CN110501781A - 波导的形成方法以及包含该波导的sf6气体无源传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种波导的形成方法以及包含该波导的SF6气体无源传感器，波导的形成方法包括下列步骤：在硅衬底上生长绝缘层；在绝缘层的表面旋涂光刻胶；光刻光刻胶并形成波导结构；在波导结构内气相淀积玻璃以形成玻璃波导层；应用剥离技术除去没有被光刻的光刻胶以及位于波导结构以外的玻璃以形成波导主体；在波导主体上旋涂聚合物；光刻聚合物并固化后以形成腔室支柱；以及将腔室支柱的顶部通过键合技术形成腔室，多个腔室连接形成波导。本发明的波导的形成方法以及包含该波导的SF6气体无源传感器，其采用无源设计增加产品寿命、提升传感器灵敏度、具备实时在线监测功能。
Description
技术领域
本发明是关于高压设备监测、传感领域，特别是关于一种波导的形成方法。
背景技术
电力工业中，高压开关设备约占SF6用气量80％以上，中压开关的用气量约占10％。在2014年，环网柜总量已达119.93万面，其中SF6气体环网柜占64％，即SF6气体环网柜总量在76.76万面；目前国内具有新型智能变电站5182座，以每个站点采购2台监测设备计算，每年占总数10％(500座)的智能变电站更换新的监测设备，一年需求量为1000台；SF6气体监测在电缆沟道中同样也有着很大的市场需求量，以北京市为例，北京市约有电缆井7200多个，电缆沟道约36万米，目前试点为200米装一组监测设备，其它点为1000米装配一组。所以综上所述，以目前的实际需求量而言，合理正常使用并监测SF6气体，是非常必要的。
基于高压放电电离法的SF6气体检测器件使用寿命较短，不能长期稳定的工作，漂移大，易误报，不适合定量在线检测；基于电化学法的SF6气体检测器件虽然具有较好的稳定性，但由于传感器参与反应，可能产生二次污染，要定期更换传感器，增加了后期投入。目前研究发现，基于红外吸收法的SF6检测器件和设备在性能上具有较大优势，但设备体积庞大，检测周期长，不适合构建监测网络和进行实时检测。同时，传统SF6气体检测传感器多为有源器件，有源器件必然会引入器件寿命和供电问题。现有的手持式设备虽然解决了设备体积过大的问题，但存在电池供电问题，其次该设备进行气体检测为被动检测，即只有在人巡检的时候才有可能发现气体泄露，无法进行实时在线检测。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种波导的形成方法，其因光在传感器表层的波导材料中传播，且光纤与传感器直接耦合，不需要专门的光吸收气室和光路反射装置，因而可减小设备体积和避免二次污染的优点；采用无源设计增加产品寿命、提升传感器灵敏度、具备实时在线监测功能。
为实现上述目的，本发明提供了一种波导的形成方法，包括下列步骤：在硅衬底上生长绝缘层；在绝缘层的表面旋涂光刻胶；光刻光刻胶并形成波导结构；在波导结构内气相淀积玻璃以形成玻璃波导层；除去没有被光刻的光刻胶以及位于波导结构以外的玻璃以形成波导主体；在波导主体上旋涂聚合物；光刻聚合物并固化后以形成腔室支柱；以及将腔室支柱的顶部通过键合技术形成腔室，多个腔室连接形成波导。
在一优选的实施方式中，波导为螺旋形波导。
在一优选的实施方式中，在除去没有被光刻的光刻胶以及位于波导结构以外的玻璃以形成波导主体后还包括使用加热技术去除残留的水汽。
在一优选的实施方式中，绝缘层用于隔离硅衬底和玻璃。
在一优选的实施方式中，聚合物采用PDMS聚合物。
在一优选的实施方式中，光刻胶采用SU8光刻胶。
在一优选的实施方式中，除去没有被光刻的光刻胶以及位于波导结构以外的玻璃采用剥离技术。
本发明的另一目的在于提供一种SF6气体无源传感器，其因光在传感器表层的波导材料中传播，且光纤与传感器直接耦合，不需要专门的光吸收气室和光路反射装置，因而可减小设备体积和避免二次污染的优点。
为实现上述目的，本发明提供了一种SF6气体无源传感器，其采用上述形成方法制造的波导，SF6气体无源传感器包括硅衬底和生长于硅衬底上的绝缘层，波导设置在绝缘层上；光线输入接口与波导的一端连通；光线输出接口与波导的另一端连通；以及包覆于光线输入接口和光线输出接口与波导的连接处的聚合物。
在一优选的实施方式中，波导为螺旋形波导。
在一优选的实施方式中，聚合物采用PDMS聚合物。
与现有技术相比，本发明的波导的形成方法以及包含该波导的SF6气体无源传感器具有以下有益效果：其因光在传感器表层的波导材料中传播，且光纤与传感器直接耦合，不需要专门的光吸收气室和光路反射装置，因而可减小设备体积和避免二次污染的优点。以及其采用无源设计具有增加产品寿命、提升传感器灵敏度、具备实时在线监测功能。
附图说明
图1是根据本发明一实施方式的波导的形成方法的流程图；
图2是根据本发明一实施方式的波导的形成方法的步骤301的截面示意图；
图3是根据本发明一实施方式的波导的形成方法的步骤302的截面示意图；
图4是根据本发明一实施方式的波导的形成方法的步骤303的截面示意图；
图5是根据本发明一实施方式的波导的形成方法的步骤304的截面示意图；
图6是根据本发明一实施方式的波导的形成方法的步骤305的截面示意图；
图7是根据本发明一实施方式的波导的形成方法的步骤306的截面示意图；
图8是根据本发明一实施方式的波导的形成方法的步骤307的截面示意图；
图9是根据本发明一实施方式的波导的形成方法的步骤308的截面示意图；
图10是根据本发明一实施方式的波导的截面结构示意图；
图11是根据本发明一实施方式的SF6气体无源传感器的光路示意图。
主要附图标记说明：
1-硅衬底，2-绝缘层，3-波导，31-光刻胶层，32-波导结构，33-玻璃波导层，34-波导主体，35-聚合物，36-支柱，37-腔室，4-光纤输入接口，5-光纤输出接口，6-螺旋形波导。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
本文提出的一种波导的形成方法，其遵循朗伯比尔(Lamber-Beer)定理。该定理可作为气体浓度定量检测的依据。光透过浓度均勾的气体时，部分能量被气体吸收，光强发生衰减。假设，光强为I0的一束单色光透过路程为L的浓度均匀的气体后，出射光强为I，则I和I0满足以下关系：I＝I0e-aCL。式中I0是光的入射光强；I为光透过气体后的出射光强；a为气体吸收系数；C表示气体的浓度；L表示光在气体中传输的距离(光程)。可见，当入射光强一定时，出射光强I是关于系数a，光程L和气体浓度C的函数。a和气体的成分和光路结构有关，在气体成分单一，光路结构确定的情况下，a是一个固定的值，该值可由实验求出。在a—定的情况下，气体浓度越大，光程越长，出射光强I的值越小，该定理为气体浓度定量分析提供了理论依据。根据实际需要，设计合理的气体吸收模型，对测量结果分析，即可求得待测气体的浓度。
如图1所示，图1是根据本发明一实施方式的波导的形成方法的流程图。根据本发明优选实施方式的一种波导的形成方法，包括下列步骤301至308：
请参阅图2，图2是根据本发明一实施方式的波导的形成方法的步骤301的截面示意图，于步骤301中，在硅衬底1上生长绝缘层(二氧化硅层2)，绝缘层用于隔离硅衬底1和玻璃；
请参阅图3，图3是根据本发明一实施方式的波导的形成方法的步骤302的截面示意图，于步骤302中，在绝缘层的表面旋涂SU8光刻胶31；
请参阅图4，图4是根据本发明一实施方式的波导的形成方法的步骤303的截面示意图，于步骤303中，光刻光刻胶31并形成波导结构32，波导结构32为螺旋形结构；
请参阅图5，图5是根据本发明一实施方式的波导的形成方法的步骤304的截面示意图，于步骤304中，在波导结构32内气相淀积玻璃以形成玻璃波导层33；
请参阅图6，图6是根据本发明一实施方式的波导的形成方法的步骤305的截面示意图，于步骤305中，应用剥离技术除去没有被光刻的光刻胶31以及位于波导结构32以外的玻璃以形成波导主体34，并使用加热技术去除残留的水汽，例如是使用烤箱或其它加热技术等；
请参阅图7，图7是根据本发明一实施方式的波导的形成方法的步骤306的截面示意图，于步骤306中，在波导主体34上旋涂PDMS聚合物35；
请参阅图8，图8是根据本发明一实施方式的波导的形成方法的步骤307的截面示意图，于步骤307中，光刻聚合物35并固化后以形成腔室支柱36；以及
请参阅图9，图9是根据本发明一实施方式的波导的形成方法的步骤308的截面示意图，于步骤308中，将腔室支柱36的顶部通过键合技术形成腔室37，多个腔室连接起来形成螺旋形波导。
如图10所示，图10是根据本发明一实施方式的SF6气体无源传感器的结构示意图。根据本发明优选实施方式的一种SF6气体无源传感器，其采用上述形成方法制造的波导，SF6气体无源传感器包括硅衬底1和生长在硅衬底1上的绝缘层2及设置在绝缘层2上的波导3；光线输入接口4与波导3的一端连通；光线输出接口5与波导3的另一端连通；以及包覆于光线输入接口4和光线输出接5口与波导3的连接处的PDMS聚合物35。
在一些实施方式中，波导3为螺旋形波导。绝缘层2的主要材料为二氧化硅。螺旋形波导6主要由硫化物波导材料形成。
在实际的形成波导过程中，采用了FIMMWAVE软件进行建模，由多个腔室37连接组建成螺旋形波导6。FIMMWAVE是一款通用、高效的3D波导全矢量模式搜索引擎，包含几乎所有的几何形状，比如SOI、聚合物、蚀刻GaAs/AlGaAs波导、散射LiNbO3波导、单芯和多芯光纤。该软件包含多样的、高效率的求解器，用于优化常用的矩形结构，常在光电子或具有一般折射率剖面的环形光纤中遇到，或用于模拟波导中的2D和3D光传输。通过仿真器给出波动方程的严格求解，并考虑到中间节点的所有反射。这样使得仿真具有准确模拟其他方法(比如BPM)不能模拟的结构的功能，包含高折射率对比结构，用于硅和III-V半导体光子学。通过组装预先确定的组件，像简单的直边结构、弯曲结构、锥形结构和周期结构等等，再将它们插入其他用户组装的组件中，这种灵巧的设计模式让模拟复杂系统变得很容易。为了尽量缩小传感器的体积，提高微型传感器的信噪比，基于朗伯比尔定理得到，光在波导中传到的路程L必须最大化，因此简单的直线型波导必定无法将性能进行提升，因此光路采取螺旋结构。使用FIMMWAVE优化波导的结构如图11所示，图11是根据本发明一实施方式的SF6气体无源传感器的光路示意图。
从图11看来，实际光从左端光纤输入接口4进入螺旋形波导6，从右端光线输出接5口输出，光路的长短与光绕圈的次数相关，且远大于直线传输，即该种结构能够显著提升传感器信噪比和分辨率。
综上所述，本发明的波导的形成方法以及包含该波导的SF6气体无源传感器具有以下优点：其因光在传感器表层的波导材料中传播，且光纤与传感器直接耦合，不需要专门的光吸收气室和光路反射装置，因而可减小设备体积和避免二次污染的优点。以及其采用无源设计具有增加产品寿命、提升传感器灵敏度、具备实时在线监测功能。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.一种波导的形成方法，其特征在于，包括下列步骤：
在硅衬底上生长绝缘层；
在所述绝缘层的表面旋涂光刻胶；
光刻所述光刻胶以形成波导结构；
在所述波导结构内气相淀积玻璃以形成玻璃波导层；
除去没有被光刻的所述光刻胶以及位于所述波导结构以外的所述玻璃以形成波导主体；
在所述波导主体上旋涂聚合物；
光刻所述聚合物并固化后以形成腔室支柱；以及
键合所述腔室支柱的顶部形成腔室，多个所述腔室连接形成波导。
2.如权利要求1所述的波导的形成方法，其特征在于，所述波导为螺旋形波导。
3.如权利要求2所述的波导的形成方法，其特征在于，在所述除去没有被光刻的所述光刻胶以及位于所述波导结构以外的玻璃以形成波导主体后还包括使用加热技术去除残留的水汽。
4.如权利要求1所述的波导的形成方法，其特征在于，所述绝缘层用于隔离所述硅衬底和所述玻璃。
5.如权利要求1所述的波导的形成方法，其特征在于，所述聚合物采用PDMS聚合物。
6.如权利要求1所述的波导的形成方法，其特征在于，所述光刻胶采用SU8光刻胶。
7.如权利要求1所述的波导的形成方法，其特征在于，所述除去没有被光刻的所述光刻胶以及位于所述波导结构以外的所述玻璃采用剥离技术。
8.一种SF6气体无源传感器，其包含如权利要求1所述的形成方法形成的波导，其特征在于，所述SF6气体无源传感器包括：
硅衬底；
绝缘层，其生长于所述硅衬底上，所述波导设置在所述绝缘层上；
光线输入接口，其与所述波导的一端连通；
光线输出接口，其与所述波导的另一端连通；以及
聚合物，其包覆于所述光线输入接口和光线输出接口与所述波导的连接处。
9.如权利要求8所述的基于非分光红外的SF6气体无源传感器，其特征在于，所述波导为螺旋形波导。
10.如权利要求8所述的SF6气体无源传感器，其特征在于，所述聚合物采用PDMS聚合物。
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