近日，天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院的光子芯片實(shí)驗(yàn)室與深圳大學(xué)合作，研發(fā)了一種基于懸空納米薄膜硅基（suspended nanomembrane silicon，SNS）微盤(pán)諧振腔的CO?傳感器，成果以"Suspended nanomembrane silicon micro-disk for cross-sensitivity-free, high-concentration, large-dynamic range CO?sensing"為題發(fā)表在《Sensors and Actuators: B. Chemical》期刊上。

高濃度二氧化碳（CO?）傳感在食品保鮮、工業(yè)過(guò)程等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。硅基微型諧振器件因其高靈敏度和緊湊結(jié)構(gòu)成為高濃度CO?折射率傳感的理想器件之一。通過(guò)檢測(cè)微型諧振器件倏逝場(chǎng)與CO?作用引起的器件光模式有效折射率的微小變化，可以實(shí)現(xiàn)高精度氣體濃度測(cè)量。然而，硅的高熱光系數(shù)導(dǎo)致這類傳感器對(duì)溫度變化極為敏感。即使采用溫控裝置穩(wěn)定環(huán)境溫度，芯片局部溫度波動(dòng)仍會(huì)引入顯著的測(cè)量誤差，這一交叉敏感問(wèn)題嚴(yán)重制約了傳感器的應(yīng)用。

為解決這一問(wèn)題，本研究提出了一種新型的基于SNS微盤(pán)諧振腔的氣體檢測(cè)方法。利用SNS微盤(pán)諧振腔中兩個(gè)模式對(duì)溫度和CO2氣體濃度的線性不相關(guān)響應(yīng)特性，實(shí)現(xiàn)片上雙參量雙模式傳感，解決了溫度的交叉敏感問(wèn)題。如圖1所示，SNS微盤(pán)諧振腔采用70 nm厚的頂層硅設(shè)計(jì)，通過(guò)濕法刻蝕去除氧化埋層（BOX），形成具有空氣包層的懸空結(jié)構(gòu)。同時(shí)，SNS微盤(pán)的超薄設(shè)計(jì)顯著抑制了微盤(pán)中的模式重疊，提升了傳感性能。

圖1.中紅外SNS波導(dǎo)微環(huán)諧振腔和SWG光柵耦合器示意圖。

所制作的SNS波導(dǎo)測(cè)試結(jié)果如圖2所示。圖2a-圖2c為SNS器件的掃描電鏡圖。圖2d是將光耦合到SNS微盤(pán)諧振腔中所使用的SNS亞波長(zhǎng)光柵耦合器的功率譜線。圖2e展示了SNS微盤(pán)諧振腔的歸一化透射譜線，其中，模式1和模式2的品質(zhì)因子分別為1.7×104和~1.5×104，展現(xiàn)出良好的雙模傳感潛力。

圖2. SNS波導(dǎo)器件表征結(jié)果。(a) SNS波導(dǎo)器件掃描電鏡圖像；(b) SNS微盤(pán)諧振腔的側(cè)視圖；(c) SNS微盤(pán)諧振腔與總線波導(dǎo)耦合區(qū)域的掃描電鏡放大圖像; (d) SNS亞波長(zhǎng)光柵耦合器功率譜線; (e) SNS微盤(pán)諧振腔的歸一化透射譜線；（f）模式1的歸一化透射譜線；（g）模式2的歸一化透射譜線。

圖3 SNS微盤(pán)諧振腔的CO?濃度與溫度傳感實(shí)驗(yàn)結(jié)果。(a)模式1和模式2在50% CO?(實(shí)線)和純N?(虛線)環(huán)境下中的透射譜；(b)模式1和模式2在25.00℃(虛線)和25.20℃(實(shí)線)環(huán)境下的透射譜；(c)不同CO?濃度下的SNS微盤(pán)諧振腔諧振峰偏移量；(d)不同溫度下的SNS微盤(pán)諧振腔諧振峰偏移量；(e) CO?濃度與溫度同時(shí)變化時(shí)的SNS微盤(pán)諧振腔的歸一化透射譜。

論文對(duì)SNS微盤(pán)的CO2傳感能力進(jìn)行了測(cè)試，如圖3所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，模式2的CO2觸感靈敏度高于模式1，溫度傳感靈敏度低于模式1，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致。同時(shí)，通過(guò)構(gòu)建、測(cè)試傳感傳遞矩陣，實(shí)現(xiàn)了溫度與CO2氣體濃度的解耦。100% CO?下氣體濃度傳感誤差僅1.87%，驗(yàn)證了該方法的可行性，為硅基光子芯片在氣體傳感領(lǐng)域的應(yīng)用開(kāi)辟了新途徑。

本論文第一作者為天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院的碩士研究生郎玘玥，通信作者為天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院的程振洲教授、張尊月副研究員，以及深圳大學(xué)物理與光電工程學(xué)院的王佳琦副教授。該工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題（2024YFF0907701、2024YFF0907702）；國(guó)家自然科學(xué)基金（62175179, 62161160335, 62475188）天津市自然科學(xué)基金(23JCJQJC00250)和廣東省自然科學(xué)基金(2022B1515130002, 2023A1515011189)的項(xiàng)目支持。