Nuevo sensor óptico integrado de deflexión mecánica de ultra-alta sensibilidad.

La invención propuesta consiste en un nuevo sensor óptico formado por una guía ranurada integrada en un resonador o interferómetro óptico.

La guía ranurada consiste en dos tiras de un material de alto índice de refracción, separadas por un material de bajo índice de refracción. Esta estructura es extremadamente sensible a pequeñas variaciones de la distancia entre las tiras de la guía. Esta distancia se varía convirtiendo una de ellas en un elemento móvil o mecánico ("cantilever").

Las aplicaciones de estos sensores incluyen la detección de todo tipo de agente capaz de producir una pequeña deflexión del elemento mecánico del sensor, por ejemplo: interacciones biomoleculares y bioquímicas, gases y explosivos, campos electro- y magneto-státicos, radiación electromagnética, movimiento, acelerometría y microscopía de fuerzas por rastreo

Nuevo sensor óptico integrado de deflexión mecánica de ultra-alta sensibilidad.

Sector técnico

Dispositivos sensores ópticos con elementos mecánicos integrados.

Sensores ópticos integrados de alta sensibilidad.

Estado de la técnica

Actualmente, los principales dispositivos sensores de deflexión mecánica de alta sensibilidad para las aplicaciones mencionadas anteriormente en el resumen están basados en "microcantilevers", es decir, palancas de tamaño micrométrico cuya deflexión, en respuesta a la aplicación de una fuerza, se monitoriza bien detectando la variación del ángulo de reflexión de un haz de luz que índice sobre su superficie superior [H.P. Lang, M. Hegner and C. Gerber, "Cantilever array sensors," Materials Today, vol.8, no.4, pp.30-36, 2005], o bien midiendo el acoplamiento óptico entre el "cantilever", que actúa a modo de guía óptica, y otra guía óptica cercana [K. Zinoviev, C. Dominguez, J.A. Plaza, V.J. Cadalso Busto, and L.M. Lechuga, "A novel optical waveguide microcantilever sensor for the detection of nanomechanical forces," J. Lightw. Technol. Vol.24, no. 5, pp. 2133-2138, 2006].

Estos dispositivos presentan una serie de inconvenientes. En concreto, en el caso de los "microcantilevers" basados en variaciones del ángulo de reflexión de un haz de luz, el no ser dispositivos integrados en un chip hacen complejos el acoplo y el ajuste entre los distintos elementos del sistema de detección. En el caso de los microcantilevers basados en la medida del acoplo óptico entre guías próximas, la sensibilidad es inferior a la exhibida por los basados en reflexión. Otros dispositivos basados en "microcantilevers" y estructuras ópticas integradas, tales como un reflector de Bragg [C. Kocabas and A. Aydinli, "Design and analysis of an integrated optical sensor for scanning force microscopies," IEEE Sens. J., vol. 5, no. 3, pp.411-418, 2005], presentan sensibilidades similares a los basados en reflexión, pero poseen el inconveniente de tener tamaños del orden de milímetros, lo cual dificulta la integración de múltiples dispositivos en un solo chip, lo que es deseable para aplicaciones de detección simultanea de múltiples agentes y abaratamiento de costes de producción.

Descripción detallada de la invención

La invención se encuadra en el sector técnico de los dispositivos sensores ópticos con elementos mecánicos integrados, más concretamente dentro de los sensores ópticos integrados de alta sensibilidad para detección de deflexiones mecánicas producidas por fuerzas externas extremadamente débiles. Las aplicaciones de estos sensores incluyen la detección de todo tipo de agente capaz de producir una pequeña deflexión del elemento mecánico del sensor o variar la frecuencia de oscilación del mismo; por ejemplo: detección de interacciones biomoleculares y bioquímicas, detección de gases y explosivos, detección de campos electrostáticos y magnéticos, detección de radiación electromagnética, detección de movimiento, acelerometría y microscopía de fuerzas por rastreo.

La invención propuesta consiste en un dispositivo resonador o interferométrico formado por una guía óptica, co-inventada recientemente por el autor de este documento (V.R. Almeida, Q. Xu, C.A. Barrios and M. Lipson "Guiding and confining light in void nanostructure," Optics Letters, vol.29, no.1, pp.1209-1211, 2004) llamada guía ranurada ("slot-waveguide") integrada en un resonador o interferómetro óptico. La guía ranurada consiste en dos tiras o láminas de un material de alto índice de refracción, separadas por una región o material de bajo índice de refracción. La discontinuidad del campo eléctrico en las interfaces de los materiales de alto índice de contraste permite guiar y confinar la luz dentro de un área nanométrica formada por un material de bajo índice de refracción. Esta alta concentración de campo hace que esta estructura sea extremadamente sensible a pequeñas variaciones de la distancia entre las tiras o láminas del material de alto índice.

La presente invención presenta las siguientes ventajas sobre los dispositivos mencionados en el párrafo relativo al "Estado de la técnica":

1) El sensor propuesto exhibe ultra-alta sensibilidad de deflexión; en concreto, cálculos preliminares indican hasta un aumento de cuatro órdenes de magnitud sobre la de los sensores anteriormente mencionados. Esto aumenta el abanico de aplicaciones para las que el dispositivo propuesto podría ser utilizado, y en las que otros dispositivos no serian válidos,

2) El sensor propuesto es integrable y de tamaño micrométrico. De esto modo, es posible integrar múltiples dispositivos sensores en un solo chip para la detección de múltiples agentes simultáneamente. Esto, unido a la posibilidad de utilizar la tecnología (tanto procesos como materiales) convencional de la industria microelectrónica del silicio para su fabricación, permitiría un abaratamiento significativo de los costes de fabricación del sensor.

Las Figuras 1 y 2 muestran una visión esquemática de la planta y sección transversal, respectivamente, del dispositivo propuesto. Consiste en un disco resonador de radio R formado por una guía ranurada horizontal (1 y 2) sobre una capa de recubrimiento óptico o "cladding" (4). El disco resonador es excitado ópticamente, es decir, se acopla luz al mismo, mediante una guía de onda cercana (7) que sirve para introducir (I_in) y sacar (I_out) luz del dispositivo. La longitud de onda de la luz que se propaga por la guía de acoplo y dispositivo óptico es ?_probe La guía ranurada horizontal esta formada por dos discos de espesor t₁ y t₂, separados por un espacio (ranura) de espesor t_slot. El disco superior (1) actúa a modo de "cantilever", el cual esta sujeto por un disco interior (3) de radio (R-L). Aunque la presente invención se centrara en un disco resonador, debe indicarse que otro tipo de resonadores con diferentes geometrías, tales como anillos o formas poligonales, y estructuras ópticas interferométricas, tales como interferómetros Mach-Zehnder y acopladores direccionales, podrían ser utilizados en lugar del disco resonador presentado en las Figuras 1 y 2 con la misma finalidad, la cual se explica en el próximo párrafo.

El principio de operación del sensor es el siguiente: la respuesta mecánica del "cantilever" a la aplicación de una fuerza o tensión sobre el mismo se traduce en un doblamiento o deflexión (d) del "cantilever", tal como se muestra en la Figura 3. La deflexión del "cantilever" modifica la distancia entre las láminas (1 y 2) que forman la guía ranurada, es decir, cambia el espesor de la ranura t_slot, lo cual, a su vez, varía el índice de refracción efectivo de los modos ópticos que se propagan por la guía ranurada. Esta variación de índice (fase) es intensificada por el resonador debido a su naturaleza interferométrica. La intensidad óptica de salida (I_out) del dispositivo puede ser leída bien mediante un espectrógrafo como un desplazamiento en longitud de onda de la transmitancia espectral del resonador, o bien, como una variación de la intensidad óptica a la salida a una determinada longitud de onda de operación, mediante un fotodetector.

La sensibilidad de deflexión del sensor, definida como el cambio fraccional de la intensidad óptica de salida (I_out) por unidad de desplazamiento del "cantilever" viene dada por la relación:

donde S_slot es la sensibilidad de la guía ranurada, definida como la variación del cambio de índice de refracción efectivo (?n_eff) de la guía ranurada por variación de la deflexión (d) del "cantilever" y Sdsk es la sensibilidad del disco resonador, definida como la variación relativa de la intensidad de salida (I_out) por variación del índice efectivo de la guía ranurada (?n_eff).

Como ejemplo y caso particular, se presentan a continuación cálculos correspondientes a materiales concretos y valores determinados de las dimensiones del sensor, los cuales se muestran en la Tabla I. Los materiales elegidos (nitruro de silicio, óxido de silicio, y silicio) son todos de uso habitual en la industria microelectrónica del silicio. Además, el nitruro de silicio es un material muy común y adecuado para la fabricación de "cantilevers" [H.P. Lang, M. Hegner and C. Gerber, "Cantilever array sensors," Materials Today, vol.8, no.4, pp.30-36, 2005]. La longitud...

1. Dispositivo sensor óptico integrado de deflexión mecánica de ultra-alta sensibilidad, caracterizado porque comprende una guía ranurada dispuesta sobre una capa de recubrimiento óptico (4) y formada por dos láminas paralelas (1,2), la primera lámina (2) fija sobre la capa de recubrimiento óptico (4) y la segunda lámina (1) suspendida sobre una tercera lámina (3) situada entre ambas láminas (1,2) y que actúa de base para la segunda lámina (1), siendo el índice de refracción de la segunda lámina (1) y el índice de refracción de la primera lámina (2) superiores al índice de refracción de la capa de recubrimiento óptico (4) y al índice de refracción del material (6) situado entre ambas láminas (1,2),

y porque la segunda lámina (1) está configurada para, cuando el dispositivo es excitado ópticamente, experimentar una deflexión como respuesta mecánica a la aplicación de una fuerza sobre dicha lámina (1), variando el índice de refracción efectivo de los modos ópticos que se propagan por la guía ranurada.

2. Dispositivo sensor según la reivindicación 1, caracterizado porque la primera (2) y la segunda (1) lámina son circulares.

3. Dispositivo sensor según la reivindicación 2, caracterizado porque la tercera lámina (3) es circular y de menor diámetro que la segunda lámina (1) circular.

4. Dispositivo sensor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende un substrato (5) encargado de servir como base material para el dispositivo.

5. Dispositivo sensor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende medios encargados de hacer oscilar la segunda lámina (1) a su frecuencia de resonancia.

6. Dispositivo sensor según la reivindicación 5, caracterizado porque los medios encargados de hacer oscilar la segunda lámina (1) a su frecuencia de resonancia son un actuador piezoeléctrico.

7. Procedimiento de fabricación de un dispositivo sensor óptico integrado de deflexión mecánica de ultra-alta sensibilidad, caracterizado porque comprende:

- formar una capa de recubrimiento óptico (4) sobre un substrato (5) de silicio;

- depositar una capa de nitruro de silicio por depósito en fase de vapor;

- formar una primera lámina (2) circular sobre la capa de recubrimiento óptico (4) mediante un proceso litográfico (P 1) y un ataque direccional por iones reactivos (P2);

- sobre la primera lámina (2) circular efectuar un depósito de una capa de polisilicio (P3) y un posterior proceso litográfico (P4) seguido de un ataque direccional por iones reactivos (P5) para determinar la posición de una posterior formación de un disco interior (3) situado sobre la primera lámina (2) y con un diámetro inferior;

- formar el disco interior (3) y una segunda lámina (1), sobre dicho disco interior (3) y con mayor diámetro, mediante el depósito de una capa de nitruro de silicio por depósito en fase de vapor (P6) y un posterior proceso de litografia (P7) y ataque direccional por iones reactivos (P8);

- eliminar (P9) la capa de polisilicio mediante un ataque químico húmedo selectivo.

8. Procedimiento según la reivindicación 7, caracterizado porque la etapa de formación de la capa de recubrimiento óptico (4) sobre el substrato (5) de silicio se efectúa mediante crecimiento de óxido térmico.

9. Procedimiento según la reivindicación 7, caracterizado porque la etapa de formación de la capa de recubrimiento óptico (4) sobre el substrato (5) de silicio se efectúa mediante depósito de óxido de silicio por técnicas químicas de depósito en fase de vapor.