CN1040050C

CN1040050C - 光纤热敏器件及其制造方法

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Publication number: CN1040050C
Application number: CN92113322A
Authority: CN
Inventors: 涂相征; 涂鹏; 李韫言
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-12-01
Filing date: 1992-12-01
Publication date: 1998-09-30
Anticipated expiration: 2007-12-01
Also published as: CN1087718A

Abstract

本发明涉及一种光纤热敏器件及制造方法。包括热膨胀元，其上的反光镜，具有几对定位壁骨的光纤导向通道垂直地连接到反光镜处，和插入通道中的单模光纤。其主要制造步骤是用各向异性腐蚀剂在硅衬底上腐蚀制作热膨胀元、通道及壁骨。反光镜是用化学气相法淀积在氧化层上，由氮化硅、钛、金层组合的反光层，用阳极粘结工艺粘结遮盖薄板，光纤插入通道中以共聚物通过热处理固定在芯片上并封闭通道口。具有成本低可批量制造的优点。

Description

本发明涉及一种半导体器件，更确切地说是涉及一种光纤热敏器件及其制造方法。

由于工艺控制、质量控制、自动化及安全保障等方面对热测量方式及热传感器性能提出的新要求；又由于光纤本身既是电绝缘体又是不良热导体，且不受电干扰影响，因而安全性好、隔离性好，并可将测量物体的热损失减到最小，因此应用光纤技术的光纤热敏器件已成为当前热传感器的发展特点。已有不少光纤热敏器件专利及利用与温度相关的光的物理效应制造的光纤热敏器件问世。

光传输的变化是由热电材料来显示的，1991年10月1日颁发给文森·德·麦金尼期(VincentD·McGinniss)等的美国第5052820号专利，公开了一种使用改进的有机聚合物制造的器件，在一定温度范围内，它的光透射率会发生明显变化。从光纤返回来的光束内所包含期托克斯和反斯托克斯光的幅度和时间延迟跟温度有依赖关系。Yuzuru Tanabe等应用这个原理制造了一种分布式光纤温度传感器(美国专利U.S.5054935，1991年10月8日公开)

许多材料的萤光强度是随温度变化的，基于这个原理，马科斯·克雷勒曼(MarcosY·Kleinerman)等制造了一种对温度敏感的新纤维光学系统(美国专利US5090818，1992年2月25日公开)。

目前，光纤热敏器件发展及使用中的普遍问题是光纤传输损耗的不精确性和长期工作的不稳定性及成本太高等。

已有高分辨率光纤干涉仪式热敏器件的报导，如1991年1月出版的光波技术学报(Journal ofLightwave Technology)第9卷第1期129-133页，由成·依·李和亨利·弗·太勒(ChungE Lee andHenry F·Taylor)给出的最新研究成果是：“使用低相干光源的纤维光学法布里-皮洛(Fabry-Perot)温度传感器”。这些传感器的分辨率特别高是由于光程，或者说由于光学相位对温度的灵敏度高的缘故。这些传感器的另一优点是不需要准确测量传输光的强度。

遗憾的是，这些光纤干涉仪式的热敏器件有以下缺陷：

(a)光程差不能保持为足够小(即几十个微米)；

(b)参比干涉仪环境温度的变化会影响传感点；

(c)难于以低成本批量生产这种传感器。

本发明的目的在于提供一种光纤热敏器件及其制造方法，具有可靠、准确、可更换、安全、坚实而成本低的特点。

本发明的光纤热敏器件，包括制作在硅衬底上的热膨胀元，制作在热膨胀元上的反光镜，一个制作在硅衬底上的光纤导向通道垂直地连接到反光镜处，光纤导向通道内成对制作的停止壁骨(studs)和定位壁骨，插入光纤导向通道中以停止壁骨和定位壁骨阻挡、定位的光导纤维，光导纤维与反光镜保持一定距离。

本发明的光纤热敏器件的制造方法是制备(110)硅衬底；用对<100>和<110>方向腐蚀速度大大快于<111>方向腐蚀速度的各向异性腐蚀剂在所述硅衬底上腐蚀制作热膨胀元、光纤导向通道和通道内的停止壁骨、定位壁骨；在热膨胀元的侧壁氧化层上用化学气相淀积法淀积由氮化硅层、钛层和金层组成的复合反光层；将硅片分割成芯片；在所述芯片的热膨胀元及大部分光纤导向通道上于环境气氛下粘结(bonding)遮盖平板；从外部将光导纤维插入光纤导向通道中并以停止壁骨和定位壁骨定位，用共聚物通过热处理工艺将光导纤维固定在光纤导向通道外端的衬底上，并密封通道口。

本发明的光纤热敏器件有两种基本结构，第一种基本结构是：热膨胀元是一个内充热膨胀系数大的可流动物质如气体或液体的密封腔，反光镜是该腔体的一个侧壁，可以偏离，并涂覆有反光层。光纤导向通道对准反光镜偏离为最大的区域，一对停止壁骨位于光纤导向通道的顶端，而其它对定位壁骨则沿着光纤导向通道设置，在反光镜和光纤导向通道的顶端之间有一横向通道，光纤导向通道通过横向通道跟大气环境连通。插入光纤导向通道中的单模光纤受通道顶端停止壁骨阻挡，保持在与反光镜的一定距离处，并被定位壁骨保持在光纤导向通道的中心位置处。本结构利用热膨胀元的膨胀导致腔体可偏离侧壁的位移，再利用与单模光纤连接的干涉仪光学系统测量相位移。第一种基本结构可有若干改型结构，其中包括在热膨胀元及光纤导向通道的硅衬底背面淀积红外吸收(黑体)层，使腔体内流体膨胀的热量来自红外吸收层。另一种改型结构是腔体不密封而是通过横向通道与环境大气相通，腔体内侧壁涂覆抗腐层，反光镜和光纤导向通道顶端间的横向通道出口处密封。

第二种基本结构是：热膨胀元就是光纤导向通道本身，反光镜是光纤导向通道的内侧壁，内侧壁上涂覆有反光层但不能偏离。光纤导向通道的停止壁骨及定位壁骨均同第一种基本结构，通道中的光纤可沿通道自由地伸缩，也与干涉仪光学系统连接，测量由于衬底热膨胀所引起的腔体长度(即反光镜和光纤端面之间距离)变化导致的相位移。

干涉仪光学系统主要包括一个半导体激光器模块、至少三个单模光纤连接器、一个四通道单模光纤耦合器和一个光敏二极管模块。光纤热敏器件工作时，来自带有单模光纤软线的激光器模块的光通过第一个连接器和耦合器。激光器由低工作周期的方脉冲驱动，耦合器输出纤维之一中的传输光通过第二连接器入射到器件上，此光再由器件的单模光纤端面反射而产生第一反射光，而后由器件反光镜反射而产生第二反射光，在通过第二连接器、耦合器和第三连接器后，由光敏二极管模块检测这二个反射光。此干涉仪式的光学系统的强度分布是由两个反射光叠加而得出的，以下式表示：

I＝I_o+I_r+2(I_oI_r)^1/2cos(θ+Φ)

其中I_o和I_r分别表示从反光镜耒的反射光强度和从器件光纤端面耒的反射光强度；θ是两个反射光之间的固定相位差；Φ是由器件热膨胀元的膨胀而产生的附加相位差。

对于第一种基本结构形式，热膨胀元的膨胀导致器件腔体可偏离侧壁的位移，此时附加相位差可写成下列形式：

Φ＝2πW/λ

其中λ是光的强度，W是器件腔体可偏离侧壁的偏离量。

对于第二种基本结构形式，热膨胀引起腔体长度变化导致的附加相位差可写成下列形式：

Φ＝2πkLΔT/λ

其中k是硅的热膨胀系数，L是腔体的长度，ΔT是温度变化量。

下面结合实施例附图详细说明本发明的结构及制作方法。

附图IA-1B为本发明光纤热敏器件第一最佳实施例俯视平面图和截面图

附图2A-2G为本发明光纤热敏器件第一最佳实施例制作程序的诸截面图

附图3为光纤导向通道内端停止壁骨截面图

附图4为光纤导向通道内定位壁骨截面图

附图5A-5B为本发明光纤热敏器件第二最佳实施例俯视图和截面图

附图6A-6B为本发明光纤热敏器件第三最佳实施例俯视图和截面图

附图7A-7B为本发明光纤热敏器件第四最佳实施例俯视图和截面图

参见附图1A、1B，光纤热敏器件包括腔体14、可偏离侧壁12，腔体16，横向通道18，纵向通道22，一对停止壁骨26和两对定位壁骨28和30，10为硅衬底或称芯片。腔体14的侧壁上有抗腐层42，面向通道22的可偏离侧壁表面有反光层40，遮盖平板32粘结在芯片10的表面，用于遮盖腔体14、全部横向通道18和纵向通道22的大部分。一单模光纤24插入纵向通道22并受停止壁骨26阻挡而与可偏离侧壁12保持一定距离。光纤24位于通道22的中心位置，通道22垂直于可偏离侧壁12并对准可偏离侧壁12的最大偏离区域。通道22出口处有较高温粘结材料34，用于密封通道22口和将光纤24固定在芯片10上。

参见附图2A-2G，衬底硅片10，取向在<110>方向上±1°之内，它的参考边切割成与两组{111}面中的一组平行且与(110)表面垂直。

图2A所示的衬底10被热氧化，形成厚1μm的氧化层11，用于在之后的腐蚀工艺中保护表面。

图2B所示步骤，用标准光刻技术在氧化层11上刻蚀出5个矩形开口，开口间的距离限定了可偏离侧壁12的厚度及膜15、17、19的厚度，膜15、17、19用于形成停止壁骨26和定位壁骨28、30。可偏离侧壁12的厚度由器件的设计决定，膜15、17、19的厚度为3-4μm。

图2C所示步骤中，采用的是各向异性腐蚀，即用各向异性腐蚀剂腐蚀而成，该腐蚀剂对<100>和<110>方向有相当高的腐蚀速度，比对<111>方向的腐蚀速度快50倍左右。为了稳定控制大小尺寸，要使各开口的长边平行于硅片参考边，即对准<111>方向，准确度在±1°之内。可由下列两方法之一完成。一个方法是在光掩膜上作常规的可视标记，其设计要跟参考边相一致。第二种方法是在靠近并平行于参考边的衬底上腐蚀出一排深约10μm的矩形孔。各向异性腐蚀是在含40克KOH和100ml水的溶液中于53℃下进行的。在此条件下，腐蚀率为21μm/小时。2C步骤中，硅片10中形成腔体14及其可偏离侧壁12、三个垂直膜15、17、19和通道22。由于是侧向腐蚀，可偏离侧壁的厚度约比该图形的相应间距小2μm。膜15、17、19的厚度约1-2μm。可偏离侧壁12是一个倒置的等腰梯形，其厚度及大小由器件设计决定。膜15、17、19的形状是倒置的等腰三角形。膜15顶端的长度b应遵循以下关系(参见图3)：dh/tan(α/2)＜b_阻挡＜Dh/tan(α/2)

式中α表示顶端和腰边间的角度，h是膜15的高度，d是光纤24的芯直径，D是光纤24的直径，即光纤芯包覆直径。膜17、19顶端的长度b(参见图4)由下式估计出来：

b_定位＝Dh/tan(α/2)

该膜顶端的长度受图2B所示步骤中由腐蚀形成的图形所限定。

图2D所示步骤中，硅片10第二次热氧化，以把膜15、17、19的大部分转变为氧化物11。

图2E所示步骤中，在HF溶液中腐蚀掉氧化物膜15、17、19后，形成停止壁骨26及定位壁骨28、30。硅片10第三次热氧化，在腔体14的侧壁和可偏离侧壁12表面形成厚1000A的氧化层，再在该氧化层表面上普遍用化学气相淀积法淀积一个厚1200A的氮化硅层、400A厚的钛层和一个1500A厚的金层，此复合层用作抗腐层42和反光层40。

图2F所示步骤中，在将硅片10分割成芯片后，用阳极粘结的方法将Pyrex玻璃32粘结到芯片表面，覆盖腔体14和通道22的大部。

图2G所示的最后步骤中，将单模光纤24插入到通道22中，受停止壁骨26拦阻并由壁骨28、30定位，将一小块共聚物34施加到通道22的出口区域，并在约482℃下进行30分钟热处理。由于共聚物的熔化和流动，密封腔体16和通道22并将光纤24固定在芯片10上。

因为硅在可见光范围内有足够高的反射率，在可见光范围内应用的器件，反光层40可以省略。

参见图3，图2E-2G所示步骤中，去掉膜15后形成拦阻光导纤维24的停止壁骨26。

参见图4，图2E-2G所示步骤中，去掉膜17、19后形成将光导纤维24夹持在通道22中心位置的定位壁骨28、30。

参见图5A、5B，光纤热敏器件包括全部制作在硅衬底或芯片10上的腔体14、腔体16、可偏离侧壁12、横向通道20、纵向通道22、一对停止壁骨26、两对定位壁骨28和30。可偏离侧壁12面向纵向通道22的表面形成有反光层40。芯片10表面粘结有薄板32，用于密封腔体14，遮盖全部横向通道20和大部分的纵向通道22。一单模光纤24插入纵向通道22并以停止壁骨26拦阻，一小滴粘合剂34施加到光纤24和未被薄板32覆盖的纵向通道22处，密封通道口并将光纤24固定在芯片10上。

上述结构的制作步骤基本与图2A-2G所示步骤相同，仅作如下修改：

a)形成横向通道20而不是横向通道18；

b)省略抗腐层42；

c)形成密封腔体14而不是腔体16和纵向通道22；

d)所述的密封工艺，是在300-400℃下将Pyrex玻璃阳极粘结到芯片10表面或把一块涂覆有7570^#玻璃薄膜的硅片在室温下粘结到芯片10表面或将低熔点合金粘结到芯片10表面；

e)对于膨胀元腔体的气体充填、密封，是在300-400℃或室温下进行的，对于液体充填、密封，是在室温下进行的。

参见图6A、6B，光纤热敏器件包括全部制作在硅衬底或芯片10上的腔体16、横向通道20、纵向通道22、一对停止壁骨26和两对定位壁骨28、30。腔体16面向纵向通道22的侧壁上形成有反光层40。一块薄板32粘结到芯片10的表面，用于覆盖腔体16、整个横向通道20和纵向通道22的大部。一单模光纤24插入到纵向通道22的出口处，密封通道口并将光纤24固定在芯片10上。

上述结构的制作步骤也基本同图2A-2G所示，不同之处仅在于：

a)省略腔体14和横向通道18；

b)尽可能增加纵向通道22的长度；

参见图7A、7B，光纤热敏器件包括全部制作在硅衬底或芯片10上的腔体14及其可偏离侧壁12、腔体16、横向通道20、纵向通道22、一对停止壁骨26和两对定位壁骨28、30。在面向纵向通道22的可偏离侧壁12表面形成有反光层40。在芯片10背面形成有红外吸收层44。薄板32粘结到芯片10表面以密封腔体14、覆盖全部横向通道20和纵向通道22的大部。一单模光纤24插入纵向通道22并与停止壁骨26相抵。一小滴粘合剂34施加于光纤24和纵向通道22未被薄板32覆盖的区域，密封通道口并固定光纤24。

上述结构的制作步骤也基本同图2A-2G所示，不同之处如下：

a)形成横向通道20而不是横向通道18；

b)省略抗腐蚀层42；

c)硅衬底10的背面淀积有黑色铋红外吸收层；

d)形成密封腔体14而不是腔体16和纵向通道22；

e)密封工艺是在300-400℃条件下，将Pyrex玻璃阳极粘结到芯片10的表面或将低熔点合金粘结到芯片10表面；

f)密封在充气室内进行。

以上对四种最佳实施例结构及制作方法的说明，应理解为按本发明的精神，可作多种光纤热敏器件的变形设计和加工。

Claims

1.一种光纤热敏器件，其特征在于：包括制作在硅衬底上的热膨胀元，制作在热膨胀元上的反光镜，制作在硅片衬底上的光纤导向通道垂直地连接到反光镜处，光纤导向通道内有成对制作的停止壁骨和定位壁骨，和插入光纤导向通道中以停止壁骨拦阻和以定位臂骨定位的单模光导纤维。

2.根据权利要求1所述的光纤热敏器件，其特征在于所述的热膨胀元是一个充填有热膨胀系数大的气体或液体的密封腔体。

3.根据权利要求1或2所述的光纤热敏器件，其特征在于所述的反光镜是淀积在所述密封腔体一个与大气环境相通的可偏离侧壁上的反光层。

4.根据权利要求1所述的光纤热敏器件，其特征在于所述的热膨胀元及大部分光纤导向通道上有遮盖薄板。

5.根据权利要求1所述的光纤热敏器件，其特征在于所述的热膨胀元是内侧壁上淀积有反光层的光纤导向通道。

6.根据权利要求1或2所述的光纤热敏器件，其特征在于所述的密封腔体内淀积有抗腐层。

7.根据权利要求1或2所述的光纤热敏器件，其特征在于制作有密封腔体与光纤导向通道的硅片背面有红外吸收层。

8.一种如权利要求1所述的光纤热敏器件的制造方法，其特征在于是采用如下步骤：

a)制备(110)硅衬底；

b)用对<100>和<110>方向腐蚀速度快于对<111>方向腐蚀速度50倍左右的各向异性腐蚀剂，在所述硅衬底上腐蚀制作热膨胀元、光纤导向通道和通道内的停止壁骨、定位壁骨；

c)在热膨胀元的侧壁氧化层上用化学气相淀积法淀积由氮化硅、钛层和金层组成的复合反光层；

d)将硅片分割成芯片；

e)在热膨胀元及大部分光纤导向通道上覆盖遮盖薄板；

f)从外部将单模光导纤维插入光纤导向通道中，与停止壁骨相抵，并以定位壁骨夹持在通道中心处，用共聚物通过热处理工艺将单模光导纤维固定在光纤导向通道外端的衬底上，并密封通道口。

9.根据权利要求8所述的光纤热敏器件的制造方法，其特征在于所述的e步骤，是在300-400℃或室温下的充气室里充填热膨胀气体或在室温下充填热膨胀液体。

10.根据权利要求8所述的光纤热敏器件的制造方法，其特征在于所述在热膨胀元及光纤导向通道上覆盖遮盖薄板是将Pyrex玻璃，在300-400℃条件下，用阳极粘结方法粘结到芯片表面上。

11.根据权利要求8所述的光纤热敏器件的制造方法，其特征在于所述的热膨胀元及光纤导向通道上覆盖遮盖薄板是将涂覆有7570^#玻璃薄板的硅片，在室温下，用阳极粘结方法粘结到芯片表面上。

12.根据权利要求8所述的光纤热敏器件的制造方法，其特征在于所述在热膨胀元及光纤导向通道上覆盖遮盖薄板是将低熔点合金，用粘结方法粘结到芯片表面上。

13.根据权利要求8所述的光纤热敏器件的制造方法，其特征在于所述步骤c后，在所述热膨胀元及光纤导向通道的硅衬底背，用黑色铋淀积红外吸收层。