 2.38). При этом чувствительные элементы имели различную форму – в виде сфер, дисков, параллелепипедов, как показано на фиг.1-3, а волноводы для ввода и вывода излучения имели прямоугольное сечение как с фиксированной шириной на протяжении всей длины волноводов, так и изменяемой (в диапазоне 0.1-10 мкм). Длина чувствительной области (активных элементов) полученных сенсоров не превышала 100 мкм, при этом параметры чувствительности при проведенных исследованиях составляли (Δn<0.001).

Таким образом, при помощи одномерной цепочки из диэлектрических наночастиц удаётся детектировать уровень примесей в воздухе по изменению его показателя преломления.

Сенсор имеет компактные размеры благодаря использованию наночастиц с субволновыми размерами, расположенных в линию, а также совместим с текущими КМОП-технологиями, что даёт возможность для реализации его на интегральном схеме. Кроме того, заявленный сенсор имеет чувствительность , что 2 раза больше, чем у прототипа.

Изобретение относится к области измерительной техники и касается интегрального оптического сенсора для определения наличия примесей в газовоздушных средах. Сенсор включает в себя размещенные на подложке из оптически прозрачного диэлектрического материала с коэффициентом преломления N1 элементы ввода и вывода излучения и чувствительный элемент в виде волновода, также выполненный из оптически прозрачного диэлектрического материала с коэффициентом преломления N2, где N2>N1. Чувствительный элемент представляет собой дискретный волновод в виде цепочки Ми-резонансных субволновых наночастиц, расположенных на субволновом расстоянии друг от друга. Элементы ввода и вывода излучения выполнены в виде волноводов с прямоугольным сечением, имеющим субволновые поперечные размеры, и расположенных на субволновом расстоянии от крайних наночастиц чувствительного элемента. Технический результат заключается в уменьшении размеров и повышении чувствительности сенсора. 5 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Интегральный оптический сенсор для определения наличия примесей в газовоздушных средах, включающий размещенные на подложке из оптически прозрачного диэлектрического материала с коэффициентом преломления N1 элементы ввода и вывода излучения, и чувствительный элемент в виде волновода, также выполненный из оптически прозрачного диэлектрического материала с коэффициентом преломления N2, где N2>N1, отличающийся тем, что чувствительный элемент представляет собой дискретный волновод в виде цепочки Ми-резонансных субволновых наночастиц, расположенных на субволновом расстоянии друг от друга, а элементы ввода и вывода излучения выполнены в виде волноводов с прямоугольным сечением, имеющим субволновые поперечные размеры, и расположенных на субволновом расстоянии от крайних наночастиц чувствительного элемента.

2. Сенсор по п.1, отличающийся тем, что подложка выполнена из диэлектрика с показателем преломления N1 = 1.32 - 1.75, а чувствительный элемент, элементы ввода и вывода излучения размещены на одной оси и выполнены из диэлектрика с показателем преломления N2 = 2.38 – 4,25.

3. Сенсор по п.1, отличающийся тем, что наночастицы и элементы ввода и вывода излучения выполнены из следующих материалов: Si, Ge, GaAs, AlGaAs, алмаз.

4. Сенсор по п.1, отличающийся тем, что подложка выполнена из оксида кремния, сапфира или оптического стекла.

5. Сенсор по п.1, отличающийся тем, что наночастицы имеют форму сфер, дисков, параллелепипедов, цилиндров, кубов.

6. Сенсор по п.1, отличающийся тем, что волноводы для ввода и вывода излучения имеют прямоугольное сечение фиксированных размеров на протяжении всей своей длины, при этом ширина волновода в его поперечном сечении увеличивается или уменьшается при отдалении от волновода из цепочки наночастиц.