CN106571358B - 采用微电感图形衬底的可见光通信发射器件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种采用微电感图形衬底的可见光通信发射器件，包括衬底，依次设于衬底上的电感线圈和Al2O3蓝宝石保护层，所述蓝宝石保护层上设有由若干个LED芯片串联组成的芯片阵列，所述电感线圈与芯片阵列串联，所述电感线圈的电感值L满足：L=1/(ω 2 C)，其中，C为器件中由于LED芯片所带来的电容，ω为频率，所述电感线圈的组成材料由内而外依次为Cr、Al、Cr、Ti、Ag。

Description

采用微电感图形衬底的可见光通信发射器件
技术领域
本发明属于可见光通信领域，具体涉及一种采用微电感图形衬底的可见光通信发射器件。
背景技术
随着LED研究的不断深入与完善，LED照明在各个区域的研究和使用也日趋广泛。但是，LED在通讯行业领域内始终难以实现较大的突破。这是因为，可见光通信的LED和电路器件都还不完善，响应频率受到种种影响，如下：
一、由于LED的自身电容，在较高的频率(>40MHz)的输入电流情况下，会产生容抗阻碍电流，输出信号的频率衰减。
二、图形化衬底对光线的吸收较为严重。
三、单个LED芯片难以实现较大的输出功率。
综上，有必要对LED的结构进行改善，以使其能够在通讯领域应用。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术的缺陷，提供一种采用微电感图形衬底的可见光通信发射器件，采用的技术方案如下：
一种采用微电感图形衬底的可见光通信发射器件，包括衬底，依次设于衬底上的电感线圈和Al2O3蓝宝石保护层，所述蓝宝石保护层上设有由若干个LED芯片串联组成的芯片阵列，所述电感线圈与芯片阵列串联，所述电感线圈的电感值L满足：L＝1/(ω2C)，其中，C为器件中由于LED芯片所带来的电容，ω为频率，所述电感线圈的组成材料由内而外依次为Cr、Al、Cr、Ti、Ag。
在蓝宝石衬底上制作以上电感线圈的方法如下：(1)涂胶—光刻—显影，(2)利用PECVD设备由内而外依次蒸镀一层Cr、Al、Cr、Ti、Ag金属材料。
在衬底上蒸镀电感线圈，并使之与LED芯片阵列形成串联电路，电感线圈会产生电感，这将抵消LED芯片的部分电容，甚至使电路达到感抗性质，当电路的电容被部分或完全抵消，LED输出信号随着输入信号频率的增加衰减点会变大，使其响应速率加快，当电路达到感抗性质，感抗较小时，同样可以提高LED的响应速率。另外，本发明中，电感线圈最外层为反射率极高的银，LED芯片内发出的光到达图形衬底后经过银反射层的反射可以反射到正极出光区域，增加器件的出光效率。另外，本发明中，蒸渡完电感线圈后继续蒸镀Al2O3蓝宝石保护层，使得螺旋电感线圈的中间部分填补了Al2O3材料，这既可以增加螺旋电感线圈之间绝缘性又可以保护螺旋电感。
作为优选，所述电感线圈的形状为螺旋状。
作为优选，所述电感线圈的横截面为梯形，梯形的下底角为45°。
作为优选，LED芯片串联具体为：所述若干个LED芯片中，前一个芯片的N极连接到后一个芯片的P极，电感线圈与芯片阵列串联具体为：电感线圈一端连接到芯片阵列中末端的N极，另一端被引出到器件的顶面作为整个器件的负电极，而器件的正电极则由芯片阵列首端的P极充当，其中前、后、首和末是按芯片连接顺序排列的。
螺旋形电感线圈的中心端和外环端被刻蚀成中心输出端和外环输出端，其中，中心输出端与芯片阵列末端的的N极连接，外环输出端作为器件的负电极。
作为优选，本发明包括16个LED芯片，所述LED芯片在蓝宝石保护层上按照4×4矩阵排列。
16个LED芯片按4×4矩阵排列，前一个芯片的N极连接到下一个芯片的P极，从而串联起来。16个芯片通过串联而成，单颗芯片电压约为3V，导通电流约为5～30mA，那么芯片阵列的总电压8×3V＝24V。单个LED芯片的电容大约在2000pF～4000pF，因此，对于可见光发射器件中，16个芯片串联的情况下，器件总电容约为100pF～300pF。
LED芯片阵列串联螺旋线圈后，此电路的总阻抗为：
其中，R为电路本身的固有电阻，C为电路中LED芯片阵列所带来的电容，L为本发明用来与电路总电容相匹配的电感。
当电路没有串联螺旋线圈时，在电路的输入信号为Uin＝U0sin(ωt)时，电路的总电流为：
电容的吸收的功率为：
整理得：
当可见光通信器件的总电容为100pF～300pF，且工作频率在1MHz～100MHz，得出ωC为10-4～10-2数量级，另外LED导通时,电阻R只有几十欧，所以PC可以简化成PC＝-Uin 2ωC，当频率ω从1MHz变化到100MHz，|PC|也变大，即电容吸收的功率越来越大，也即输出信号随频率增大而衰减。实验验证发现，在不串联匹配电感的情况下，当频率达到40MHz后，器件的输出信号的增加随频率的增加会发生衰减。
但是在电路中串联螺旋电感线圈时，同样假设电路的输入信号为Uin＝U0sin(ωt)，此时电路的总电流为：
电容吸收的功率为：Pc＝I2Zc，化简可得：
同理可得加入的电感的吸收功率为：
当电感与电容实现完全匹配时，有PC+PL＝0，求解可得电感的数值L为L＝1/(ω2C)。
此时电容和电感吸收的总功率P＝PL+PC＝0。即电容电感相互之间完美匹配，电容和电感之间相互交换能量，输入的功率全部为电阻吸收，此时电路在相应频率时将不会有损耗，即抑制了输出信号的衰减，这样可以提高LED作为可见光通信器件的响应速率。
作为优选，所述LED芯片依次包括P型电极层、透明导电电极层、p型层、电子阻挡层、多量子阱层、产生电子的n型层和缓冲层。。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
(1)螺旋电感的加入可以减少芯片容性电路中产生的阻抗，起到补偿电容提高响应频率、滤波、保护电路的作用。
(2)电感结构在衬底上并配以保护层，和芯片一起刻蚀制成并和芯片一起连接在器件内部，不需要外接补偿电路。
(3)采用多颗芯片串联连接，弥补了单颗型光电器件照明能力不足，同时也能实现均匀的发光和较好的散热。
附图说明
图1是本发明的可见光通信发射器件的俯视图；
图2是本发明的可见光通信发光器件的图形衬底的结构示意图；
图3是本发明的可见光通信发光器件的剖面结构示意图；
图4是本发明的可见光通信发光器件的电感线圈的横截面的示意图；
图中，1、图形衬底，2、器件负电极，3、螺旋电感中央到器件正面的孔，4、串联芯片间的导线，5、器件的正电极，6、蓝宝石衬底，7、螺旋电感外围到器件顶面的孔，8、在图形衬底内蒸镀的螺旋电感。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例：
如图1所示，一种采用微电感图形衬底的可见光通信发射器件，包括衬底，依次设于衬底上的电感线圈和Al2O3蓝宝石保护层，所述蓝宝石保护层上设有由若干个LED芯片串联组成的芯片阵列，所述电感线圈与芯片阵列串联，所述电感线圈的电感值L满足：L＝1/(ω2C)，其中，C为器件中由于LED芯片所带来的电容，ω为频率，所述电感线圈的组成材料由内而外依次为Cr、Al、Cr、Ti、Ag。
在蓝宝石衬底上制作以上电感线圈的方法如下：(1)涂胶—光刻—显影，(2)利用PECVD设备由内而外依次蒸镀一层Cr、Al、Cr、Ti、Ag金属材料。
所述电感线圈的形状为螺旋状。
所述电感线圈的横截面为梯形，梯形的下底角为45°。
电感线圈采用45度梯形结构，如图4所示，当正极区域发出的光向下射入时，光到达图4中的ab段，ab段中的银反射层会将光反射到cd段，cd段会继续将入射光按照原入射角度相反方向反射回正极发光区域，增加了正极区域的出光效率。
LED芯片串联具体为：所述若干个LED芯片中，前一个芯片的N极连接到后一个芯片的P极，电感线圈与芯片阵列串联具体为：电感线圈一端连接到芯片阵列中末端的N极，另一端被引出到器件的顶面作为整个器件的负电极，而器件的正电极则由芯片阵列首端的P极充当，其中前、后、首和末是按芯片连接顺序排列的。
螺旋形电感线圈的中心端和外环端被刻蚀成中心输出端和外环输出端，其中，中心输出端与芯片阵列末端的的N极连接，外环输出端作为器件的负电极。
本发明包括16个LED芯片，所述LED芯片在蓝宝石保护层上按照4×4矩阵排列。
所述LED芯片依次包括P型电极层、透明导电电极层、p型层、电子阻挡层、多量子阱层、产生电子的n型层和缓冲层。

Claims (6)

1.采用微电感图形衬底的可见光通信发射器件，包括衬底，其特征在于，还包括依次设于衬底上的电感线圈和Al2O3蓝宝石保护层，所述蓝宝石保护层上设有由若干个LED芯片串联组成的芯片阵列，所述电感线圈与芯片阵列串联，所述电感线圈的电感值L满足：L=1/ (ω 2 C)，其中，C为器件中由于LED芯片所带来的电容，ω为频率，所述电感线圈的组成材料由内而外依次为Cr、Al、Cr、Ti、Ag。
2.根据权利要求1所述的采用微电感图形衬底的可见光通信发射器件，其特征在于，所述电感线圈的形状为螺旋状。
3.根据权利要求2所述的采用微电感图形衬底的可见光通信发射器件，其特征在于，所述电感线圈的横截面为梯形，梯形的下底角为45°。
4.根据权利要求1所述的采用微电感图形衬底的可见光通信发射器件，其特征在于，LED芯片串联具体为：所述若干个LED芯片中，前一个芯片的N极连接到后一个芯片的P极，电感线圈与芯片阵列串联具体为：电感线圈一端连接到芯片阵列中末端的N极，另一端被引出到器件的顶面作为整个器件的负电极，而器件的正电极则由芯片阵列首端的P极充当，其中前、后、首和末是按芯片连接顺序排列的。
5.根据权利要求4所述的采用微电感图形衬底的可见光通信发射器件，其特征在于，包括16个LED芯片，所述LED芯片在蓝宝石保护层上按照4×4矩阵排列。
6.根据权利要求4所述的采用微电感图形衬底的可见光通信发射器件，其特征在于，所述LED芯片依次包括P型电极层、透明导电电极层、p型层、电子阻挡层、多量子阱层、产生电子的n型层和缓冲层。
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