一种可拉伸单片集成光子传感器网络及其制备方法

1.本发明涉及集成光学技术领域，具体地，涉及一种可拉伸单片集成光子传感器网络及其制备方法。


背景技术：

2.皮肤是一个“智能”的多功能器官，具有拉伸性、自我修复和传感能力，许多形式的人造皮肤已经被开发出来，其特性和功能能够接近甚至增强人体皮肤传感功能，可作为柔性设备用于医疗监测、可穿戴设备、软体机器人和其他应用。具有微米分辨率多点多参数监测能力的人造皮肤在生物医学、人机交互、智能制造等领域具有重要的应用价值和发展前景。在人机交互和智能制造方面，快速、灵敏、高空间分辨率(微米级)的传感在类皮肤传感器网络有强烈需求。
3.目前的电子皮肤，即具有传感功能的柔性集成电路，可以将类似皮肤的感官刺激转化为各种可测的信息，是目前研究较多的人造皮肤方案之一。但是要实现高分辨的传感功能必然需要制备高密度电子电路，而高密度的电子电路的响应时间会受到寄生效应和串扰的限制；而高空间分辨率意味着密集复杂的电信号读取电路，其易受电磁场等环境影响。
4.因此，需要进一步开发新的二维共形的高分辨传感方案。
5.中国专利cn106646681a公开了一种光子晶体纳米流体传感器、其制备方法及应用，包括光刻胶层、硅晶片基底、第一折射率材料薄膜层、第二折射率材料薄膜层和聚合物材料封接层，该传感器为基于光子晶体的纳米流体传感器，成功解决了传统的光子晶体传感器消耗检测物过多、检测时间长、测试精度不高的问题，但该传感器采用sio2、si等硬质材料作为基底层，不具有拉伸、弯曲等弹塑性形变的能力；因此，该技术方案无法达到适用于电子皮肤的基础要求，也不具备对二维范围内的物理量变化进行感知的能力。
6.中国专利cn208860984u公开了一种柔性可拉伸光子晶体传感器，其制备方法包括制备柔性光栅基底层和高折射率光栅层，能够感知单位点的物理量变化，具有实时性强，灵敏度高等特点；为柔性光子晶体器件在触觉感知领域提供了基础，但是上述技术方案仍然未能形成二维范围内的感知能力。
7.针对上述现有技术中存在的缺陷，亟需一种可拉伸单片集成光子传感器网络，能够满足电子皮肤的使用需求，在保证柔韧性、可拉伸、灵敏、高空间分辨率的基础上，还能具有二维范围内的感知能力，减少受到电磁场等外界因素的干扰和影响。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种可拉伸单片集成光子传感器网络，利用具有可拉伸性的多个传感器单元的二维范围内分布式级联方案，实现对共形的二维范围内的物理量变化进而感知。
9.为了实现上述目的，本发明提出了一种可拉伸单片集成光子传感器网络，包括光子晶体微腔、柔性缓冲层、柔性支撑层，所述光子晶体微腔设于柔性缓冲层内，且所述光子
晶体微腔沿着柔性缓冲层的波导结构间隔排布；所述柔性缓冲层设于柔性支撑层内；
10.所述光子晶体微腔内设有多级的传感器单元，所述光子晶体微腔与柔性缓冲层之间还设有光栅耦合器；所述波导结构用于光栅耦合器和传感器单元之间的光传输；所述光栅耦合器用于保证传感器单元能够稳定的接受到光信号；
11.所述柔性支撑层用于保护传感器单元，保证其在各种环境中正常工作不受破坏，并且能够增强传感器单元的可拉伸性能；
12.所述柔性缓冲层用于平衡柔性支撑层与传感器单元所在的光子晶体微腔之间的刚度差异；
13.所述光子晶体微腔内的多级传感器单元可分为两组，且两组传感器单元呈正交排列，其中一组能够探测来自x方向上的刺激源，另一组能够探测来自y方向上的刺激源，两组传感器单元共同构成二维传感网络。
14.本技术兼具有可拉伸性能和单片集成形式，且传感机理基于一维光子晶体微腔对于外界物理量变化的响应；本技术的光子晶体微腔通过正交排布形成传感器阵列，构成二维传感网络，每个微腔都对应一个传感位点，每个位点具有百微米级的分辨率；并且本技术采用波分复用技术，可以通过测量一根波导的透过率谱获得波导上级联的每个传感位点的传感信息，该方式和电子技术传感相比极大地简化了各个模块的互连和传感网络的几何结构，也避免了电互联在高分辨传感时容易出现的电路串扰问题。
15.本技术的光子晶体微腔的波导宽度为0.6-1.0μm，高度为400-500nm；所述波导结构为一种弯曲波导，光子晶体微腔和弯曲波导为侧边耦合形式，其中耦合间距为400μm，弯曲波导半径为20-40μm；
16.本技术的光栅耦合器是一种聚焦光栅耦合器，聚焦光栅耦合器的光栅周期为0.99μm，占空比为0.5，可以承受20％的拉伸而不影响聚焦光栅耦合器与单模光纤之间的光束耦合效率。
17.优选的，所述柔性缓冲层包括第一缓冲层、第二缓冲层，所述光子晶体微腔设于第一缓冲层和第二缓冲层之间，且所述第一缓冲层位于光子晶体微腔下方或上方，所述第二缓冲层位于光子晶体微腔上方或下方；
18.所述柔性支撑层包括第一支撑层、第二支撑层，所述光子晶体微腔以及柔性缓冲层设于第一支撑层和第二支撑层之间，且所述第一支撑层位于第一缓冲层下方或上方，所述第二支撑层位于第二缓冲层上方或下方。
19.优选的，所述光子晶体微腔与波导结构间隔一个较小的间隙，且所述间隙为0.2-1.2μm。
20.优选的，所述波导结构采用蛇形分布。
21.所述波导结构经过严格的力学设计，足够承受拉伸和弯曲而不影响其性能；并且，所述设计好的波导结构经过严谨的光学设计采用蛇形分布；蛇形分布的波导结构经过仿真和实验测试，和相同长度的直波导相比，不会引入额外的弯曲损耗。
22.优选的，所述光子晶体微腔l2、波导结构和光栅耦合器均由高折射率材料制备而成，所述高折射率材料包括：硫系玻璃，如gexsbxsx、gexsbxsex、gexasxsex、asxsxsex、gexasxsex、asxsx、asxsex、znxsx和gexsx等；无机氧化物，如tio2和zno2等；硅基材料,如无定形si、si3n4、sio2和sioxny等；聚合物材料，如su-8和polyimide等，高折射率材料的厚度
为100-500nm。
23.优选的，所述光子晶体微腔、波导结构和光栅耦合器均由高折射率材料制备而成，所述高折射率材料包括：硫系玻璃、tio2、su-8、si3n4、zns，高折射率材料的厚度为100-500nm。
24.优选的，所述所述柔性支撑层由柔性的聚合物材料制备而成，聚合物材料包括：pdms、pi。
25.pmds的制备预聚体和固化剂比例≥12：1，且保证其拉伸范围可以达到20％。
26.优选的，所述柔性缓冲层的杨氏模量介于高折射率材料和包层聚合物材料之间。
27.优选的，所述柔性缓冲层的材料为su-8光刻胶或与其杨氏模量相近的其它光刻胶，所述柔性缓冲层的宽度为10-30μm，厚度为10-30μm。
28.本发明还提出了一种可拉伸单片集成光子传感器网络的制备方法；该方法能够使得传感器网络集成在可拉伸的柔性基底上，当外界物理量变动导致光子晶体微腔的折射率改变，本技术的传感器网络能够对其共形的二维范围内的物理量变化进行高精度的感知，感知精度能够达到微米级的分辨率；
29.为了实现上述目的，本发明还提出了一种可拉伸单片集成光子传感器网络的制备方法，包括以下步骤：
30.(1)在纯净的硅片上利用光刻技术制备图案化的第一缓冲层；
31.(2)通热蒸发沉积高折射率薄膜、电子束光刻和电感耦合等离子体刻蚀制备出设计好的光子晶体微腔；
32.(3)在上述器件上方利用旋涂和紫外曝光及热固化制备第二缓冲层；
33.(4)将上下包有柔性缓冲层的光子晶体微腔从硬质硅片上转移下来，转移方法为腐蚀牺牲层；
34.(5)在上述器件下层分别制备第一支撑层，第一支撑层由pdms材料制备而成；
35.(6)在上述器件上层分别制备第二支撑层，第二支撑层由pdms材料制备而成。
36.优选的，所述步骤(4)中的牺牲层为纯净硅片上的sio2薄膜，其厚度为200-500nm。
37.本发明与现有技术相比较具有如下有益效果：
38.1.本发明的可拉伸单片集成光子传感器网络实现了二维分布式传感，并且通过采用波分复用技术，和电子技术传感相比极大地简化了各个模块的互连和传感网络的几何结构，也避免了电互联在高分辨传感时容易出现的电路串扰问题。
39.2.本发明的可拉伸单片集成光子传感器网络可以实现多点位的传感，多参量的传感。
40.3.本发明的可拉伸单片集成光子传感器网络能够采用非侵入式传感器。
41.4.本发明的可拉伸单片集成光子传感器网络，灵敏度高，具有微米分辨率且可以实时监测，是目前柔性集成光子形状传感器的最佳水平。
42.5.本发明的可拉伸单片集成光子传感器网络无惧电磁干扰，可以在电磁干扰的环境中正常工作而不受其影响。
43.6.本发明的可拉伸单片集成光子传感器网络可以用于具有微米分辨率多点多参数监测能力的人造皮肤，将在生物医学、人机交互、智能制造等领域具有重要的应用价值和发展前景。
附图说明
44.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
45.图1为本发明实施例设计的可拉伸光子晶体微腔传感单元的横向结构示意图；
46.图2为本发明实施例涉及的可拉伸光子晶体微腔传感单元的俯视平面示意图；
47.图3为本发明实施例设计的可拉伸单片集成的光子传感器网络的制备流程图；
48.图4为本发明实施例涉及的可拉伸单片集成的光子传感器网络的平面示意图；
49.图5为本发明实施例设计的可拉伸单片集成的光子传感器网络的二维传感效果图；
50.图中所示，第一缓冲层l1、光子晶体微腔l2、第二缓冲层l3、第一支撑层l4、第二支撑层l5、柔性基底2、波导结构3
具体实施方式
51.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
52.本发明提出了一种可拉伸单片集成光子传感器网络，包括光子晶体微腔l2、柔性缓冲层、柔性支撑层，所述光子晶体微腔l2设于柔性缓冲层内，且所述光子晶体微腔l2沿着柔性缓冲层的波导结构3间隔排布；所述柔性缓冲层设于柔性支撑层内；所述光子晶体微腔l2内设有多级的传感器单元，所述光子晶体微腔l2与柔性缓冲层之间还设有光栅耦合器；所述波导结构3用于光栅耦合器和传感器单元之间的光传输；所述光栅耦合器用于保证传感器单元能够稳定的接受到光信号；所述柔性支撑层用于保护传感器单元，保证其在各种环境中正常工作不受破坏，并且能够增强传感器单元的可拉伸性能；所述柔性缓冲层用于平衡柔性支撑层与传感器单元所在的光子晶体微腔l2之间的刚度差异；所述光子晶体微腔l2内的多级传感器单元可分为两组，且两组传感器单元呈正交排列，其中一组能够探测来自x方向上的刺激源，另一组能够探测来自y方向上的刺激源，两组传感器单元共同构成二维传感网络。
53.本发明旨在提出一种可拉伸单片集成光子传感器网络以及其制备方法；能够使得传感器网络集成在可拉伸的柔性基底2上，当外界物理量变动导致光子晶体微腔的折射率改变，从而对其共形的二维范围内的物理量变化进行高精度的感知,感知精度能够达到微米级的分辨率。
54.如图1所示，本发明的柔性缓冲层包括第一缓冲层l1、第二缓冲层l3，光子晶体微腔l2设于第一缓冲层l1和第二缓冲层l3之间，且第一缓冲层l1位于光子晶体微腔l2下方或
上方，所述第二缓冲层l3位于光子晶体微腔l2上方或下方；所述柔性支撑层包括第一支撑层l4、第二支撑层l5，所述光子晶体微腔l2以及柔性缓冲层设于第一支撑层l4和第二支撑层l5之间，且所述第一支撑层l4位于第一缓冲层l1下方或上方，所述第二支撑层l5位于第二缓冲层l3上方或下方。
55.如图2和图4所示，所述光子晶体微腔l2与波导结构3间隔一个较小的间隙，且所述间隙为0.2-1.2μm；所述波导结构3采用蛇形分布。
56.所述光子晶体微腔l2、波导结构3和光栅耦合器均由高折射率材料制备而成，所述高折射率材料包括：硫系玻璃，如ge
x
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等；无机氧化物，如tio2和zno2等；硅基材料,如无定形si、si3n4、sio2和sio
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ny等；聚合物材料，如su-8和polyimide等，高折射率材料的厚度为100-500nm；所述柔性支撑层由柔性的聚合物材料制备而成，聚合物材料包括：pdms、pi；所述柔性缓冲层的杨氏模量介于高折射率材料和包层聚合物材料之间；所述柔性缓冲层的材料为su-8光刻胶或与其杨氏模量相近的其它光刻胶，所述柔性缓冲层的宽度为10-200μm，厚度为10-200μm。
57.如图3所示，本发明提出的一种可拉伸单片集成光子传感器网络的制备方法，包括如下具体步骤：
58.(1)在纯净的硅片上利用光刻技术制备图案化的第一缓冲层l1；
59.首先在沉积有sio2薄膜的si片上，利用光刻技术制备出弯曲波导和光子晶体微腔排布的直波导点位，对应流程中的第一缓冲层l1，其中直波导点位和弯曲波导平面结构如图2所示；
60.(2)通热蒸发沉积高折射率薄膜、电子束光刻和电感耦合等离子体刻蚀制备出设计好的光子晶体微腔l2；
61.其中高折射率薄膜厚度100-2000nm；
62.制备出的光子晶体微腔l2的结构，在扫描电子显微镜下拍摄出出其实际结构为周期排布的光栅结构在特定宽度和深度的直波导上，并和下方的弯曲波导间隔一定间距；
63.(3)在上述器件上方利用旋涂和紫外曝光及热固化制备第二缓冲层l3；
64.在上方通过旋涂，紫外光固化和热固化制备出上面的第二缓冲层l3，其中紫外固化时间≥60s，固化温度≥95
°
，时间≥1h；
65.(4)将上下包有柔性缓冲层的光子晶体微腔从硬质硅片上转移下来，转移方法为腐蚀牺牲层；
66.通过腐蚀牺牲层sio2薄膜，使得上述已经制备的器件，即已经成型为一体的第一缓冲层l1，光子晶体微腔l2和第二缓冲层l3从si片上剥离下来，并转移备用；
67.(5)在上述器件下层分别制备第一支撑层l4，第一支撑层l4由pdms材料制备而成；
68.通过在步骤(4)中剥离的器件上方旋涂pdms预聚体和固化剂的混合物，后进行加热固化，制备第一支撑层l4，其中预聚体和固化剂的比例≥12：1；
69.(6)在上述器件上层分别制备第二支撑层l5，第二支撑层l5由pdms材料制备而成。
70.翻转步骤(5)已经成型的l1，l2，l3，l4，在其上方旋涂pdms预聚体和固化剂的混合物，后进行加热固化，制备力学支撑层l5，其中预聚体和固化剂的比例≥12：1；
71.最终制备出单片集成的可拉伸光子晶体二维传感网络，如图4所示。
72.当本发明实施例设计的可拉伸单片集成光子传感器网络当中的某个传感单元收
到外界物理量变化刺激时，比如：温度、力、ph、湿度等，当光子晶体微腔处于通光状态(外接可调谐激光光源)，由于光子晶体微腔本身的性质，其透射光谱的共振波长会发生频移，从而被接收端的光功率计所检测到，共振波长的频移的大小方向就反映出当前外界物理量的改变情况；
73.当本发明实施例设计的可拉伸单片集成的光子传感器网络当中的几个传感单元同时受到不同的外界物理量变化刺激时，比如：温度、力、ph、湿度等，当光子晶体微腔处于通光状态(外接可调谐激光光源)，由于传感网络由数个成正交排列的传感单元组成，其中一组用于探测x方向的刺激，另一组用于探测y方向的刺激，由于光子晶体微腔本身的性质，分布在不同位置的两组传感器的透射光谱的共振波长会发生不同程度的频移，从而被接收端的光功率计所检测到，共振波长的频移的大小方向就反映出所有传感单元所处位置的外界物理量的改变情况，从而获得整个传感网络所共形位置的外界刺激信息；比如：通过400μm直径的半球形金属探针垂直按压本发明中的可拉伸单片集成的光子传感器网络，如图5所示，该探针的尺寸能够同时对多个传感单元直接接触并施加外力，通过分析光子皮肤的透过率谱频移，我们能够映射出金属探针的大致形状和所施加按压的力的在二维范围的大小分布。
74.当然，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并非来限制本发明实施范围，凡依本发明申请专利范围所述构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均应包括于本发明申请专利范围内。
75.最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种可拉伸单片集成光子传感器网络，其特征在于，包括光子晶体微腔l2、柔性缓冲层、柔性支撑层，所述光子晶体微腔l2设于柔性缓冲层内，且所述光子晶体微腔l2沿着柔性缓冲层的波导结构(3)间隔排布；所述柔性缓冲层设于柔性支撑层内；所述光子晶体微腔l2内设有多级的传感器单元，所述光子晶体微腔l2与柔性缓冲层之间还设有光栅耦合器；所述波导结构(3)用于光栅耦合器和传感器单元之间的光传输；所述光栅耦合器用于保证传感器单元能够稳定的接受到光信号；所述柔性支撑层用于保护传感器单元，保证其在各种环境中正常工作不受破坏，并且能够增强传感器单元的可拉伸性能；所述柔性缓冲层用于平衡柔性支撑层与传感器单元所在的光子晶体微腔l2之间的刚度差异；所述光子晶体微腔l2内的多级传感器单元可分为两组，且两组传感器单元呈正交排列，其中一组能够探测来自x方向上的刺激源，另一组能够探测来自y方向上的刺激源，两组传感器单元共同构成二维传感网络。2.根据权利要求1所述的一种可拉伸单片集成光子传感器网络，其特征在于，所述柔性缓冲层包括第一缓冲层l1、第二缓冲层l3，所述光子晶体微腔l2设于第一缓冲层l1和第二缓冲层l3之间，且所述第一缓冲层l1位于光子晶体微腔l2下方或上方，所述第二缓冲层l3位于光子晶体微腔l2上方或下方；所述柔性支撑层包括第一支撑层l4、第二支撑层l5，所述光子晶体微腔l2以及柔性缓冲层设于第一支撑层l4和第二支撑层l5之间，且所述第一支撑层l4位于第一缓冲层l1下方或上方，所述第二支撑层l5位于第二缓冲层l3上方或下方。3.根据权利要求1所述的一种可拉伸单片集成光子传感器网络，其特征在于，所述光子晶体微腔l2与波导结构(3)间隔一个较小的间隙，且所述间隙为0.2-1.2μm。4.根据权利要求1、2或3所述的一种可拉伸单片集成光子传感器网络，其特征在于，所述波导结构(3)采用蛇形分布。5.根据权利要求4所述的一种可拉伸单片集成光子传感器网络，其特征在于，所述光子晶体微腔l2、波导结构(3)和光栅耦合器均由高折射率材料制备而成，所述高折射率材料包括：硫系玻璃，如ge
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等；无机氧化物，如tio2和zno2等；硅基材料,如无定形si、si3n4、sio2和sio
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等；聚合物材料，如su-8和polyimide等，高折射率材料的厚度为100-500nm。6.根据权利要求5所述的一种可拉伸单片集成光子传感器网络，其特征在于，所述所述柔性支撑层由柔性的聚合物材料制备而成，聚合物材料包括：pdms、pi。7.根据权利要求6所述的一种可拉伸单片集成光子传感器网络，其特征在于，所述柔性缓冲层的杨氏模量介于高折射率材料和包层聚合物材料之间。8.根据权利要求7所述的一种可拉伸单片集成光子传感器网络，其特征在于，所述柔性缓冲层的材料为su8光刻胶或与其杨氏模量相近的其它光刻胶，所述柔性缓冲层的宽度为10-30μm，厚度为10-30μm。9.基于权利要求2、3、5、6、7或8中任意一项所述的一种可拉伸单片集成光子传感器网络的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)在纯净的硅片上利用光刻技术制备图案化的第一缓冲层l1；
(2)通热蒸发沉积高折射率薄膜、电子束光刻和电感耦合等离子体刻蚀制备出设计好的光子晶体微腔l2；(3)在上述器件上方利用旋涂和紫外曝光及热固化制备第二缓冲层l3；(4)将上下包有柔性缓冲层的光子晶体微腔l2从硬质硅片上转移下来，转移方法为腐蚀牺牲层；(5)在上述器件下层分别制备第一支撑层l4，第一支撑层l4由pdms材料制备而成；(6)在上述器件上层分别制备第二支撑层l5，第二支撑层l5由pdms材料制备而成。10.根据权利要求9所述的一种可拉伸单片集成光子传感器网络的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中的牺牲层为纯净硅片上的sio2薄膜，其厚度为200-500nm。

技术总结
本发明提供了一种可拉伸单片集成光子传感器网络，包括光子晶体微腔、柔性缓冲层、柔性支撑层，光子晶体微腔设于柔性缓冲层内，且光子晶体微腔沿着柔性缓冲层的波导结构间隔排布；柔性缓冲层设于柔性支撑层内；光子晶体微腔内设有多级的传感器单元，光子晶体微腔与柔性缓冲层之间还设有光栅耦合器；光子晶体微腔内的多级传感器单元可分为两组，且两组传感器单元呈正交排列，其中一组能够探测来自X方向上的刺激源，另一组能够探测来自Y方向上的刺激源，两组传感器单元共同构成二维传感网络。本发明的传感器网络集成在可拉伸的柔性基底上，能够对其共形的二维范围内的物理量变化进行高精度的感知，且不易受电磁场环境干扰和影响。响。响。


技术研发人员：李兰 罗邺 吴迎春
受保护的技术使用者：西湖大学
技术研发日：2023.05.22
技术公布日：2023/10/15