CN102483427B - Cmos moems传感器器件 - Google Patents

Cmos moems传感器器件 Download PDF

Info

Publication number
CN102483427B
CN102483427B CN201080036174.3A CN201080036174A CN102483427B CN 102483427 B CN102483427 B CN 102483427B CN 201080036174 A CN201080036174 A CN 201080036174A CN 102483427 B CN102483427 B CN 102483427B
Authority
CN
China
Prior art keywords
silicon
light
cmos
technology
sensor component
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN201080036174.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN102483427A (zh
Inventor
卢卡斯·威廉·斯尼曼
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tshwane University of Technology
Original Assignee
Tshwane University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tshwane University of Technology filed Critical Tshwane University of Technology
Publication of CN102483427A publication Critical patent/CN102483427A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN102483427B publication Critical patent/CN102483427B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P15/093—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by photoelectric pick-up
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/266—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light by interferometric means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/05—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects
    • G01F1/20—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects by detection of dynamic effects of the flow
    • G01F1/28—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects by detection of dynamic effects of the flow by drag-force, e.g. vane type or impact flowmeter
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/75—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated
    • G01N21/77—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator
    • G01N21/7703—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator using reagent-clad optical fibres or optical waveguides
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/12004—Combinations of two or more optical elements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/02—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/75—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated
    • G01N21/77—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator
    • G01N21/7703—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator using reagent-clad optical fibres or optical waveguides
    • G01N21/7746—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator using reagent-clad optical fibres or optical waveguides the waveguide coupled to a cavity resonator
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/4201—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details
    • G02B6/4246—Bidirectionally operating package structures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/15—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components having potential barriers, specially adapted for light emission

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Optical Integrated Circuits (AREA)
  • Photo Coupler, Interrupter, Optical-To-Optical Conversion Devices (AREA)

Abstract

本发明涉及传感器器件。更具体的是，本发明涉及基于CMOS的微-光-电机传感器(MOEMS)器件，其中硅光发射器件，硅波导和硅探测器使用当前互补金属氧化物半导体(CMOS)技术或绝缘体上硅片(SOI)技术来制造。依据本发明，提供了一种如下的传感器，其包含：基于硅的光发射结构；集成的能够探测机械偏转的电光机界面结构；集成的电子驱动和处理电路，用于探测诸如振动、运动、旋转、加速的物理参数。

Description

CMOS MOEMS传感器器件
技术领域
本发明涉及传感器器件。更特别的是，本发明涉及基于COMS的微光电机传感器器件(MOEMS)，其带有利用当前的互补金属氧化物半导体(CMOS)技术或绝缘体上硅片(SOI)技术被制造的硅光发射器件、硅波导和硅探测器。 
背景技术
绝大多数的微电子器件由硅形成，过去的几十年中，大量的努力被用于改善这些器件的可靠性和可制造性。由此，硅基微电子器件已变成了可靠和廉价的部件。特别是，互补式金属氧化物半导体(CMOS)技术已变成一个，为社会的整个电子产品中的将近80％的产品提供基本的制造技术的数十亿产业。而且，绝缘体上硅(SOI)技术被认为是将来合并光电技术和主流电子制造技术的基本技术。 
为了利用已有的硅基技术和基础设施，有很大的兴趣将有源光学元件集成进CMOS和SOI硅技术。 
然而，硅是间接带隙半导体材料，不同于直接带隙半导体材料，硅具有低的光发射效率。因此，硅被看成是一个差的场致发射辐射源。 
尽管光子产生机制还没有完全为人所知，一个来自硅的可见光源是雪崩击穿条件下的反向偏置p-n结。当p-n结被反向偏置至某一点，而使该结上的电场加速电子从而使它们与晶格进行电离碰撞时，发生雪崩击穿。电离碰撞产生另外的电子，新产生的电子随同原来的电子，被加速，以致产生额外的电离碰撞。基于这个原理，Snyman等人在IEEE Photonics Technology Letters，Vol.17，No.10，October 2005，pp 2041-2043的“A Dependency of Quantum Efficiency of Silicon  CMOS n pp LEDs on Current Dens ity(Si CMOS n pp LED的量子效率对电流密度的依赖性)”中，已报道通过利用带有楔形端的反向偏置p-n结(楔形端限制了纵向和侧向电磁场)，雪崩硅光发射器件(Av Si LED)中的来自硅的光发射效率能得到极大的增加。 
传感器器件已被组装在各个分立的封装中，用于测量物理参数，如温度、机械振动、运动、加速度、旋转、亮度级、流体流速、流动系统中的粒子数、粒子的荧光和吸收。然而，这些器件经常需要复杂和尖端的技术。 
虽然传感器器件能在混合模块上形成，为了开发这些器件新的应用，通常理想的是，进一步改进传感器器件，尤其是提高传感器器件的集成度和紧凑性。 
因此，所需要的是，一个不仅能够较容易地集成到已经存在的商业上可获取的COMS制造技术中的而且是能够提供改进的性能特征的传感器器件。 
发明目的
本发明的目的是提供传感器器件，更优选的是，一个从商业上可获取的制造技术制造而来的光发射结构，其至少部分克服了现有的传感器结构的一些缺点。 
提供新颖和有创造性的传感器器件也是本发明的目的。 
发明简述
依据本发明的第一方面，提供了一种传感器，其包含：基于硅的光发射结构；集成的能够探测机械偏转的电光机界面结构(electro-optical mechanical interface structure)；集成的电子驱动和处理电路，用于探测诸如振动、运动、旋转、加速的物理参数。 
所述传感器可以是基于互补金属氧化物半导体（CMOS）技术或基于绝缘体上硅片（SOI）技术并集成在单个芯片上。 
所述传感器可以进一步包含附加的滤光器和参考光路部分，以便提高器件测量的灵敏度。 
所述传感器可以进一步包含同硅光发射结构集成在同一个芯片上的单片集成的波导系统。 
波导系统可以进一步包含氮化硅、氮氧化硅或透光聚合物。 
所述传感器进一步包含代替电机模块的流体界面模块，用于探测光学吸收、额外的增加的波长或气体或流体样本中除去的元素。 
依据本发明的第二方面，提供了一种制造基于Si LED的传感器的方法，其中：通过硅自身中的增强的次级激发过程，形成增强的光发射；或通过具有高光子产出的次级主体内的增强的次级激发过程以及将第二主体放置于次级主体能达到的范围，形成增强的光发射；利用该光发射探测物理或流体变化参数，所述探测通过形成一个与环境紧密相接并通过强度调制或位相对比技术形成对物理变化的增强的探测的次级光路装置来进行。 
所述器件利用低成本可见光发射器，其可以以芯片级在微米尺寸上，以及以光纤或玻璃技术和机械模块被集成到系统中，能够提供所需的物理参数的测量。就制造成本而言，主要的成本竞争优势的取得是通过：使用低成本集成电路集成的LED的设计简单、组装简单和使用简单。 
总的来说，依据本发明的基于CMOS的传感器器件包含主体，该主体含有基于CMOS硅的光发射器件、一个或两个光路、电机或流体环境界面模块、硅探测器和电子处理电路、电子驱动和调制电路。电-光模块在光路B中引入扰动或位相偏移，光路B与参考光路A相互作用并引起传感器处的强度或位相偏移变化。相应地，由机械振动臂引起的诸如振动、运动、旋转、加速的物理变化，或由液化的气体或 液体引起的强度变化能被探测到。使用标准的互补金属氧化物半导体（CMOS）集成或绝缘体上硅片（SOI）技术，器件能被高度集成在小体积的集成电路空间。 
附图说明
将通过参考以下附图以示例的方式更详细地描述本发明，其中： 
图1是依据本发明的增强型侧向次级激发Si LED的p+nn+形式的平面视图。 
图2是依据本发明的基于通用Si LED和COMS技术的微光机械传感器示例的截面图。 
图3是示出混合实现作为本发明的第一个优选实施方案的MOEMS器件的示意图。 
图4是示出混合-单片合成实现作为本发明的第二个优选实施方案的MOEMS器件的示意图。 
图5是示出完全单片实现作为本发明的第三个优选实施方案的MOEMS器件的示意图。 
图6示出用于CMOS集成电路技术中的多个典型层的示意图。 
图7示出了借助于光源的放置和CMOS集成电路技术实现的分光结构的示意图。 
图8示出了借助于光源的放置和CMOS集成电路技术的分光结构中的全波导的实现的示意图。 
图9的示意图示出了来自横向倍增和次级激发Si LED的光辐射到位于CMOS芯片覆盖层的氮化硅或其他波导层的有效光耦合的实现，其中利用了梯度折射率透光层，该梯度折射率透光层直接位于Si LED发射点上方。 
图10到图12示出了使用0.35微米以上CMOS技术的更多优选的实施方案。 
图13示出了与使用0.35微米以下CMOS技术的技术相关的Si LED和波导技术的优选实施方案。 
图14的示意图示出了来自横向倍增和次级激发Si LED的光辐射到基于绝缘沟槽的波导结构的有效光耦合的实现，所述基于绝缘沟槽的波导结构可以使用0.35微米以下的CMOS技术实现。 
图15的示意图示出了图2所示的MOEMS器件的实现——其中使用了绝缘体上硅技术，如本发明进一步优选的实施方案。 
具体实施方式
将通过参考以下附图更详细地给出本发明的实施方案，其中： 
Si LED的增强形式近期已经被开发出来。图1描述了这类器件。器件100被构造为包括高掺杂的半导体区域120，该高掺杂的半导体区域具有细长的三角形和尖端凸起122。这个结构被放在更低地掺杂的半导体区域110中，半导体区域110足够大，可容纳从区域120延伸过来的最大延伸耗尽区——当沿着相邻于细长的三角形主体一侧的结边缘(结1和2的相接处)反向偏置时。第三低电阻/欧姆接触区域130被放置为直接平行于最大的突出主体长度，位于相对的、第一位置。器件被合适的电压偏置，以致沿着朝向电接触主体区域的第二主体结边缘140创造加长的耗尽区。在结(图1中的p+n结)界面附近的最大的电场区域中被激发的电荷载流子现在将加速并沿着如图11所示的结1和2的界面横向穿行，而非垂直于所述界面穿行。因为耗尽区(直到边160)同正常朝向的耗尽区相比被大大地延伸，被加速的载流子现在在耗尽区末端离开结之前，将穿过长得多的路程。在其穿过所述路程期间，它们将经历多个平均自由加速路程，每一路程因主晶格晶体原子、缺陷和杂质或其他载流子的碰撞和离子化过程结束。在这些相互作用过程中，光子被发射，导致器件的总光子发射水平特别增加。由此，更长的侧向轨迹路程，导致增强的散射和多重平 均自由路径，每个散射过程导致进一步次级载流子的产生。这导致了增强的次级载流子倍增中的雪崩；进一步被加速的载流子的指数增加，以及，从结处的总光辐射的指数增加。倍增区域由参考数字1180来加以表示，其导致主要的光发射区域1170。被激发的载流子产生次级载流子，次级载流子又导致新的激发和硅自身中的新的光辐射过程。 
通过选择主要的半导体主体材料和每个主体的导电种类，以及利用电子的倍增和雪崩是硅中空穴的近两倍的这一事实，高能载流子浓度和种类能被设计。p+n n+型布置因此特别适合产生高强度的基于CMOS的LED。 
结果，合适的次级主体也能被放置在每一个受激载流子能到达的范围中，以产生来自主激发或次级激发载流子的光辐射。这些Si LED被合适地设计为“次级激发Si LED”。器件的结构相对简单，并且能容易地使用CMOS技术来加以制造。这种次级主体优选如图1的190处所示地放置。 
图2示出了基于Si LED的CMOS MOEMS器件200的示例性概图和横截面图，其中示出了根据本发明的各种子部件，该器件使用了Si LED。使用传统的CMOS制造技术，硅光发射器件(Si LED)100被制造。合适的驱动和调制电路210从LED的强度和脉宽方面控制器件的光输出。使用滤光器220，光辐射被(任选地)过滤，目的是保证窄带宽。使用光强度分割和波导技术，通过方向性发射或波导技巧，光辐射沿着合适的光路A和B被引导。光路A用作位相和强度方面的参考光路，同时光路B透过电机界面或流体界面模块230，所述电机界面或流体界面模块230造成光束的强度和/或位相的变化。这个模块被置于CMOS覆盖层的表面下或同CMOS芯片表面相接。两个光束在光束部分C中被合并成一个光束，在此，合成光束被送入硅光探测器240。探测器的信号输出通过合适的信号处理电路250被处理，并且然后以模拟或数字的形式被传送给CMOS电路的其余部分，所述其余部分能够围绕 所提到的物理参数成功解释所述信号和信息。 
电机传感器界面部分被设计成可探测结构振动、运动、旋转、加速和引起光路B的强度和位相的变化。相似地，如果流体界面模块被用于与气体或液体流体相接，相应地，将引起光路B中的光束的强度变化、位相变化或波长变化。系统能因此被用于探测机械参数，例如振动、运动、旋转、加速、气体流动、气体成分或液体流动或液体成分。整个装置被制造为CMOS芯片的一个小部分中的高度集成的模块。因为系统使用光学的探测和处理方法，所以系统具有同光学信号处理技术相关的所有优点，像高度小型化的系统、高集成加工、低成本加工、抗噪音和高可靠性。 
电机界面模块可利用现有技术中的悬臂、微光束倾斜或光盘旋转技术。液体界面模块能利用现有技术中的气体或流体吸收监测或波长光谱探测技术——其中使用光源和光传感器。 
所述器件/装置的新型部件是Si LED，该Si LED能被集成到硅的下表面上(或芯片的覆盖层)并且它能够提供充足的光能，这样探测器能够以足够的信噪比探测由机械或流体界面模块引起的光变化，这样信息能被处理并输出给相邻的电路。 
图3到图5描述了本发明的各种优选实施方案。 
图3是示出混合实现作为本发明的第一个优选实施方案的MOEMS器件的示意图，器件使用了机械模块、光学模块(其被加工在CMOS芯片上的一个凹腔中，所述CMOS芯片主控Si LED)、光学探测电路和合适的驱动和信号处理电路。图3描述了本发明的第一个混合实施方案，该实施方案制造了COMS覆盖层中的一个凹口，并加上了各种光学和机械模块，这样整个系统利用混合部件和混合部件组装方法来实现，组装方法包括将部件拾取和放置到CMOS芯片的凹腔里。 
图3描述了使用本发明的混合方法的本发明的实施方案。器件包括3个分立(相对于图4所示的各部分)的模块或主体，即，半导体芯 片模块B1、光学模块或主体B2、和机械模块或主体B 3。集成的(或嵌入的)光发射二极管：LED，将窄带的光发射到先前在CMOS覆盖层中制造的凹腔C1中。光线作用在部分反射表面RS1上。这些光线中某一百分比的强度被反射给集成的(或嵌入的)探测器，DET。又一百分比的光被折射到光学主体B2中并遵循如图3中所示的内反射光路R3。在部分反射表面R32上，一定百分比的光依照光线路径R6被反射回芯片表面。在进一步折射后，发射自光学主体的光，作为外部反射光，同初始反射光R2相干涉并引起到达探测器DET的光的强度变化。在RS2部分折射的又一百分比的光进入光学主体B2的n3折射率区，并正常辐射到这个主体，然后，通过第二个凹口C2，在反射表面RS3被反射回。这个反射光中的某一百分比的光返回到光学主体B2中，并影响探测器DET上的位相对比和强度变化。 
如果机械臂位置改变状态，由光线R4和R5限制的路径长度将导致探测器中的强度变化。器件的摇晃、运动、加速或旋转都将迫使反射表面RS3的位置变化并导致探测器DET处探测到的强度发生变化。通过将空气间隙路径延伸到所述次级腔环境，强度的变化(因为这个腔中的各种状态变化)能在探测器处被探测到，例如如果流体流引入通过腔C2。臂能被合适地修正，以探测流体流速。如果高光吸收的粒子流过腔C2，这将迫使穿过C2的强度发生急剧变化，这使得可以通过处理电路来实现粒子计数。相似地，其他特性，例如粒子导致的吸收和荧光，能相应地改变探测器探测到的强度。探测器处的信号被适当地电子分析和处理以便由微处理电路进行合适地解释。 
图4是示出混合-单片合成实现作为本发明的第二个优选实施方案的MOEMS器件的示意图，所述器件使用了机械模块(其被加工在CMOS芯片上的一个凹腔中，所述CMOS芯片主控Si LED)、光学探测电路和合适的驱动和信号处理电路。滤光器和参考光路能被混合地加到CMOS芯片的表面或能被单片地制造，作为CMOS芯片的一个集成部 分。图4描述了本发明的第二个实施方案，其中，在CMOS芯片中的一个凹腔中使用混合地增加的机械或流体界面单元；并也使用混合地增加的滤光器和第二光路。 
图4给出了使用混合-单片合成实现本发明的第二个优选实施方案。凹口被制造，以使芯片表面400被充分暴露，从而使光沿着垂直方向垂直地射出芯片或沿倾斜的方向。合适的滤光器220在芯片凹口界面上被制造，以使得Si LED100的光发射波长中仅仅一个窄的带宽被送入凹腔410。电机或流体界面模块230被置于凹腔内、或者部分位于凹腔410或完全在凹腔的外部。滤光器220可使用单片层加工技术来制造或它可被分立地以拾取-放置技术放置在腔中。 
沿着光路A投向和反射自电机或流体界面模块230的光辐射是窄带或单色性质的，这将增强位相对比并最终使探测器探测的强度变化增强。可以使用单片的、基于波导的技术或其他混合技术，制造可选的光路A。这个增加可以增强由电机或流体界面模块引起的变化所导致的探测器240处的位相对比和强度变化。 
图5示出了使用全CMOS制造技术的本发明的第三个全单片实施方案。图5是示出完全单片实现作为本发明的第三个优选实施方案的MOEMS器件500的示意图，器件使用了机械模块(其被加工在CMOS芯片上的一个凹腔中)。Si LED100，波导电路，过滤部件和位相对比增强元件全部被单片地制造，作为CMOS芯片的一个集成部分。 
大面积的硅光发射器件为芯片上的单片集成的波导系统或其他部分提供了充足的光功率。通过合适的光耦合器510，光功率被传至波导。然后，光纤中的被耦合的光辐射被布拉格光栅滤波器520或(可选的)环形共振滤波器530(或现有技术中的波导过滤装置)过滤，使得非常窄的带辐射(尽可能接近单色的)被获得。然后，光辐射被分成两路波导路线，路线A和路线B，如在非对称的马赫-泽德位相探测器中540一样。在光路B中，光辐射被暴露给电机或流体界面模块 230，电机或流体界面模块230根据被选择的物理探测参数引入位相变化。这个位相变化导致了最终光路C中所产生的强度变化(在所述光路C被馈入光探测器240之前)。 
图6到图8描述了不同的光束指向、分光和波导技术，这些技术可用于光路A、B和C。 
图6示出用于CMOS集成电路技术中的多个典型层的示意图，所述层为(1)透光SiO2场氧化层，(2)内部金属等离子沉积氧化层；和(3)氮化硅(Si3N4)钝化层。两个可选的光辐射点，A和B，在CMOS芯片中被示出，并且所述结构的聚焦和方向性发射特性被示出。 
图6示出用于CMOS集成电路技术中的用于光学应用目的的多个典型层的示意图。光学透明层为SiO2场氧化层、氮化硅(Si3N4)钝化层和内部金属等离子沉积氧化层，这些层都作为硅基底上的覆盖层被沉积。在此情况中，场氧化物的一小部分使用0.35微米以上的CMOS技术被制造，以便在上面的等离子氧化物和氮化硅层里面创造曲率。所述结构的侧长度被缩短并且光源的位置被放在结构中心的硅基底-场氧化界面处的最优化点。光线的光发射角度可在30度-150度之间选择。该设计可以被实施为包括中心场氧化区域的环形特性。当光源被置于位置A，从结构垂直辐射的几乎所有光线的明显的聚焦能被观察到。聚焦和光束方向性变化由不同层的折射率的变化引起(即硅氧化物是1.4、硅等离子氧化物是1.55和氮化硅是2.4)。当光源被置于B时，可观察到朝向45度斜向角的明显的方向性发射，也存在光线的一定的聚焦或汇聚。 
图7示出了在CMOS集成电路技术中将光源放置于位置C实现的分光结构的示意图。层定义与图6中相同。图7给出了能用于将光辐射功率分成两个不同光路中差不多相等百分比的分光结构。这种情况下，0.3微米的场氧化层和1微米的硅钝化层和等离子沉积层被设定为通过通用的0.35微米CMOS技术实现。辐射的一部分射出该结构进 入空气，另一部分被横向射入氮化硅层。 
图8示出了在CMOS集成电路技术中将光源放置在位置D的分光结构中的全波导的实现的示意图。层定义同图6相同。图8给出了对于整个发射的Si LED辐射的非常高的一部分的、沿着氮化硅层纵向上的、被优化的侧向波导。等离子氧化层的厚度局部地被减少了并且在所形成的结构中的光发射点被置于硅氧化物层的“鸟嘴”点附近。初始光线以从34度-76度的发射角范围有效地耦合进氮化硅层。由于在所述氮化硅层下的等离子和场氧化层的折射率以及在所述氮化硅层上的空气的折射率都是更低的，因此辐射被有效地沿着氮化硅层被引导。 
与本发明相关的一个重要方面是：氮化硅和氮氧化硅对于600nm以上的辐射是基本透明的。这基本上低于硅的大约处于850-950nm的吸收边缘——暗示了使用标准的CMOS探测器技术还能有效地探测到辐射。因此，在CMOS集成电路中，氮化硅自身是产生电-光和波导结构的最适合材料。如果比较长波长的Si LED被用作光源，那表明“全硅”波导和MOEMS系统能在CMOS技术中被非常有效地实现。 
图9和图10描绘了从Si LED到光路A、B和C的光学耦合技术的细节。 
图9的示意图示出了来自横向倍增和次级激发Si LED的光辐射到位于CMOS芯片覆盖层的氮化硅或其他波导层的有效光耦合的实现，其中利用了梯度折射率透光层，该梯度折射率透光层直接位于Si LED发射点上方。图9示出了从Si LED100发射的光辐射到侧向放置的波导900的耦合的实施方案。 
在Si CMOS LED光发射区域920上面，湿法蚀刻或干法蚀刻一个窗口，所述窗口具有微米级的尺寸。随后，通过用掩模合适地覆盖CMOS芯片平面视图中的其余部分，并且，接着在腔中沉积具有梯度折射率的各个层910。如果梯度选择被正确做出，在本方案中，从Si-SiO2 界面到表面——作为一个进行情况——从低到高，可在二维中产生光的折射，以致发射的光被聚焦进入任何单模的或多模的光纤的芯中，同时，具有非常高的耦合效率。 
耗尽层930、载流子激发区940，连同第二区域120、电接触区域960和氧化绝缘层980，是Si LED100的一部分，类似于针对前述实施方案所描述的器件。 
在进一步的实施方案中，使用相同的梯度折射率概念和覆盖层中侧向的和垂直向的光折射率梯度的定义，通过掩模沉积不同的覆盖层，从而在传统的COMS集成电路的覆盖层中直接形成一系列光梯度折射率波导——通过采取适当的后处理工艺。在进一步的实施方案中，使用相同的梯度折射率概念和覆盖层中侧向的和垂直向的光折射率梯度定义，通过掩模来沉积不同的覆盖层，从而在绝缘层顶部上(通常是COMS集成电路的场氧化层)直接形成一系列光梯度折射率波导，以及较高折射率区域直接形成于场氧化层上，这样，传统的肋波导或单模或多模高折射率光纤/波导被形成，并且，导致来自Si CMOS LED的发射被有效地耦合进波导的较高折射率部分中。详细的过程和材料选择能被选择，目的是优化技术。如果有必要，光层可在金属层被沉积之前被预沉积，金属层通常要求低的热预算和在CMOS工艺过程末端制备。梯度折射率合成物也能通过传统的玻璃掺杂和玻璃流动技术获得。如果有必要的话，一些特定的光学模块可借助于不同的工艺被独立地制造，并在CMOS工艺之后，连同光纤光学模块的拾取和放置一起，被拾取和放置就位，此作为一个后处理工艺过程。所有的这些实施方案通常适合于用0.35微米以上的CMOS技术来实现。 
图10到图12示出了使用0.35微米以上CMOS技术的一些进一步优选的实施方案。 
在图10中，依据图1的Si LED 100有效地耦合进1微米厚氮化硅或等离子波导1800。基于氮化硅或氮氧化硅或聚合物的波导1800 耦合在等离子沉积层1802和场氧化层1804的顶部被实现，如在上述0.35微米CMOS技术中正常碰到的一样。在波导1800之上，存在又一等离子沉积氧化层1808，以便将波导嵌入。硅基底1806中，合适的n型井120和p+限定130限定了在190设置光产生位置，因此光的优化耦合被实现了。 
通过展现小界面区域1820，图11细化了这个实施方案，上述小界面区域用湿法或RF刻蚀方法实现，机械、化学或吸收过程能干扰与波导相关的倏逝场，导致波导中的过多的光功率损失和随之的强度改变。实现一个平行于本波导的参考光路A，以确保有效的参考强度和信号。 
图12使出了基于相应的CMOS的探测器的实施方案，其细化了该技术。可以在沉积氮化硅层之前，在p+区域上的进行RF预刻蚀实现光学探测器结构。使用一个基于p+n井的探测器，目的是提供细长的耗尽层，对于600nm波长，45度斜向下进入晶片。当使用氮化硅或高折射率聚合物波导时，这将提供更高的探测器探测效率。 
图13和图14示出了与使用0.35微米以下CMOS技术的技术相关的Si LED和波导技术的优选实施方案。 
图13(a)示出了与图1一样用合适的掺杂层和嵌入技术实现的侧面增强倍增SI LED的实现。高掺杂区1310嵌入低掺杂区1320。高掺杂区1的三角形尖端满足：光发射区域与基于沟槽的光波导1330的芯相接，光波导1330通过独立的技术放置在波导结构附近。图13(b)示出了基于沟槽的波导的截面图。所述沟槽由薄的场氧化层或基于其他的硅氧化物1330勾勒出。通过合适的技术，在沟槽内实现高折射率材料1340。芯区可以具有方形或圆形折射率分布，以便能依据通用的光纤技术创造单模或多模光学传播。 
图14的示意图示出了来自横向倍增和次级激发Si LED的光辐射到基于绝缘沟槽的波导结构的有效耦合的实现，所述基于绝缘沟槽的 波导结构可以使用0.35微米以下的CMOS技术实现。通常用于电气绝缘目的的绝缘沟槽已经用合适的具有不同折射率的材料层来填充，以便在侧向形成沿着沟槽的光波导。为了增强从主体结构100进入光传导主体1092的光耦合，图14示出了本发明的又一实施方案。图14示出了通用的E-MOD Si LED实施方案的示意性表示，目的是增强硅和光波导界面的电荷载流子相互作用和增强从Si LED到侧向放置的波导的光学耦合。此处，包括1010到1040的3个或4个区域的通用主体100结构被使用，但是金属触点和供给被放在金属层1060上，以致在第二区域1020和第三区域1030的表面上倾向于较高的电流密度，因此利用光纤芯，最大化了在区域1020和区域1030的表面的光学产出，因此增强了光辐射1090进入波导1092较高折射率芯1096的耦合。 
此处，为了创造功能性Si LED结构，1010-1040的各个区域可被相互嵌入和/或彼此相邻放置。电接触区域是借助于正常的等离子沉积和刻蚀技术。波导次级光传导区能通过用于0.35微米以下技术的绝缘沟槽技术或甚至是聚合物技术被制造。较高的芯折射率能通过修饰和沟槽制造技术来实现。主体100的区域的封装可以如下来实现：首先，通过使用绝缘体结构上的硅氧化物的最顶面的硅层的平板印刷工艺，限定硅区域1010-1040，然后沉积/生长次级氧化物层用于封装初始主体100。波导次级光传导区域1094能通过等离子沉积、湿法氧化或次级聚合物沉积技术被制造，以使一个低折射率条带产生，其接触主体1092区域的有效光发射区域。通过相同的工艺或使用光纤通信技术中用到的通用技术和技能，较高的折射率芯区域1096可被制得。电接触区域能用正常的等离子沉积和刻蚀技术制造。 
图15提供了用SOI技术实现本发明的细节。 
图15的示意图示出了图2所示的MOEMS器件的实现——其中使用了绝缘体上硅技术，如本发明进一步优选的实施方案。光发射二极 管被制造在硅层中，所述硅层处于绝缘层的顶层。相邻地，在所述的同一层中在侧向方向制造合适的透光波导，所述波导可以将光导离SiLED。可以利用光学分束器形成第二光路，并且也将光从薄的硅层平面导出。 
图15以截面视图示出了使用绝缘体上硅技术将光耦合到波导里面的实施方案。在硅基底600上，硅氧化物绝缘层610被形成。在硅氧化物绝缘层610之上存在硅层620，硅层620也能被用作可选的又一有效电子器件，如参考数字640所示意性指出的。在硅氧化物绝缘层610上主体300被形成。在此，主体300的各个区域310、320和330被限定为相邻，目的是创造功能性Si LED结构。p+nn+活性区域在硅绝缘体基底600上的三层硅上氧化物的硅层620上被制造。通过将正常的等离子沉积和蚀刻技术用于分别和主体300的各区域310、320和330接触的所有终端T1、T2和T3而实现电接触区域650、650’和650”。 
较高的芯折射率660能通过修饰和沟槽制造技术实现。波导次级光传导区域670可通过等离子沉积、湿法氧化或次级聚合物沉积技术被制造，这样一个低折射率条带在绝缘体层620上的硅平面内产生了，其接触主体300区域的有效光发射区域。在与硅层620一样的平面内，通过相同的工艺或使用光纤通信技术中用到的通用技术和技能，并依据所述结构布局概念，可相邻于主体300结构，制造较高的折射率芯区域660。上述实施方案中所实现的波导和电光耦合结构可使用硅氧化物、氮氧化硅、聚合物或氮化硅或这些的组合物。波导应选择合适的低损耗的和玻璃类的。 
如图15所示，为了创造功能性Si LED结构，主体300的各个区域可被相互嵌入和/或彼此相邻放置。电接触区域是借助于正常的等离子沉积和刻蚀技术。波导次级光传导区能通过用于0.35微米以下技术的绝缘沟槽技术或甚至是聚合物技术被制造。较高的芯折射率能 通过修饰覆盖层和沟槽制造技术来实现。主体300的区域的封装可以如下来实现：首先，通过使用绝缘体结构上的硅氧化物的最顶面的硅层的平板印刷工艺，限定硅区域，然后沉积/生长次级氧化物层用于封装初始主体区域。波导次级光传导区域能通过等离子沉积、湿法氧化或次级聚合物沉积技术被制造，以使一个低折射率条带产生，其接触主体区域的有效光发射区域，并位于绝缘体层上的硅平面内。通过相同的工艺或使用光纤通信技术中用到的通用技术和技能，较高的折射率芯区域可被制得。电接触区域能用正常的等离子沉积和刻蚀技术制造。 
上述实施方案中实现的波导和电光耦合结构可使用硅氧化物、氮氧化硅、聚合物或氮化硅或这些的组合物。波导应选择合适的低损耗的和玻璃类的。 
标准的硅p-n和硅p-i-n探测器装置在本发明中能被用作探测器。 
虽然此处只是描述了某些实施方案，但对于本领域普通技术人员而言，显而易见的是，其他的一些本发明的修改和变化也是可行的。这样的修改和/或变化将视作落在此处所描述和/或举例说明的本发明的精神和范围内。 

Claims (9)

1.传感器器件，包含主体，该主体含有：
基于硅的光发射结构、一个或两个光路、电机模块、硅探测器和电子处理电路、电子驱动和调制电路，该基于硅的光发射结构在雪崩击穿模式下运行,所述光发射结构为Si LED以及能够通过利用直接位于Si LED发射点上方的梯度折射率透光层使波长大于600nm以上的但低于950nm的硅吸收边缘的光透射通过波导；所述传感器器件基于互补金属氧化物半导体技术或基于绝缘体上硅片技术并集成在单个芯片上。
2.依据权利要求1所述的传感器器件，进一步包含附加的滤光器和参考光路部分，以便提高器件测量的灵敏度。
3.依据权利要求1或2所述的传感器器件，进一步包含同基于硅的光发射结构集成在同一个芯片上的单片集成的波导系统。
4.依据权利要求3所述的传感器器件，其中波导系统包含氮化硅、氮氧化硅或透光聚合物。
5.依据权利要求1或2所述的传感器器件，进一步包含代替电机模块的流体界面模块，用于探测光学吸收。
6.依据权利要求1或2所述的传感器器件，进一步包含代替电机模块的流体界面模块，用于探测额外的增加的波长。
7.依据权利要求1或2所述的传感器器件，进一步包含代替电机模块的流体界面模块，用于探测流体样本中除去的元素。
8.一种制造依据权利要求1到7中任一项所述的传感器器件的方法，其中：
通过硅自身中的增强的次级激发过程，形成增强的光发射；
利用该光发射探测物理参数，所述探测通过形成一个与环境紧密相接并通过强度调制或位相对比技术形成对物理变化的增强的探测的次级光路装置来进行。
9.依据权利要求8所述的方法，其中物理参数为流体变化参数。
CN201080036174.3A 2009-06-15 2010-06-15 Cmos moems传感器器件 Expired - Fee Related CN102483427B (zh)

Applications Claiming Priority (19)

Application Number Priority Date Filing Date Title
ZA2009/04162 2009-06-15
ZA2009/04163 2009-06-15
ZA200904163 2009-06-15
ZA200904162 2009-06-15
ZA200904509 2009-06-26
ZA2009/04509 2009-06-26
ZA2009/04666 2009-07-03
ZA200904666 2009-07-03
ZA200904665 2009-07-03
ZA2009/04665 2009-07-03
ZA200905249 2009-07-28
ZA2009/05249 2009-07-28
ZA2009/08834 2009-12-11
ZA200908834 2009-12-11
ZA2010/03603 2010-05-21
ZA2010/03605 2010-05-21
ZA201003603 2010-05-21
ZA201003605 2010-05-21
PCT/ZA2010/000033 WO2011038423A2 (en) 2009-06-15 2010-06-15 Cmos moems sensor device

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN102483427A CN102483427A (zh) 2012-05-30
CN102483427B true CN102483427B (zh) 2014-11-26

Family

ID=43796539

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201080036174.3A Expired - Fee Related CN102483427B (zh) 2009-06-15 2010-06-15 Cmos moems传感器器件

Country Status (6)

Country Link
US (1) US9435822B2 (zh)
EP (1) EP2443465B1 (zh)
KR (1) KR101415648B1 (zh)
CN (1) CN102483427B (zh)
WO (1) WO2011038423A2 (zh)
ZA (1) ZA201108938B (zh)

Families Citing this family (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8260098B1 (en) * 2011-02-17 2012-09-04 Nxp B.V. Optocoupler circuit
DE102012019407A1 (de) * 2012-10-04 2014-04-10 Leoni Kabel Holding Gmbh Optische Sensoranordnung sowie Verfahren zur Erfassung einer Messgröße mit Hilfe einer optischen Sensoranordnung
DE102013201217A1 (de) * 2013-01-25 2014-07-31 Osram Opto Semiconductors Gmbh Organisches optoelektronisches Bauelement und Verfahren zum Betrieb des organischen optoelektronischen Bauelements
CN103604785A (zh) * 2013-11-05 2014-02-26 浙江工业大学 荧光检测系统
EP3152788A4 (en) 2014-06-09 2018-02-28 Stc.Unm Integrated bound-mode spectral/angular sensors
US11480463B2 (en) 2014-06-09 2022-10-25 Unm Rainforest Innovations Integrated bound-mode spectral/angular sensors
DE102015000064B3 (de) * 2015-01-12 2016-03-31 Carl Von Ossietzky Universität Oldenburg Vorrichtung und Verfahren zum Bestimmen mindestens eines Parameters einer Strömung eines Fluids und deren Verwendung
US9874693B2 (en) 2015-06-10 2018-01-23 The Research Foundation For The State University Of New York Method and structure for integrating photonics with CMOs
CN106403821A (zh) * 2015-07-27 2017-02-15 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 一种位移传感器及其使用、制作方法和一种干涉仪
WO2017206148A1 (en) * 2016-06-02 2017-12-07 Goertek.Inc Monolithic integration device and micro total analysis system
CN106597012A (zh) * 2017-01-18 2017-04-26 中北大学 一种基于光强调制型 moems 加速度计
CN108333123A (zh) * 2018-02-08 2018-07-27 南京邮电大学 一种基于mim波导技术的cmos光谱仪
CN108279320B (zh) * 2018-02-09 2020-12-04 中北大学 一种基于Fano共振纳米光波导加速度计制备方法
CN117814752A (zh) * 2018-11-27 2024-04-05 晶元光电股份有限公司 光学感测模块
CN112285380B (zh) * 2020-10-20 2022-03-18 合肥工业大学 一种光学式mems加速度传感器及其制备方法

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5017010A (en) * 1989-05-16 1991-05-21 International Business Machines Corporation High sensitivity position sensor and method
US5917180A (en) * 1997-07-16 1999-06-29 Canadian Space Agency Pressure sensor based on illumination of a deformable integrating cavity
EP1748290A1 (en) * 2005-07-28 2007-01-31 Fondazione Torino Wireless A device and a system for measuring forces
JP2009536378A (ja) * 2006-04-21 2009-10-08 コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ 可動物体の動きを検出するための検出回路
EP2158483A1 (en) * 2007-05-31 2010-03-03 S.A.E. Afikim System and method for analyzing fluids
US20120224167A1 (en) * 2007-07-18 2012-09-06 Honeywell International, Inc. Apparatus and method for chemical, biological and radiological agent sensing
US7989822B2 (en) * 2007-11-08 2011-08-02 Eugene R. Worley Optocoupler using silicon based LEDs
US8395226B2 (en) 2009-01-27 2013-03-12 Insiava (Pty) Limited Microchip-based MOEMS and waveguide device

Also Published As

Publication number Publication date
US20120154812A1 (en) 2012-06-21
KR101415648B1 (ko) 2014-08-06
EP2443465B1 (en) 2013-12-25
CN102483427A (zh) 2012-05-30
US9435822B2 (en) 2016-09-06
ZA201108938B (en) 2014-05-28
WO2011038423A2 (en) 2011-03-31
WO2011038423A3 (en) 2011-10-20
EP2443465A2 (en) 2012-04-25
KR20120040189A (ko) 2012-04-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102483427B (zh) Cmos moems传感器器件
US20170276870A1 (en) Cmos based micro-photonic systems
US8768132B2 (en) Ridge waveguide
CN107532967A (zh) 光学器件的晶片级测试
CN102498583B (zh) 特定波长的硅光发射结构
Brouckaert et al. Compact InAlAs–InGaAs metal–semiconductor–metal photodetectors integrated on silicon-on-insulator waveguides
WO2012075511A2 (en) Cmos based micro-photonic systems
JP2008536293A (ja) 端面視光検出器
CN102549777B (zh) 利用变化电场雪崩LED的全硅750nm基于CMOS的光通信系统
Snyman et al. Integrating micro-photonic systems and MOEMS into standard silicon CMOS integrated circuitry
JP2003035846A (ja) 光電変換装置
JP6977672B2 (ja) 調芯用光回路および光調芯方法
CN109801983A (zh) 背入射式共面电极光电芯片及其制备方法
JP2003035845A (ja) 光電変換装置
WO2020218005A1 (ja) 調芯用光回路および光調芯方法
Nandankar et al. Implementation of CMOS-based Photo Diode for High-Efficiency end-to-end Communication and Enhanced Bit Error Rate
WO2022238320A1 (en) Photodetector apparatus and method of detecting light
Zimmermann et al. Integrated Optics
Cho High-speed optical interconnection on electrical boards using embedded OE devices in polymer optical waveguides

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20141126

Termination date: 20170615