一种化学成份检测微纳光学传感器及其制作与检测方法与流程

1.本发明涉及光谱吸收检测与微纳传感器技术领域，具体涉及一种用于检测水体或大气环境中化学成分含量的微纳光学传感器及其制作方法与检测方法。


背景技术：

2.当光经过待测的液体或气体等时，待测物质可以吸收掉部分波长的光，具体吸收的光的波长与待测物质中的化学成分相关。利用这个原理可以设计出一类基于光谱吸收原理的化学成分分析的测量装置，其使用场景不局限于水体中、大气中。就目前而言，这一类装置体积普遍较为庞大，且需要采样带回进行测量。利用先进的技术，是否可以设计一款可现场检测或在线监测水体、大气中等某些化学成分的传感器替代原有的装置，且可以做到体积很小、方便携带。
3.目前大多数的基于光谱吸收原理的测量水或空气中等化学成分的装置是基于光谱仪的，由于光谱仪的体积很大，这也就限制了装置的使用场景，且需要到现场采样带回实验室进行分析，非常的不方便，也不可以做到在线检测。
4.微纳传感器是近几年传感器领域的热门方向，且目前国家正在大力扶持和发展微纳传感器领域。因为其可以在很小的体积空间里集成大量的微小器件单元来达到探测某种物理或化学量的目的，且方案成熟后可以批量生产，极大的降低了传感器的生产和制作成本。微纳传感器就是指以微米或纳米级加工技术为基础，在硅等半导体材料或其他新型材料上制作各类部件，最终封装成为一体的传感器。这类传感器具有体积小、可批量生产等技术优点，同时其测量精度和范围也可以满足大多数的使用场景。使用微纳技术制作传感器正是因为其可以在保证功能的基础上将体积做的非常小，解决了便携性的问题，研究和应用前景非常广阔。但是，目前尚未有关于可以检测水体或大气环境中化学成分含量的微纳光学传感器及其制作方法与检测方法的报道。因此，本技术发明人的想法是，利用微纳制造技术可以实现传感器部件高度集成化的特点，制作出体积微小、便于携带且可以实现现场检测水或空气中等化学成分的传感器。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是提供一种利用微纳加工技术制作的基于光谱吸收原理的化学成分检测微纳光学传感器及其制作与测量方法。
6.本发明所基于的基础技术原理为光谱吸收技术。光经过被测物后，若被测物中有需要检测化学成分，则会吸收掉部分特定波长的光，而特定波长光的吸收量与被测化学成分的浓度呈正相关性，即被测化学成分浓度越高，特定波长光的吸收量越大，则光信号接收器接收到的信号光强也越弱，因此可用吸收光的光强大小来判断被测物中的化学成分及其浓度。本发明是一种基于光谱吸收原理的化学成分检测微纳光学传感器，为了使光线聚集以达到尽可能高光强，提高传感器探测的精确度和灵敏度，其入射光与出射光的光波导端头均设计为凸透镜形状。
7.为了解决上述技术问题，本发明基于光谱吸收原理的化学成分检测微纳光学传感器的技术方案为：一种用于检测某种化学成分含量的微纳光学传感器，包括硅基片，其特征在于，所述硅基片设置有光源、用于容纳待检测介质的检测腔、光接收器, 所述硅基片，在光源与检测腔之间开设第一沟槽, 在检测腔与光接收器之间开设第二沟槽,所述第一沟槽、第二沟槽内充满经液体灌注，固化后用作使光线定向传输的光波导材料，所述固化后的光波导材料在检测腔的两侧分别形成呈凸起圆弧形的聚光壁，从所述光源依次经第一沟槽内的光波导材料、检测腔、第二沟槽内的光波导材料至光接收器形成光通路；所述光源所发出光的波长正是只有所要检测的化学成分所能吸收的光的波长，所述光接收器是能接收所述的光并能转换成电参数值的光接收器。所述电参数为电压或电流或电阻。
8.以下为本发明基于光谱吸收原理的化学成分检测微纳光学传感器进一步的方案：所述硅基片呈桌子形状，包括桌面板，桌面板下面为经蚀刻形成的对外界开放的检测腔, 检测腔的两侧为相对而立2个侧壁，2个侧壁相对的内侧面均呈凸起圆弧形，所述第一沟槽、第二沟槽从桌面板各自向下贯穿2个侧壁，所述第一沟槽、第二沟槽各自包括相互连通的扇形腔与矩形腔，在硅基片桌面各自留下扇形开口与矩形开口，所述光波导材料按扇形腔形状在所述2个侧壁相对的内侧面呈凸起圆弧形，所述光源、光接收器分别设置在这2个矩形开口的上方。
9.所述用作使光线定向传输的光波导材料的光波导材料为su
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8光刻胶，光源选用固定波长的led发光器或闪烁氙灯裸灯，光接收器选择光敏管或光电二极管。
10.所述第二沟槽的扇形腔大于第一沟槽的扇形腔。
11.所述光源、光接收器上方设置玻璃盖板。
12.为了解决上述技术问题，本发明基于光谱吸收原理的化学成分检测微纳光学传感器的制作方法所采用的技术方案为：一种用于检测某种化学成分含量的微纳光学传感器的制作方法，选用表面为晶面的双面抛光单晶硅片作为所述硅基片材料，其特征在于，按先后顺序包括以下工序：工序一、所述硅基片材料的选用、表面处理。
13.工序二、所述硅基片的蚀刻成型加工，在所述第一沟槽、第二沟槽内注入光波导材料，固化后形成光通路；工序三、将光源、光接收器粘贴在基片对应的开口处，从光接收器引出外接导线；工序四、最后进行外壳封装。
14.以下为本发明基于光谱吸收原理的化学成分检测微纳光学传感器的制作方法进一步的方案：以上所述的微纳光学传感器的制作方法，用于以上所述的硅基片呈桌子形状的微纳光学传感器的制作，其特征在于，所述工序二的蚀刻成型加工为：先进行所述检测腔的蚀刻成型，从选用的单晶硅片的两侧面的其中一侧面向内蚀刻至半，再从另一侧面向内蚀刻至贯穿；完成所述检测腔的蚀刻成型后，用隔水薄膜粘贴住蚀刻出的2个侧壁内侧面；后从硅基片桌面分别向下蚀刻出所述第一沟槽、第二沟槽；或者，先从硅基片桌面分别向下蚀刻出所述第一沟槽、第二沟槽，在所述第一沟槽、第二沟槽内注入光波导材料，固化后形成光通路，后再按以上所述进行检测腔的蚀刻成型。
15.以上所述的微纳光学传感器的制作方法中，工序一、工序二具体包括以下步骤：步骤一、对所选用的单晶硅片表面进行氧化形成氧化硅层；步骤二、在已氧化好的单晶硅片上涂光刻胶，并利用离心原理进行旋转甩平，使光刻胶均匀的覆盖住硅片，形成光刻胶层；步骤三、光刻后对硅基片进行显影曝光，在需要制备窗口的地方刻蚀掉多余的光刻胶，制备出接下来用于腐蚀的窗口；步骤四、利用腐蚀液腐蚀氧化硅，制备出对硅进行刻蚀的窗口；步骤五、选用合适的清洗液，将硅片上的光刻胶洗净去除；步骤六、硅基片的蚀刻成型与注入光波导材料：包括用于容纳待检测介质的检测腔的蚀刻成型，用于从光源通往检测腔的第一沟槽的蚀刻成型与注入光波导材料, 用于从检测腔通往光接收器的第二沟槽的蚀刻成型与注入光波导材料；步骤七、选用合适的清洗液，将硅片上的氧化硅洗净去除；所述工序三中，外壳封装前，在光源、光接收器上方粘贴玻璃盖板，以加强器件强度。
16.为了解决上述技术问题，本发明一种水体或大气环境中某种化学成分含量的检测方法所采用的技术方案为：使用如以上所述的任一种微纳光学传感器，根据所要检测的化学成分，选用适配的所述微纳光学传感器，所述适配的所述微纳光学传感器，是指所述微纳光学传感器的光源所发出光的波长正是只有所要检测的化学成分所能吸收的光的波长，配置电化学工作站、电脑，将所述微纳光学传感器与电化学工作站、电脑相连接，形成水体或大气中化学成分含量检测分析系统；在进行实际水体或大气中检测前，预先将配置好的已知含有某种化学成分的不同含量的n个水体标准样品或大气标准样品通过所述水体或大气中化学成分含量检测分析系统在实验环境下进行检测标定，获得所述微纳光学传感器的光接收器所输出的电参数值与此种化学成分含量的对应线性关系式；完成标定后，就可使用同样条件制成的所述微纳光学传感器进行水体或大气中此种化学成分含量的检测，将所述微纳光学传感器置于待测水体或大气区域中，接通所述量检测分析系统，将所述微纳光学传感器的光接收器所输出的电压电流值经所述线性关系式换算，即可获得所测水体或大气区域中此种化学成分含量。
17.本发明基于光谱吸收原理用于化学成分检测的微纳光学传感器就是使用单晶硅基片，在硅基片上构造所需形状，使用光刻胶作为光学波导材料，然后全部封装在一起制作而成的传感器。由于目前硅基片的加工工艺已经较为成熟，且光刻胶作为光波导的材料成型工艺等也比较完善，因此可以批量制备性能优异且体积微小的传感器，极大降低成本，扩展了基于光谱吸收原理的化学成分检测传感器的应用场景。本发明利用微纳光学传感器能够做的极小、工艺兼容性好以及可以批量生产的特点，制作出能够在水体、大气中等多种应用场景下测量和分析化学成分的芯片级传感器。本发明可通过光敏管接收的光强度绘制出吸收光谱图，进而通过吸收峰来判定各种化学成分及各成分的浓度。
18.利用目前已经日趋成熟的微纳制造工艺技术，本发明基于光谱吸收原理的化学成分检测微纳光学传感器可批量制造，制造成本低，产品一致性好。传感器无需使用者再次手动调节，在设计之初即将折射率与光波导曲率半径考虑其中，因此在制作时可一次成型。并
且由于微纳制造技术可以在较小面积的基片上集成大量的分立元件，传感器本身所需的各个独立元件例如光波导等可以全部集成在一起，且所有元件可用极少的制作步骤一次性制作完成，因此本传感器的一个特征在于可以在较低成本的情况下大批量制备且无需后期手动调节匹配，使用方便。还可将采用了不同led光源的本传感器进行并联使用，即可实现同时测量多种化学成分。
附图说明
19.图1为本发明的硅片蚀刻沟槽后正视角度示意图；图2为本发明的信号光入射口特写示意图；图3为本发明的光源光线出射口特写示意图；图4为本发明在硅片上放置好led光源与光敏管后示意图；图5为本发明覆盖玻璃盖板后示意图；图6为本发明的测量标时各部分连接方法简要示意图。应当注意的是，为了更好的展示本传感器内部结构，各图均为未填充光波导时的示意图。
20.各图中标号所指示的部分为：1、光源入射光口（下凹棱台形状，填充光波导）；2、光源出射光通路（填充光波导后末端为凸透镜形状）；3、信号光入射光通路（填充光波导后首端为凸透镜形状）；4、信号光出射光口（下凹棱台形状，填充光波导）；5、开放式检测腔；6、led光源；7、光敏管；8、玻璃盖板。
具体实施方式
21.以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
22.本发明用于检测某种化学成分含量的微纳光学传感器，包括硅基片1，硅基片设置有光源2、用于容纳待检测介质的检测腔3、光接收器4, 所述硅基片在光源2与检测腔3之间开设第一沟槽5, 在检测腔与光接收器之间开设第二沟槽6,所述第一沟槽5、第二沟槽6内充满经液体灌注，固化后用作使光线定向传输的光波导材料，所述固化后的光波导材料在检测腔3的两侧分别形成呈凸起圆弧形的聚光壁，形成凸透镜形状，方便光线聚集以达到尽可能高的光源光强和信号光强，提高传感器探测的精确度和灵敏度。从所述光源2依次经第一沟槽5内的光波导材料、检测腔3、第二沟槽6内的光波导材料至光接收器4形成光通路；所述光源2所发出光的波长正是只有所要检测的化学成分所能吸收的光的波长，所述光接收器4是能接收所述的光并能转换成电参数值的光接收器4。所述电参数为电压或电流或电阻。用作使光线定向传输的光波导材料的光波导材料可选用su
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8光刻胶，光源3可选用符合要求的固定波长的led发光器或闪烁氙灯裸灯，光接收器4可选择符合要求的光敏管或光电二极管。
23.如图1所示，所述硅基片1呈桌子形状，包括桌面板7，桌面板7下面为经蚀刻形成的对外界开放的检测腔3, 检测腔3的两侧为相对而立2个侧壁8，硅基片1的2个侧壁8相对的内侧面9 均呈凸起圆弧形，所述第一沟槽、第二沟槽从桌面板7各自向下贯穿2个侧壁8，分别在2个侧壁8的内侧面9形成扇形腔10的侧开口，如图2、图3所示。所述第一沟槽5、第二沟槽6各自包括相互连通的扇形腔10与矩形腔11，硅基片1桌面12分别有扇形腔10上开口与矩
形腔11上开口，所述光波导材料按扇形腔10形状在所述2个侧壁8相对的内侧面9呈凸起圆弧形的聚光壁，形成凸透镜形状。光波导材料的聚光壁的凸起圆弧形可与硅基片1的2个侧壁8的凸起圆弧形一致。如图4所示，光波导材料的所述光源2、光接收器4分别设置在这2个矩形腔11上开口的上方。第二沟槽的扇形腔大于第一沟槽的扇形腔，可以使光接收效果更好。为了加强器件强度，所述光源2、光接收器4上方设置玻璃盖板13，如图5所示。
24.本发明微纳光学传感器的制作方法，选用表面为晶面的双面抛光单晶硅片作为硅基片1材料，按先后顺序包括以下工序：工序一、所述硅基片1材料的选用、表面处理。
25.工序二、所述硅基片1的蚀刻成型加工，在所述第一沟槽5、第二沟槽6内注入光波导材料，固化后形成光通路；工序三、将光源2、光接收器4分别粘贴在基片对应的矩形腔11上开口处，从光接收器4引出外接导线；工序四、最后进行外壳封装。
26.如以上所述的硅基片呈桌子形状的微纳光学传感器的制作，所述工序二的蚀刻成型加工为：先进行所述检测腔3的蚀刻成型，从选用的单晶硅片的两侧面的其中一侧面向内蚀刻至半，再从另一侧面向内蚀刻至贯穿；完成所述检测腔3的蚀刻成型后，用隔水薄膜粘贴住蚀刻出的2个侧壁内侧面9；后从硅基片桌面12分别向下蚀刻出所述第一沟槽5、第二沟槽6；或者，先从硅基片桌面12分别向下蚀刻出所述第一沟槽5、第二沟槽6，在所述第一沟槽5、第二沟槽6内注入光波导材料，固化后形成光通路，后再按以上所述进行检测腔3的蚀刻成型。
27.以上所述的微纳光学传感器的制作方法中，工序一、工序二具体包括以下步骤：步骤一、对所选用的单晶硅片表面进行氧化形成氧化硅层；步骤二、在已氧化好的单晶硅片上涂光刻胶，并利用离心原理进行旋转甩平，使光刻胶均匀的覆盖住硅片，形成光刻胶层；步骤三、光刻后对硅基片进行显影曝光，在需要制备窗口的地方刻蚀掉多余的光刻胶，制备出接下来用于腐蚀的窗口；步骤四、利用腐蚀液腐蚀氧化硅，制备出对硅进行刻蚀的窗口；步骤五、选用合适的清洗液，将硅片上的光刻胶洗净去除；步骤六、硅基片的蚀刻成型与注入光波导材料：包括用于容纳待检测介质的检测腔的蚀刻成型，用于从光源通往检测腔的第一沟槽5的蚀刻成型与注入光波导材料, 用于从检测腔3通往光接收器的第二沟槽6的蚀刻成型与注入光波导材料；步骤七、选用合适的清洗液，将硅片上的氧化硅洗净去除；所述工序三中，外壳封装前，在光源、光接收器上方粘贴玻璃盖板13，以加强器件强度。
28.使用如以上所述的任一种微纳光学传感器，可检测水体或大气环境中化学成分含量。根据所要检测的化学成分，选用适配的所述微纳光学传感器，所述适配的微纳光学传感器，是指所述微纳光学传感器的光源所发出光的波长正是只有所要检测的化学成分所能吸收的光的波长。如图6所示，配置电化学工作站、电脑，将所述微纳光学传感器与电化学工作站、电脑相连接，形成水体或大气中化学成分含量检测分析系统。在进行实际水体或大气中
检测前，预先将配置好的已知含有某种化学成分的不同含量的n个水体标准样品或大气标准样品通过所述水体或大气中化学成分含量检测分析系统在实验环境下进行检测标定，获得所述微纳光学传感器的光接收器所输出的电参数值与此种化学成分含量的对应线性关系式。当然，在标定传感器与不同组分数据对应关系式时，使用的标定组分分档数越多，数据量越大，越有利于关系式标定的准确度，使得传感器的精度更好。同时，led光源的波长可根据具体需求而自由选择，即可满足多样化的检测需求。完成标定后，就可使用同样条件制成的所述微纳光学传感器进行水体或大气中此种化学成分含量的检测，将所述微纳光学传感器置于待测水体或大气区域中，接通所述量检测分析系统，将所述微纳光学传感器的光接收器所输出的电压电流值经所述线性关系式换算，即可获得所测水体或大气区域中此种化学成分含量。
29.以水体或大气两种使用场景举例：一：使用场景为水中，待测化学成分为铬酸盐在水中电离产生的负离子铬酸根离子，例如在管道中。将365nm波长的紫外led光源或闪烁氙灯裸灯粘贴在光源入射口处，将光敏管粘贴在信号光出射口处。其中，光源的选择上应符合本传感器主体的尺寸，一般不应超过4mm*4mm；光敏管的尺寸同样不能太大，且选择光敏管时，应当注意光敏管可探测的波长范围，应选择与光源波长匹配的光敏管。将传感器主体粘贴好后可进行壳体封装，只需要将下方的开放式检测腔暴露即可。而后，需在实验室环境下对传感器所得出的数据进行处理，将线性关系进行标定，降低系统所带来的误差值。批量制造的传感器只需在工厂进行一次标定即可应用到同一批次同一型号的全部传感器。最终标定好的传感器即可安放进管道中进行铬酸根离子的检测，根据吸收峰的值来判断有无铬酸根离子以及其浓度的值。
30.二：使用场景为空气中，待测化学成分为二氧化硫，例如在废气排放口。二氧化硫的特征吸收光谱波长为2400nm、3300nm和7650nm，因此光源可选择以上三个波长的任意一种，只需要尺寸符合传感器要求，且散热无需过多考虑即可。此时光敏管的检测波长无法满足要求，可换为光电二极管，例如，若使用2400nm的红外光源，则光电二极管可选用滨松公司的g12183
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010k型铟砷化镓光电二极管即可满足检测波长的需求。同样的，将传感器主体粘贴好后可进行壳体封装，只需要将下方的开放式检测腔暴露即可。而后，需在实验室环境下对传感器所得出的数据进行处理，将线性关系进行标定，降低系统所带来的误差值。批量制造的传感器只需在工厂进行一次标定即可应用到同一批次同一型号的全部传感器。最终标定好的传感器即可安放废气排放口进行二氧化硫的检测，根据吸收峰的值来判断有无二氧化硫以及其浓度的值。