CC BY
72
УДК 535.32: 621.378
Е. В. Глазунов, А. В. Хомченко, д-р физ.-мат. наук,
И. У. Примак, канд. физ.-мат. наук
ИНТЕГРАЛЬНО-ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ ГАЗОВЫХ ПРИМЕСЕЙ
Рассмотрены возможности интегрально-оптических датчиков газовых примесей в окружающих средах. Методы регистрации основаны на анализе угловой зависимости светового пучка, отраженного от призменного устройства возбуждения волноводной моды в волноводной тонкопленочной структуре.
Введение
Разработка новых и усовершенствование известных методов контроля и анализа состава окружающей среды являются актуальными задачами во всех сферах деятельности человека. В настоящее время разработаны и производятся сотни типов датчиков самого различного назначения. Помимо высоких метрологических характеристик датчики должны обладать высокой надежностью, долговечностью, стабильностью, малыми габаритами, массой и энергопотреблением, совместимостью с микроэлектронными устройствами обработки информации при низкой трудоемкости изготовления и невысокой стоимости. В системах дистанционного контроля параметров окружающей среды, особенно в условиях повышенной радиационной опасности, оптические датчики весьма перспективны, так как позволяют связать чувствительный элемент с системой регистрации посредством волоконно-оптической линии связи [1]. Ниже приведены результаты исследований газовых датчиков на основе тонкопленочных волноводных структур.
1 Интегрально-оптический полупроводниковый датчик на основе призменного устройства связи
В тонкопленочных волноводах, на основе которых создаются интегральнооптические датчики, действительная часть постоянной распространения к' является одной из основных физических характеристик волноводной моды. Моды распространяются в волноводе с фазовой скоростью
урк = с к0 /к',
где с — скорость света в вакууме, к0 — волновое число.
Постоянная распространения зависит от поляризации излучения (ТЕ или ТМ), номера моды, длины волны X, таких свойств волноводной пленки как показатель преломления п, приведенная толщина, т.е. отношение толщины пленки к длине волны, и показателей преломления подложки и окружающей среды п и пс, соответственно. Поле направляемой моды проникает на расстояние в
окружающую среду, которая в датчиках может быть рабочим слоем, покрывающим волновод. Физика процессов, протекающих в интегрально-оптических датчиках, обусловлена взаимодействием электромагнитного поля оптической моды волновода с окружающей средой. Поле проникает в окружающую среду, где может взаимодействовать с ее молекулами. Проникающее поле «чувствует» изменение в распределении показателя преломления вблизи поверхности волновода. Это основной эффект, на котором основана работа датчиков такого типа [2, 3].
К настоящему времени предложено значительное число датчиков физических параметров сред, выполненных на основе планарных оптических волноводов с использованием как дифракционных, так и призменных элементов связи [4, 5]. Принцип действия этих устройств основан, как правило, на регистрации углов резонансного возбуждения мод. Однако изменения этих углов, сопровождающие внешние воздействия на волновод, довольно незначительны, что вызывает определенные трудности при обработке результатов измерений. Кроме того, резонансный угол возбуждения волноводной моды связан только с ее вещественной частью и не дает информации о мнимой части постоянной распространения, которая также испытывает изменения при внешних воздействиях. В работе рассмотрены датчики, в которых регистрируемой величиной является либо интегральная интенсивность [6, 7], либо пространственное распределение интенсивности
светового пучка, отраженного от призменного устройства связи [8, 9].
Величина интенсивности отраженного излучения и его пространственное распределение зависят от вариаций как вещественной, так и мнимой частей постоянной распространения моды [10]. Такие устройства характеризуются значительным усилением эффектов внешних воздействий и представляют собой удобную для проведения измерений жесткую конструкцию. Чувствительный элемент датчика выполнен в виде тонкой пленки, нанесенной на призменный элемент связи. Принципиальная схема такого датчика приведена на рис. 1. Призменный элемент связи, представляющий собой равнобед-ренную стеклянную призму 1, служит подложкой и используется для возбуждения волноводной моды в полупроводниковой пленке. Последняя отделена от призмы буферным слоем
2 - пленкой двуокиси кремния. Буферный слой использован как для обеспечения волноводного режима в полупроводниковой пленке, так и для оптимизации параметров датчика. Чувствительный слой (3) получен распылением керамической мишени, изготовленной из смеси окиси олова и окиси сурьмы. Концентрация окиси сурьмы изменялась в пределах 2...15 % масс. Пленки наносились методом ВЧ распыления в атмосфере аргона и кислорода. Толщина стеклянной пленки варьировалась в пределах от 0,2 до 1 мкм, а чувствительного элемента - 0,07...0,5 мкм.
Рис. 1. Чувствительный элемент датчика
Свет от источника излучения (Л = 0,6328 мкм) с помощью призменного элемента вводится в полупроводниковую пленку и возбуждает волноводную моду, комплексная постоянная распространения к которой зависит от оптических и геометрических параметров буферного слоя, полупроводниковой пленки и свойств окружающей среды. Появление в воздухе примеси детектируемого газа 4 приводит к изменению оптических параметров полупроводниковой пленки (показателя
преломления и коэффициента поглощения). Это, в свою очередь, вызывает изменение постоянной распространения моды. Оптоэлектронный блок регистрации, состоящий из линейки фотоприемников и аналого-цифрового преобразователя, регистрировал пространственное распределение интенсивности отраженного светового сигнала и позволял зафиксировать его изменения [11], по которым определялись действительная к' и мнимая к" части постоянной распространения моды. Изменения величин к' и к" были использованы в качестве измеряемых параметров чувствительности датчика.
Исследованы свойства представленной структуры в зависимости от содержания в окружающей среде аммиака, паров спирта и ацетона. Температура 20 0С и относительная влажность 80 % в анализируемом объеме во всех случаях поддерживались постоянными. Результаты исследования чувствительности датчика к примесям в газовой среде приведены на рис. 2, а, б, где Ак" / к"0= (к" - к"0) / к"0, а к" и к"0 - мнимая часть постоянной распространения волноводной моды в присутствии примеси и на воздухе, соответственно. Если величина к' во всем диапазоне концентраций претерпевала незначительные изменения, то значения Ак" позволяют действительно использовать ее в качестве параметра чувствительности, а саму такую структуру рассматривать как датчик газовых примесей.
а) б)
С -------—
0,01 0,025 мг/л 0,04
С ----
0,02 0,06 мг/л 0,10
С -------------------*■
Рис. 2. Зависимость действительной (а) и мнимой (б) частей постоянной распространения от концентрации детектируемой примеси: 1 - аммиака; 2 - этилового спирта; 3 - ацетона
Если величина к' во всем диапазоне концентраций претерпевала незначительные изменения, то значения Ак" позволяют действительно использовать ее в качестве параметра чувствительности, а саму такую структуру рассматривать как датчик газовых примесей. Наибольшей чувствительностью предлагаемая структура обладала по отношению к примесям аммиака. Регистрируемая его концентрация в сравнении с другими газами на два-три порядка ниже, т.е. датчик такого типа имеет
достаточно высокую селективность. Диапазон регистрируемых концентраций составлял 10"4...10"6 объемных процентов. Чувствительность датчика и диапазон регистрируемых концентраций можно изменить, варьируя физические параметры тонкопленочной структуры. Так, уменьшение волноводных потерь
полупроводниковой пленки, т.е. величины И"о, приводит к повышению чувствительности датчика (рис. 3). Естественно, что при этом уменьшается диапазон регистрируемых концентраций. Аналогичных результатов можно достичь путем изменения параметров буферного слоя [7]. Вопросы оптимизации конструкции чувствительного элемента достаточно подробно рассмотрены в [7, 10, 11]. Для сравнения были выполнены аналогичные электрические измерения, где в качестве измеряемого параметра использовалось изменение удельной проводимости пленок о, измеренное четырехзондовым методом.
с
0,06 мг/ 0,12
10
- %
Ао/о
с
Рис. 3. Изменение чувствительности датчика при уменьшении волноводных потерь полупроводниковой пленки: 1 - Н"0 = 1,82-10"4; 2 - Н"0 = 3,2-10"4; 3 - Н"0 = 4,87 • 10 "4 и проводимости (4) для исследуемой структуры в среде аммиака
На рис. 3 (кривая 4) приведена зависимость от концентрации аммиака в воздухе
Ао/оо = (о-Оо)/оо ,
где о- проводимость пленки в присутствии примеси; Со - то же на воздухе.
Эти измерения также выполнены при комнатной температуре. Ввиду более низкой чувствительности электрических параметров значения измеряемых концентраций были несколько выше: от 0,02 до 6 мг/л. И в данном случае мы получили аналогичный характер зависимости параметра чувствительности от концентрации газовой примеси.
Анализ экспериментальных данных позволяет сделать предположение о механизме работы интегрально-оптического датчика. По нашему мнению, он состоит в переносе заряда с энергетических уровней поверхностных состояний, обусловленных адсорбированными молекулами, в разрешенные энергетические зоны. В условиях
0
5
0
равновесия, в силу электронейтральности структуры в целом, электрический заряд, захваченный поверхностными состояниями пленки, нейтрализуется обратным по знаку зарядом в приповерхностной области полупроводниковой пленки. При освещении полупроводниковой пленки светом происходит увеличение концентрации свободных носителей заряда и разблокирование ненасыщенных молекулярных связей. Появление избыточных носителей сдвигает равновесие между зарядами в поверхностных состояниях и в области поверхностного заряда, уменьшая размер последней. При стационарном освещении, как в нашем случае, устанавливается новое квазиравновесное распределение носителей в области пространственного заряда. Обмен зарядами между поверхностными состояниями, обусловленными адсорбированными молекулами газа на ненасыщенных молекулярных связях, и разрешенными энергетическими уровнями проявляется в изменении коэффициента поглощения материала волноводного полупроводникового слоя и вызывает изменение мнимой части постоянной распространения волноводной моды к", что и регистрировалось в эксперименте.
Кроме того, немонотонный характер зависимости постоянной распространения от концентрации примеси свидетельствует о наличии еще одного механизма процессов, протекающих в данной структуре. Так в диапазоне малых концентраций газовых примесей основную роль играет, на наш взгляд, адсорбция, протекающая по координационному механизму [8]. При заполнении координационно-ненасыщенных центров приповерхностного слоя происходит увеличение величины к" и уменьшение к'. При больших концентрациях преобладает уже механизм водородной связи [8], при этом значение к" выходит на насыщение (см. рис. 2, б), а к' начинает возрастать (см. рис. 2, а), что, вероятнее всего, связано с адсорбцией молекул газа на поверхности пленки.
Интегрально-оптические датчики с регистрацией коэффициента отражения
При мониторинге окружающей среды, концентраций примесей в среде более практична схема регистрации распределения интегрального коэффициента отражения светового пучка в схеме призменного возбуждения мод, направляемых волноводной многослойной тестовой структурой, нанесенной на основание измерительной призмы. В таком случае схема сенсорной системы значительно упрощается: она состоит из источника излучения, чувствительного элемента, фотоприемника, который может быть наклеен на выходную грань призменного устройства связи, и электронного блока регистрации сигнала.
В качестве чувствительного элемента датчика использованы как выше описанная структура на основе оксида олова, так и структуры, изготовленные путем нанесения на призменный элемент связи (вр = 3,06145) тонкой пленки (ё = 4,98 мкм, в = 2,3173) из полиметилметакрилата, активированного азокрасителем «метиловый красный». Источником излучения служил Не-Ые-лазер (X = 0,6328 мкм). Измерения проводились при помещении датчика в замкнутый сосуд, заполненный воздухом с примесью аммиака известной концентрации С. Пример угловой зависимости коэффициента отражения для случая возбуждения направляемой моды приведен на рис. 4. Предварительно, волноводным методом [12], при радиусе гауссова светового пучка w = 91 мкм, были выполнены измерения комплексной постоянной распространения основной моды. В результате были определены значения к— к\с=0 = 1,52072; к- к'\с=0 = — 3,07-10-4 и построены зависимости к' и к" от концентрации примеси с.
1,0
0,8 0,6 R 0,4 0,2
/Г~
%
i
У
3 !
13,5
<Р
14,0 град 14,5
Рис. 4. Изменения в угловом распределении интегрального коэффициента отражения При введении газовой примеси: 1 - исходное распределение; 2 - 40 ppm; 3 - 80 ppm аммиака соответственно
Измерения коэффициента отражения проводились на углах, близких к резонансным, т.е. на склоне резонансного провала. По изменению коэффициента отражения определялись изменения действительной и мнимой частей постоянной распространения направляемой моды. На основании интерполяции указанных зависимостей при концентрации с < 4,3 •10 -4 мг/л были получены следующие
значения D1 = ^1 д(к')/дC = - 1,32 л/мг; D2 = ^1 д( к")/дC = - 0,135 л/мг и
D = D1 Ю2 = 9,81. Такому значению D соответствует оптимальная зависимость R (О), рассчитанная на основе [6] и представленная на рис. 5 кривой 1. Для уже изготовленной механически жесткой волноводной структуры оптимизация датчика была выполнена путем увеличения радиуса пучка до w = 870 мкм и соответствующим выбором угла возбуждения моды. Зависимость R(C) представлена на рис. 5 кривой 2. Дискретные точки - экспериментальные данные, полученные после учета коэффициентов прохождения пучка через боковые грани призмы.
Результаты исследования чувствительности датчика на основе двуокиси олова к примесям в газовой среде приведены на рис. 6, где кривой 1 представлено исходное распределение коэффициента отражения, а кривой 2 - его изменение в ходе последовательного напуска и удаления газовой примеси в анализируемый объем. Как следует из приведенных зависимостей, максимальные изменения R наблюдаются при угловой отстройке от резонансного угла возбуждения моды, равной 0,05 град.
Временные параметры такого датчика - время срабатывания, равное времени установления стационарной картины в распределении интенсивности отраженного светового пучка после введения газовой примеси, и время релаксации, оцененное по уровню 90 % восстановления исходных параметров волновода после удаления примеси из анализируемой среды, - исследованы с частотой дискретизации 0,1 с. Время срабатывания составило 6.. .9 с, полное восстановление исходных параметров пленки происходило в течение 15.20 с (рис. 7). Заметим, что временные параметры датчика можно улучшить, уменьшив толщину волноводной пленки.
К
1,0 О,в
0,6
0.4
0,2
» —
* / 1
А
2 3 4 кг4 мг/л 6
С --------►
Рис. 5. Зависимость коэффициента отражения от концентрации аммиака
Рис. 6. Изменение чувствительности датчика при отстройке по углу от минимума резонанса ф
Рис. 7. Временные параметры датчика
Заключение
Рассмотрены применения интегрально-оптических датчиков для сенсорных систем. Показаны преимущества, присущие данному типу резонансных устройств, прежде всего - это большая длина взаимодействия, значительная чувствительность, достаточно высокое быстродействие и широкие возможности оптимизации их несложной конструкции. Рассмотрены примеры чувствительных элементов датчиков газовых примесей, в которых регистрируемой величиной является интегральная интенсивность или пространственное распределение интенсивности светового пучка, отраженного от призменного устройства связи. Такие устройства характеризуются значительным усилением эффектов внешних воздействий и просты в конструктивном исполнении.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Земский, В. И. Оптические датчики состава газовой среды на основе молекул индикаторов, адсорбированных в пористом стекле / В. И. Земский, Ю. Д. Колесников, А. Ф. Новиков // Оптический журнал. - 1998. - Т. 65, № 10. - С.16-21.
2. Lukosz, W. Integrated optical chemical and direct biochemical sensors / W. Lukosz // Sensors and actuators. - 1995. - Vol. B29. - P. 37-50.
3. Brandenburg, A. Integriert-optische gassensensoren / A. Brandenburg // Technisches Messen. -1995. - Vol. 62, № 4. - P. 160-165.
4. Никитин, А. К. Датчики физических величин на основе планарных волноведущих структур оптического диапазона / А. К. Никитин, А. A. Тищенко, А. И. Черный // Заруб. радиоэлектр. - 1990. -№ 10. - С. 14-30.
5. Stamm, Ch. Integrated optical difference interferometer as refractometer and chemical sensor / Ch. Stamm, W. Lukosz // Sensors and Actuators B. - 1993. - Vol. 11. - P. 177-181.
6. Примак, И. У. Интегрально-оптические датчики с регистрацией коэффициента отражения в
схеме призменного возбуждения / И. У. Примак, А. Б. Сотский, А. В. Хомченко // Письма в ЖТФ. -1997. - Т. 23, вып. 3. - С. 46-57
7. Sensitivity of integrated optical sensors based on a prism coupler / A. B. Sotsky [etc.] // Оptical and Quantum Electronics. - 1999. - Vol. 31, № 2. - P. 191-200
8. Интегрально-оптический полупроводниковый датчик на основе призменного устройства связи / А. В. Хомченко [и др.] // Письма в ЖТФ. - 1999. - Т. 25, вып. 24. - С. 11-18.
9. Пат. 2022247 РФ, МКИ G01N 21/43. Способ измерения параметров мод планарных оптических волноводов и устройства для его осуществления / В. П. Редько [и др.]; заявитель и патентообладатель ин-т прикладной оптики НАНБ. - № 5008713/25 ; заявл. 18.10.91 ; опубл. 30.10.94, Бюл. № 20. - 6 с.
10. Primak, I. U. Toward the optimization of integrated - optical sensors / I. U. Primak, A. B. Sotsky,
A. V. Khomchenko // Proc. Int. Conf. India, Madras. - 1996. - Vol. 2. - P. 1006-1010.
11. Примак, И. У. О чувствительности интегрально-оптических датчиков туннельного типа / И. У. Примак, А. Б. Сотский, А. В. Хомченко // Лазерная физика и спектроскопия : материалы III конф. -Гродно : ГрГУ, 1997. - Т. 1. - С. 362-364.
12. Метод определения комплексных постоянных направляемых мод планарных волноводов / В. П. Редько [и др.] // Письма в ЖТФ. - 1992. - Т. 18, вып. 4. - С.14-18.
Белорусско-Российский университет Институт технологии металлов НАН Беларуси Материал поступил 26.02.2006
E. V. Glazunov, A. V. Khomchenko,
I. U. Primak
Integraited-optics sensors of gas impurities
Belarusian-Russian University Institute of Technology of Metals of NASB
The resonant prism-coupling techniques have been discussed for measurements of gas impurities in surrounding. This approach is based on recording of the angular Fourier spectrum of the reflected laser beam in case of excitation of guided modes in special thin-film structure.
