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。

近日，日本电气通信大学（University of Electro-Communications）的Oshita Masaaki和Kan Tetsuo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。

图1 带有金衍射光栅的MEMS悬臂梁示意图

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。

图2 器件设计概述：（a）悬臂梁的尺寸；（b）光栅的尺寸；（c, d）在主谐振机械频率和次谐振机械频率下的悬臂梁机械变形的有限元模拟结果；（e）器件照片；（f）光栅的SEM图片。

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。

图3 悬臂梁的机械谐振特性

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ACS Photonics上，题目为“Reconfigurable Surface Plasmon Resonance Photodetector with a MEMS Deformable Cantilever”，论文地址为：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsphotonics.9b01510。

关键词:MEMS 等离子 近红外光谱仪

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来 源：MEMS

编辑：清风

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