体硅微制造技术(日本学者利用MEMS悬臂梁制造等离子体近红外光谱仪)

近红外光谱可为物质提供特有的吸收光谱，从而使鉴别气体种类成为可能。因此，需要利用小型化光谱仪实现紧凑型气体传感器，从而监测生活空间的空气质量。

然而，传统近红外光谱仪均是利用光栅将入射光分散至不同波长，因此需要较长的光程，这便是传统光谱仪小型化的障碍。

等离子体光电探测器则具有许多特性，如改善光电探测灵敏度、特定光探测的波长或偏振、硅材料的红外光探测能力等，因而得到了广泛的研究。而等离子体结构通常非常薄（薄至100nm），因此无需通过牺牲光电探测器的紧凑性来实现这些功能。

据麦姆斯咨询报道，近日，日本电气通信大学（UniversityofElectro-Communications）的OshitaMasaaki和KanTetsuo与其合作者共同在MEMS可形变悬臂梁上开发了一款基于金（Au）衍射光栅的等离子体光电探测器。

该研究主要针对MEMS可重构等离子体光电探测器。如图1（a）所示，在N型硅（n-Si）悬臂梁上制造等离子体金衍射光栅，并集成到MEMS角度扫描器上。当横磁波（TM）偏振近红外光以入射角θ射入光栅，满足表面等离子体共振（SPR）耦合条件（即入射角和波长）时，即可在光栅上产生SPR。

入射光则被光栅表面吸收成为SPR，并激发了金层中的自由电子。在金与n-Si之间形成肖特基势垒，当这些电子克服肖特基势垒时，SPR可以转换为光电流I（θ），从而实现了基于SPR的光电探测。

此外，由于悬臂梁可偏转，因此可以通过外部驱动力改变倾斜悬臂梁，引起光入射角θ的变化，从而重构SPR匹配条件和光电探测特性。同时采用两个锯齿形悬臂脚来减小刚度，以增加入射角的变化幅度。

综上所述，该器件采用n-Si体硅微加工技术制造。利用金衍射光栅激发表面等离子体（SP）。当光射入器件时，悬臂梁的机械振动会动态地改变光的入射角度，从而改变表面等离子体的耦合条件。耦合SPR后，光能就被转换成器件中的电流。

悬臂梁在-21?至21?的角度间扫描，通过分析电流随时间的变化，可实现对近红外光中光谱的数值反演。实现高度小型化的近红外光谱仪，就有望开发新型的小型物联网（IoT）传感器。

该研究已于2020年2月4日发表在ACSPhotonics上，题目为“ReconfigurableSurfacePlasmonResonancePhotodetectorwithaMEMSDeformableCantilever”，论文地址为：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsphotonics.9b01510。

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