CN113532493A - 一种有机无机混合集成的聚合物温度传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种有机无机混合集成的聚合物温度传感器及其制备方法，属于聚合物光波导温度传感器技术领域。由硅衬底、在硅衬底上制备的二氧化硅下包层、在二氧化硅下包层上制备的掺锗的二氧化硅芯层波导、在二氧化硅下包层上制备的掺硼和磷的二氧化硅上包层、在掺硼和磷的二氧化硅上包层上制备的聚合物芯层波导、在掺硼和磷的二氧化硅上包层上及聚合物芯层波导上制备的聚合物包层组成。当温度发生变化时，二氧化硅的热光系数为正，聚合物的热光系数为负，二氧化硅芯层的折射率会增大，聚合物芯层的折射率会减小，折射率的改变会使得原本的相位差进一步发生变化，使得谐振峰的位置发生变化。通过计算谐振峰的波长偏移，来表征温度变化，实现了温度传感的功能。

Description

一种有机无机混合集成的聚合物温度传感器及其制备方法
技术领域
本发明属于聚合物光波导温度传感器技术领域，具体涉及用于有机/无机混合集成的非对称马赫-泽德尔干涉仪(Asymmetric Mach-Zehnder Interferometer,AMZI)结构的聚合物温度传感器及其制备方法。
背景技术
温度测量在工业制造、医用器材、生命科学、军工业乃至我们的日常生活等各个领域中都扮演者重要的角色。目前，温度传感器朝着高可靠性、更加安全、更高精度，总线标准化，以及更多功能的方向快速发展。其中，光学温度传感器由于具有着高灵敏度、抗电磁干扰、检测带宽大的优点，近些年被国内外学者广泛研究并且开发成为商用产品。相比于光纤传感器，平板光波导传感器有着与互补金属氧化物半导体(Complementary Metal OxideSemiconductor,CMOS)工艺兼容的特点，因此易于实现大规模、低成本的制造，并且可以在单片上集成多个温度传感器，实现分布式温度传感。当前，二氧化硅基平板光波导器件(Planar Lightwave Circuit,PLC)，由于其具有着低损耗、高稳定性、易与光纤集成等优点，在光通信领域开展了大量研究，并且实现了产品的商业化。然而二氧化硅的热光系数仅为+1.19×10-5K-1，制备的温度传感器灵敏度很低。于二氧化硅相比，聚合物材料具有着有较高的热光系数(-1.86×10-4K-1)，是用来制作高灵敏度的温度传感器的理想材料。为了综合两种平板光波导器件的优势，制备低损耗，高灵敏的平板光波导温度传感器，在本专利中，利用聚合物易于与其他材料混合集成的特点，提出了一种基于非对称马赫-泽德尔干涉仪(Asymmetric Mach-Zehnder Interferometer,AMZI)的有机无机混合集成的温度传感器，该器件采用三维集成的方法，实现了超紧凑、高灵敏度、低损耗的温度传感器，在光子集成、光学传感等领域具有着巨大的应用前景。
发明内容
为了对现有技术的不足进行改进，本发明提出了一种基于有机无机混合集成工艺的AMZI结构的温度传感器及其制备方法。
本发明所述的一种有机无机混合集成的AMZI结构的聚合物温度传感器，从下至上由以下6部分组成：
1)硅衬底(11)；
2)在硅衬底(11)上制备的二氧化硅下包层(121)；
3)在二氧化硅下包层(121)上制备的掺锗的二氧化硅芯层波导，沿光的传播方向，二氧化硅芯层波导由彼此分立的掺锗的二氧化硅输入波导单元(131)、掺锗的二氧化硅调制臂(132)和掺锗的二氧化硅输出波导单元(133)组成；
4)在二氧化硅下包层(121)上制备的掺硼和磷的二氧化硅上包层(122)；
5)在掺硼和磷的二氧化硅上包层(122)上制备的聚合物芯层波导；沿光的传播方向，聚合物芯层波导由聚合物输入波导单元(151)、基于垂直多模干涉器结构的第一聚合物3dB分束器(141)、聚合物调制臂(152)、基于垂直多模干涉器结构的第二聚合物3dB分束器(142)和聚合物输出波导单元(153)组成；
6)在掺硼和磷的二氧化硅上包层(122)上及聚合物芯层上制备的聚合物包层(16)；
聚合物输入波导单元(151)、聚合物调制臂(152)和聚合物输出波导单元(153)的下表面与二氧化硅上包层的上表面位于同一平面；第一聚合物3dB分束器(141)和第二聚合物3dB分束器(142)的下表面与二氧化硅输入波导单元(131)、二氧化硅调制臂(132)和二氧化硅输出波导单元(133)的下表面位于同一平面，该平面为二氧化硅下包层(121)的上表面；第一聚合物3dB分束器(141)和第二聚合物3dB分束器(142)的上表面和聚合物输入波导单元(151)、聚合物调制臂(152)和聚合物输出波导单元(153)的上表面位于同一平面；
二氧化硅输入波导单元(131)、二氧化硅调制臂(132)、二氧化硅输出波导单元(133)、聚合物输入波导单元(151)、第一聚合物3dB分束器(141)、聚合物调制臂(152)、第二聚合物3dB分束器(142)和聚合物输出波导单元(153)的宽度相同(为3～5μm)；二氧化硅输入波导单元(131)、二氧化硅调制臂(132)、二氧化硅输出波导单元(133)、聚合物输入波导单元(151)、聚合物调制臂(152)和聚合物输出波导单元(153)的高度相同(为3～5μm)；第一聚合物3dB分束器(141)和第二聚合物3dB分束器(142)从二氧化硅下包层之上延伸入聚合物包层之中，其高度HMMI为10～15μm，该高度HMMI大于二氧化硅输入波导单元(131)、二氧化硅调制臂(132)、二氧化硅输出波导单元(133)、聚合物输入波导单元(151)、聚合物调制臂(152)和聚合物输出波导单元(153)的高度。
所述的二氧化硅上包层和二氧化硅芯层间的折射率差为0.36％～2％，其计算公式见式(I)，芯层折射率为n1，包层折射率为n2，二氧化硅芯层的折射率大于二氧化硅上包层的折射率；
Figure BDA0003179593750000021
所述的聚合物包层材料可以选择聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯(PE)、聚酯(PET)、聚苯乙烯(PS)、EpoClad等；
所述的聚合物芯层材料为具有负热光系数的聚合物材料，包括SU-8 2002、SU-82005、EpoCore等。
所述的温度传感器的二氧化硅调制臂(132)和聚合物调制臂(152)长度相同，但是材料不同，因此在光的传播过程中引入了相位差，不同波长产生的相位差不同，在输出的位置，当相位差相差π的整数倍的时候，光强最弱；当相位差相差2π的整数倍的时候，光强最强。当所述的温度传感器的温度发生变化时，二氧化硅的热光系数为正，聚合物的热光系数为负，二氧化硅芯层的折射率会增大，聚合物芯层的折射率会减小，折射率的改变会使得原本的相位差进一步发生变化，使得谐振峰的位置发生变化。通过计算谐振峰的波长偏移，来表征温度变化，实现了温度传感的功能。
本发明所述的基于AMZI结构的温度传感器的制备方法，其步骤如下：
步骤①：在硅晶圆衬底上，通过热氧化法生长一层致密的12～18μm厚的二氧化硅下包层；
步骤②：然后在二氧化硅下包层上通过等离子体增强化学气相沉积法(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)沉积得到3.5～6.5μm厚的掺锗的二氧化硅芯层；其中，PECVD设备的腔室气压为300～800mTorr，衬底温度为300～350℃，上电极低频射频功率为200～700W，上电极高频射频功率为300～800W，硅烷气体流量为15～30sccm，一氧化氮气体流量为1800～2000sccm，锗烷气体流量为1.3～2.4sccm，沉积速率为180～230nm/min；
步骤③：在掺锗的二氧化硅芯层上旋涂光刻胶层Ⅰ，前烘处理后自然降温固化，再通过紫外光刻、显影、后烘，将光刻板Ⅰ上与需要制备的条形波导结构相同(光刻胶层Ⅰ为正性光刻胶)或互补(光刻胶层Ⅰ为负性光刻胶)的图形转移到光刻胶层Ⅰ上，再通过ICP刻蚀方法，在掺锗的二氧化硅芯层上制备得到条形结构的二氧化硅芯层波导；然后再去掉二氧化硅芯波导上的光刻胶层I；
步骤④：在条形结构的二氧化硅芯层波导上通过PECVD法沉积得到3～5μm厚的掺硼和磷的二氧化硅上包层，二氧化硅上包层与步骤①制备的二氧化硅下包层统称为二氧化硅包层；其中PECVD设备的腔室气压为2000～3000mTorr，衬底温度为335～365℃，下电极射频功率为1600～2000W，硼烷和氮气混合气体流量为100～140sccm，硼烷在混合气体中的摩尔分数为5％～10％；磷烷和氮气混合气体流量为20～45sccm，磷烷在混合气体中的摩尔分数为5％～10％；
步骤⑤：在二氧化硅包层上，再次旋涂形成光刻胶层Ⅱ，前烘处理后自然降温固化，再通过紫外光刻、显影、后烘，将光刻板Ⅱ上与需要制备的聚合物3dB分束器结构互补(光刻胶层Ⅱ为正性光刻胶)或相同(光刻胶层Ⅱ为负性光刻胶)的图形转移到光刻胶层Ⅱ上，再通过ICP刻蚀方法，在二氧化硅包层里刻蚀出与聚合物3dB分束器结构相同的两个窗口；沿光的传输方向，第一个窗口位于二氧化硅输入波导单元和二氧化硅调制臂之间的位置，第二个窗口位于二氧化硅调制臂和二氧化硅输出波导单元之间的位置；两个窗口的底面与二氧化硅芯层波导的底面位于同一平面；两个窗口的宽度都与条形结构的二氧化硅芯层波导的宽度相同(为3～5μm)，两个窗口的长度都为LMMI(350～400μm)；然后再去掉二氧化硅包层上的光刻胶层Ⅱ；
步骤⑥：在二氧化硅包层上旋涂聚合物芯层材料，该材料具有自平整性，无需进行抛光处理，除了步骤⑤所述的两个窗口会被聚合物芯层材料填充满之外，还会在二氧化硅包层之上形成一层聚合物薄膜，通过控制转速、旋涂时间，形成4～6μm厚的聚合物薄膜；
步骤⑦：将得到的聚合物薄膜前烘处理后自然降温固化，再通过紫外光刻、显影、后烘，将光刻板Ⅲ上与需要制备的聚合物芯层波导结构相同(聚合物薄膜为正性光刻胶)或互补(聚合物薄膜为负性光刻胶)的图形转移到聚合物薄膜上，然后放入与聚合物对应的显影液中显影，再放入漂洗液中漂洗除去聚合物芯层波导构之外的聚合物材料，用去离子水洗净反应液，最后坚膜20～40分钟，得到聚合物芯层波导；沿光的传播方向，聚合物芯层波导由聚合物输入波导单元(151)、基于垂直结构多模干涉器的第一聚合物3dB分束器(141)、聚合物调制臂(152)、基于垂直结构多模干涉器的第二聚合物3dB分束器(142)和聚合物输出波导单元(153)组成；
步骤⑧：在聚合物芯层波导上旋涂聚合物包层材料，通过控制旋涂转速、旋涂时间，形成5～7μm厚的聚合物包层材料薄膜，放入烘箱中，110～130℃加热1.5～3.0小时，自然冷却至室温，得到聚合物包层；二氧化硅包层、条形结构的聚合物3dB分束器、聚合物包层，从而制备得到本发明所述的基于垂直AMZI结构的有机无机混合集成的温度传感器。
与现有技术相比，本发明的创新之处在于：
1.实现了高灵敏度的温度传感器；
2.实现了有机无机光子器件的单片混合集成，可以实现晶圆级生产；
3.实现了三维集成垂直结构的AMZI器件，器件尺寸远小于二维结构下的传感器，器件紧凑，易于实现大规模集成。
综上所述，本发明开发的工艺可以实现了有机无机光波导器件的单片混合集成，基于该工艺制备的垂直结构AMZI的温度传感器器件，有着结构紧凑，灵敏度高等优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1：本发明所述聚合物温度传感器的结构示意图；
图2：本发明所述聚合物温度传感器沿着光传播方向的截面示意图；
图3：本发明所述聚合物温度传感器制备工艺流程图；
图4：本发明所述聚合物温度传感器的二氧化硅输出波导单元的光谱图；
图5：本发明所述聚合物温度传感器的二氧化硅输出波导单元的谐振波长随温度变化关系的拟合曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清晰、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如附图1所示，为一种基于垂直AMZI结构的有机无机混合集成的温度传感器器件。其中各部分名称为：硅衬底11，二氧化硅包层12(由二氧化硅下包层121和掺硼和磷的二氧化硅上包层122组成)，条形结构掺锗的的二氧化硅芯层波导(沿光的传播方向，掺锗的二氧化硅芯层波导由彼此分立的掺锗的二氧化硅输入波导单元131、掺锗的二氧化硅调制臂132和掺锗的二氧化硅输出波导单元133组成)，聚合物芯层波导(沿光的传播方向，聚合物芯层波导由聚合物输入波导单元(151)、基于垂直结构多模干涉器的第一聚合物3dB分束器(141)、聚合物调制臂(152)、基于垂直结构多模干涉器的第二聚合物3dB分束器(142)和聚合物输出波导单元(153)组成)，聚合物包层16。
二氧化硅上包层和二氧化硅芯层的折射率差为2％，计算公式见式(I)，其中二氧化硅芯层为掺锗的二氧化硅材料，折射率为n1＝1.4739；上包层为掺硼和磷的二氧化硅材料，折射率为n2＝1.4450，波导截面示意图如附图2所示，为所述温度传感器的截面示意图，掺锗的二氧化硅输入波导单元131、掺锗的二氧化硅调制臂132、掺锗的二氧化硅输出波导单元132的尺寸参数一致，以掺锗的二氧化硅输入波导单元131为例进行介绍，掺锗的二氧化硅输入波导单元131的高度和宽度都是4μm，掺锗的二氧化硅输入波导单元131之上、聚合物输入波导单元151之下的二氧化硅上包层的高度Hgap1为4μm。聚合物3dB分束器14的宽度为4μm，高度HMMI为12μm。聚合物输入波导单元151、聚合物调制臂152和聚合物输出波导单元153的尺寸参数一致，以聚合物输入波导单元151为例进行介绍，聚合物输入波导单元151的高度和宽度都是4μm，位于聚合物输入波导单元151上面PMMA上包层的高度Hgap2为3μm。。聚合物包层16材料可以采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯(PE)、聚酯(PET)、聚苯乙烯(PS)、EpoClad等，在本实施例中，采用PMMA材料作为聚合物包层16，位于二氧化硅上包层122之上的聚合物包层的高度Hclad_poly为7μm。
所述的温度传感器的两个调制臂(二氧化硅调制臂和聚合物调制臂)长度相同，但是材料不同，分别为掺锗的二氧化硅和SU-8 2005，聚合物芯层的材料可以为具有负热光系数的聚合物材料，包括SU-8 2002、SU-8 2005、EpoCore等，在本实施例中采用SU-8 2005作为聚合物芯层材料。聚合物3dB分束器为多模干涉器结构，工作原理是自映像原理，在提出的温度传感器中起到了光从输入端输入，分别在输出端均匀分光的功能。光从二氧化硅输入波导输入，光经过第一个聚合物3dB分束器后均匀分光，分别进入两个调制臂，再通过第二个聚合物3dB分束器，分别从二氧化硅输出波导和聚合物输出波导输出。由于材料不同，折射率不同，因此在二氧化硅芯层波导中传播的光与在聚合物芯层波导中传播的光会产生相位差，不同波长产生的相位差不同，在二氧化硅输出波导和聚合物输出波导输出的位置，当相位差相差π的整数倍的时候，光强最弱；当相位差相差2π的整数倍的时候，光强最强，实验当中，二氧化硅输出波导和聚合物输出波导的输出光谱图都可以反应温度变化，我们以二氧化硅输出波导的输出光谱进行描述。当所述的温度传感器的温度发生变化时，二氧化硅的热光系数为正，聚合物的热光系数为负，二氧化硅芯层的折射率会增大，聚合物芯层的折射率会减小，折射率的改变会使得原本的相位差发生变化，使得谐振峰的位置发生变化。通过计算谐振峰的波长偏移，来表征温度变化。实现了温度传感的功能。
如附图3所示，本发明所述的基于垂直AMZI结构的有机无机混合集成的温度传感器器件的制备步骤如下：
步骤①：在硅晶圆衬底上，通过热氧化法生长一层致密的15μm厚的二氧化硅下包层；
步骤②：然后在二氧化硅下包层上通过PECVD的方法沉积得到4μm厚的掺锗的二氧化硅芯层；其中，PECVD设备的腔室气压为500mTorr，衬底温度为330℃，上电极低频射频功率为400W，上电极高频射频功率为600W，硅烷气体流量为25sccm，一氧化氮气体流量为1900sccm，锗烷气体流量为2.0sccm，沉积速率为200nm/min；
步骤③：在掺锗的二氧化硅芯层上旋涂Micro Chem公司的SU-8 2010光刻胶I，前烘的时间和温度为：65℃10分钟，90℃20分钟。前烘之后自然降温固化，旋涂20μm厚的SU-82010光刻胶层Ⅰ，旋涂的时间和转速为：20s，1000转/分；在365nm的紫外光光刻机下，光功率为23mW/cm2，对版光刻，曝光时间20s，曝光后进行后烘，后烘的时间和温度为：65℃10分钟，95℃20分钟，后烘之后冷却至室温，放入PGMEA(Propyleneglygol-monomethylether-acetate)显影液中显影，再放入异丙醇中漂洗除去余胶，用去离子水洗净反应液，最后在125℃下，竖膜30分钟，SU-8 2010掩膜层，将光刻板上与需要制备的条形波导结构相同(宽度为4μm，长度为2610μm)的图形转移到光刻胶层Ⅰ上，再通过ICP刻蚀方法，在掺锗的二氧化硅芯层上制备得到条形结构的二氧化硅芯层波导；为了保证波导的侧壁陡直，ICP通入的气体为C4F8/SF8混合气体；再去掉二氧化硅芯层波导上的光刻胶层I，为了偏振不敏感，条形结构的二氧化硅芯层波导的宽度和高度相同，均为4μm，长度为2610μm；
步骤④：在条形结构的二氧化硅芯层波导上通过PECVD法沉积得到4μm厚的掺硼和磷的二氧化硅上包层(在二氧化硅下包层121之上沉积的二氧化硅上包层122的厚度为8μm)，二氧化硅上包层与步骤①制备的二氧化硅下包层统称为二氧化硅包层；其中PECVD设备的腔室气压为2500mTorr，衬底温度为355℃，下电极射频功率为1800W，硼烷和氮气混合气体流量为120sccm，硼烷在混合气体中的摩尔分数为6％；磷烷和氮气混合气体流量为30sccm，磷烷在混合气体中的摩尔分数为8％；
步骤⑤：在二氧化硅包层12上，重复步骤③再次旋涂形成SU-8 2010光刻胶层Ⅱ，前烘处理并自然降温固化，通过紫外光刻、显影、后烘，将光刻板Ⅱ上与需要制备的聚合物3dB分束器结构互补(宽度为4μm，长度为380μm)的图形转移到光刻胶层Ⅱ上，再通过ICP刻蚀方法，在二氧化硅包层12里刻蚀出两个相同窗口，沿光的传输方向，第一个窗口位于：掺锗的二氧化硅输入波导单元131(250μm)和掺锗的二氧化硅调制臂132(1350μm)之间的位置，第二个窗口位于：掺锗的二氧化硅调制臂132(1350μm)和掺锗的二氧化硅输出波导单元133(250μm)之间的位置；两个窗口的底面与二氧化硅芯层13的底面位于同一平面；为了保证波导的侧壁陡直，ICP通入的气体为C4F8/SF8混合气体；两个窗口的宽度都与二氧化硅芯层13的宽度相同(4μm)，两个窗口的长度都为380μm；然后再去掉二氧化硅包层12的光刻胶层Ⅱ；
步骤⑥：在二氧化硅包层12上旋涂Micro Chem公司的SU-8 2005光刻胶，该材料具有自平整性，无需进行抛光处理，除了窗口会被填充满之外，还会在二氧化硅包层12之上形成一层SU-8薄膜，通过控制旋涂的转速和时间(4000转/分，20s)，形成4μm厚的SU-8 2005薄膜；
步骤⑦：将得到的聚合物SU-8 2005薄膜前烘，前烘的温度和时间为：65℃10分钟，95℃20分钟，前烘后自然降温固化，在365nm的紫外光光刻机下，光功率为23mW/cm2，对版光刻，曝光时间8s，之后再进行65℃10分钟，95℃20分钟的后烘，冷却至室温，放入PGMEA显影液中显影，再放入异丙醇中漂洗除去余胶，用去离子水洗净反应液，最后在125℃下，竖膜30分钟，得到聚合物芯层波导,聚合物芯层波导由两个聚合物SU-8 3dB分束器14(141、142)条形结构的聚合物SU-8条形波导15组成，两个SU-8 3dB分束器141和142的长度都为380μm，条形结构的聚合物SU-8波导15的总长度为2610μm，由彼此分立的聚合物输入波导单元151(250μm)、聚合物调制臂152(1350μm)、聚合物输出波导单元153(250μm)组成；它们宽度都与二氧化硅芯层的宽度相同(4μm)，聚合物波导14、15整体高度12μm，在二氧化硅包层12之上部分的高度为4μm；
步骤⑧：在聚合物芯层波导和掺锗的二氧化硅上包层122上旋涂Micro Chem公司的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)-C10光刻胶，通过控制旋涂转速(1000转/min)，使其在二氧化硅上包层122之上的的高度为7μm(在聚合物芯层波导之上的高度为3μm)，放入烘箱中，120℃加热2小时，自然冷却至室温，形成聚合物包层16；
如附图4所示，为本发明所述聚合物温度传感器的二氧化硅输出端口的光谱图，当入射光的波长范围是1300～1330nm时，改变器件温度变化量ΔT，进行仿真。附图4横坐标为工作波长范围，纵坐标为归一化输出功率。当器件的温度发生变化时，谐振峰发生了明显的蓝移，分别记录不同温度改变量下的谐振峰波长，绘制附图5，通过线性拟合可以得到，斜率即灵敏度为2.34nm/K，拟合度为0.9999，即该器件的温度每改变1K，谐振峰将发生2.34nm的漂移。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种有机无机混合集成的聚合物温度传感器，其特征在于：从下至上由以下6部分组成：
1)硅衬底(11)；
2)在硅衬底(11)上制备的二氧化硅下包层(121)；
3)在二氧化硅下包层(121)上制备的掺锗的二氧化硅芯层波导，沿光的传播方向，二氧化硅芯层波导由彼此分立的掺锗的二氧化硅输入波导单元(131)、掺锗的二氧化硅调制臂(132)和掺锗的二氧化硅输出波导单元(133)组成；
4)在二氧化硅下包层(121)上制备的掺硼和磷的二氧化硅上包层(122)；
5)在掺硼和磷的二氧化硅上包层(122)上制备的聚合物芯层波导；沿光的传播方向，聚合物芯层波导由聚合物输入波导单元(151)、基于垂直多模干涉器结构的第一聚合物3dB分束器(141)、聚合物调制臂(152)、基于垂直多模干涉器结构的第二聚合物3dB分束器(142)和聚合物输出波导单元(153)组成；
6)在掺硼和磷的二氧化硅上包层(122)上及聚合物芯层上制备的聚合物包层(16)；
聚合物输入波导单元(151)、聚合物调制臂(152)和聚合物输出波导单元(153)的下表面与二氧化硅上包层的上表面位于同一平面；第一聚合物3dB分束器(141)和第二聚合物3dB分束器(142)的下表面与二氧化硅输入波导单元(131)、二氧化硅调制臂(132)和二氧化硅输出波导单元(133)的下表面位于同一平面，该平面为二氧化硅下包层(121)的上表面；第一聚合物3dB分束器(141)和第二聚合物3dB分束器(142)的上表面和聚合物输入波导单元(151)、聚合物调制臂(152)和聚合物输出波导单元(153)的上表面位于同一平面；
二氧化硅输入波导单元(131)、二氧化硅调制臂(132)、二氧化硅输出波导单元(133)、聚合物输入波导单元(151)、第一聚合物3dB分束器(141)、聚合物调制臂(152)、第二聚合物3dB分束器(142)和聚合物输出波导单元(153)的宽度相同；二氧化硅输入波导单元(131)、二氧化硅调制臂(132)、二氧化硅输出波导单元(133)、聚合物输入波导单元(151)、聚合物调制臂(152)和聚合物输出波导单元(153)的高度相同；第一聚合物3dB分束器(141)和第二聚合物3dB分束器(142)从二氧化硅下包层之上延伸入聚合物包层之中，其高度大于二氧化硅输入波导单元(131)、二氧化硅调制臂(132)、二氧化硅输出波导单元(133)、聚合物输入波导单元(151)、聚合物调制臂(152)和聚合物输出波导单元(153)的高度。
2.如权利要求1所述的一种有机无机混合集成的聚合物温度传感器，其特征在于：掺硼和磷的二氧化硅上包层和掺锗的二氧化硅芯层间的折射率差为0.36％～2％，其计算公式见式(I)，二氧化硅芯层折射率为n1，二氧化硅上包层折射率为n2，芯层的折射率大于包层的折射率；
Figure FDA0003179593740000021
3.如权利要求1所述的一种有机无机混合集成的聚合物温度传感器，其特征在于：聚合物包层材料为聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯、聚酯、聚苯乙烯或EpoClad。
4.如权利要求1所述的一种有机无机混合集成的聚合物温度传感器，其特征在于：聚合物芯层材料为SU-8 2002、SU-8 2005或EpoCore。
5.如权利要求1所述的一种有机无机混合集成的聚合物温度传感器，其特征在于：二氧化硅输入波导单元(131)、二氧化硅调制臂(132)、二氧化硅输出波导单元(133)、聚合物输入波导单元(151)、第一聚合物3dB分束器(141)、聚合物调制臂(152)、第二聚合物3dB分束器(142)和聚合物输出波导单元(153)的宽度相同，为3～5μm；二氧化硅输入波导单元(131)、二氧化硅调制臂(132)、二氧化硅输出波导单元(133)、聚合物输入波导单元(151)、聚合物调制臂(152)和聚合物输出波导单元(153)的高度相同，为3～5μm；第一聚合物3dB分束器(141)和第二聚合物3dB分束器(142)从二氧化硅下包层之上延伸入聚合物包层之中，其高度HMMI为10～15μm。
6.权利要求1～5任何一项所述的一种有机无机混合集成的聚合物温度传感器的制备方法，其步骤如下：
步骤①：在硅晶圆衬底上，通过热氧化法生长一层致密的12～18μm厚的二氧化硅下包层；
步骤②：然后在二氧化硅下包层上通过等离子体增强化学气相沉积法沉积得到3.5～6.5μm厚的掺锗的二氧化硅芯层；其中，PECVD设备的腔室气压为300～800mTorr，衬底温度为300～350℃，上电极低频射频功率为200～700W，上电极高频射频功率为300～800W，硅烷气体流量为15～30sccm，一氧化氮气体流量为1800～2000sccm，锗烷气体流量为1.3～2.4sccm，沉积速率为180～230nm/min；
步骤③：在掺锗的二氧化硅芯层上旋涂光刻胶层Ⅰ，前烘处理后自然降温固化，再通过紫外光刻、显影、后烘，将光刻板Ⅰ上与需要制备的条形波导结构相同或互补的图形转移到光刻胶层Ⅰ上，再通过ICP刻蚀方法，在掺锗的二氧化硅芯层上制备得到条形结构的二氧化硅芯层波导；然后再去掉二氧化硅芯波导上的光刻胶层I；
步骤④：在条形结构的二氧化硅芯层波导上通过PECVD法沉积得到3～5μm厚的掺硼和磷的二氧化硅上包层，二氧化硅上包层与步骤①制备的二氧化硅下包层统称为二氧化硅包层；其中PECVD设备的腔室气压为2000～3000mTorr，衬底温度为335～365℃，下电极射频功率为1600～2000W，硼烷和氮气混合气体流量为100～140sccm，硼烷在混合气体中的摩尔分数为5％～10％；磷烷和氮气混合气体流量为20～45sccm，磷烷在混合气体中的摩尔分数为5％～10％；
步骤⑤：在二氧化硅包层上，再次旋涂形成光刻胶层Ⅱ，前烘处理后自然降温固化，再通过紫外光刻、显影、后烘，将光刻板Ⅱ上与需要制备的聚合物3dB分束器结构互补或相同的图形转移到光刻胶层Ⅱ上，再通过ICP刻蚀方法，在二氧化硅包层里刻蚀出与聚合物3dB分束器结构相同的两个窗口；沿光的传输方向，第一个窗口位于二氧化硅输入波导单元和二氧化硅调制臂之间的位置，第二个窗口位于二氧化硅调制臂和二氧化硅输出波导单元之间的位置；两个窗口的底面与二氧化硅芯层波导的底面位于同一平面；两个窗口的宽度都与条形结构的二氧化硅芯层波导的宽度相同，两个窗口的长度都为LMMI；然后再去掉二氧化硅包层上的光刻胶层Ⅱ；
步骤⑥：在二氧化硅包层上旋涂聚合物芯层材料，该材料具有自平整性，无需进行抛光处理，除了步骤⑤所述的两个窗口会被聚合物芯层材料填充满之外，还会在二氧化硅包层之上形成一层聚合物薄层，通过控制转速、旋涂时间，形成4～6μm厚的聚合物薄膜；
步骤⑦：将得到的聚合物薄膜前烘处理后自然降温固化，再通过紫外光刻、显影、后烘，将光刻板III上与需要制备的聚合物芯层波导结构相同或互补的图形转移到聚合物薄膜上，然后放入与聚合物对应的显影液中显影，再放入漂洗液中漂洗除去聚合物芯层波导构之外的聚合物材料，用去离子水洗净反应液，最后坚膜20～40分钟，得到聚合物芯层波导；沿光的传播方向，聚合物芯层波导由聚合物输入波导单元(151)、基于垂直结构多模干涉器的第一聚合物3dB分束器(141)、聚合物调制臂(152)、基于垂直结构多模干涉器的第二聚合物3dB分束器(142)和聚合物输出波导单元(153)组成；
步骤⑧：在聚合物芯层波导上旋涂聚合物包层材料，通过控制旋涂转速、旋涂时间，形成5～7μm厚的聚合物包层材料薄膜，放入烘箱中，110～130℃加热1.5～3.0小时，自然冷却至室温，得到聚合物包层；二氧化硅包层、条形结构的聚合物3dB分束器、聚合物包层，从而制备得到基于垂直AMZI结构的有机无机混合集成的温度传感器。
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