JP6415021B2 - 耐久性を高めたフォトニック結晶センサパッケージング - Google Patents

耐久性を高めたフォトニック結晶センサパッケージング Download PDF

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Description

本発明の開示内容はフォトニック結晶に関する。具体的には、本発明は耐久性を高めたフォトニック結晶センサパッケージングに関する。
本発明は、耐久性を高めたフォトニック結晶センサパッケージングのための方法、システム、及び装置に関する。一又は複数の実施形態では、開示されるセンサチップのハーメチックシール方法は、ドーナツパターンを用いてにセンサチップを金属化することを伴う。一又は複数の実施形態では、ドーナツパターンはコバール管の直径と壁厚とに一致する。方法は、さらに、コバール管の端部の中心軸に合わせてセンサチップをセンタリングすることを伴う。さらに、方法は、コバール管の端部にセンサチップをはんだ付けすることによりセンサチップアセンブリを形成することを伴う。加えて、方法は、繊維（例えば光ファイバ）を金属化することを伴う。加えて、方法は、金属フェルール内部に金属化された繊維をはんだ付けすることにより、金属フェルールと金属化された繊維とをアセンブルすることを伴う。加えて、方法は、センサチップアセンブリのコバール管内部に金属フェルールを挿入することを伴う。加えて、方法は、センサチップアセンブリのセンサチップに対して金属化された繊維の端部を位置合わせすることを伴う。さらに、方法は、センサチップアセンブリのコバール管の内表面に金属フェルールの外表面をはんだ付けすることを伴う。
一又は複数の実施形態では、三軸ステージツールを使用して、コバール管の中心軸に合わせてセンサチップをセンタリングする。少なくとも一の実施形態では、三軸ステージツールは、センサチップに対して金属化された繊維の端部を位置合わせするために使用される。いくつかの実施形態では、コバール管の端部にセンサチップをはんだ付けするために、無線周波数（ＲＦ）誘導加熱が使用される。一又は複数の実施形態では、ＲＦ誘導加熱及びドーナツ形状のはんだプリフォームを使用して、コバール管の内表面に金属フェルールの外表面をはんだ付けする。
少なくとも一の実施形態では、センサチップのハーメチックシール方法は、ガラスはんだドーナツパターンを用いてセンサチップをコーティングすることを伴う。一又は複数の実施形態では、ガラスはんだドーナツパターンはセラミック管の直径と壁厚とに一致する。方法は、さらに、セラミック管の端部の中心軸に合わせてセンサチップをセンタリングすることを伴う。さらに、方法は、セラミック管の端部にセンサチップをはんだ付けすることによりセンサチップアセンブリを形成することを伴う。加えて、方法は、セラミックフェルール内部に繊維をはんだ付けすることにより、セラミックフェルールと繊維とをアセンブルすることを伴う。さらに、方法は、センサチップアセンブリのセラミック管内部にセラミックフェルールを挿入することを伴う。加えて、方法は、センサチップアセンブリのセンサチップに対して繊維の端部を位置合わせすることを伴う。さらに、方法は、センサチップアセンブリのセラミック管の内表面にセラミックフェルールの外表面をはんだ付けすることを伴う。
一又は複数の実施形態では、三軸ステージツールを使用して、セラミック管の中心軸に合わせてセンサチップをセンタリングする。いくつかの実施形態では、三軸ステージツールは、センサチップに対して繊維の端部を位置合わせするために使用される。少なくとも一の実施形態では、セラミック管の端部にセンサチップをはんだ付けするために、はんだガラスを用いた局部熱的加熱を使用する。一又は複数の実施形態では、局部熱的加熱及びドーナツ形状のガラスはんだプリフォームを使用して、セラミック管の内表面にセラミックフェルールの外表面をはんだ付けする。
少なくとも一の実施形態では、センサチップのハーメチックシール法は、パッケージ本体の前方スノートの端部にセンサチップをシールすることを伴う。方法は、さらに、パッケージ本体の後方スノートの端部に繊維を挿入することを伴う。さらに、方法は、センサチップに対して繊維の端部を位置合わせすることを伴う。加えて、方法は、繊維受台に繊維をロックすることを伴う。一又は複数の実施形態では、繊維受台はパッケージ本体内部に位置している。加えて、方法は、パッケージ本体の後方スノートの端部に繊維をシールすることを伴う。加えて、方法は、センサチップに位置合わさせされた繊維の端部とは反対側の端部に繊維外被を適用することを伴い、この場合、繊維外被の一部はパッケージ本体の後方スノートの内部に位置している。加えて、方法は、後方スノートの内部空洞をシールすることを伴う。さらに、方法は、後方スノートの端部と、繊維外被の少なくとも一部とに繊維ブーツ（ｆｉｂｅｒ ｂｏｏｔ）を取り付けることを伴う。加えて、方法は、パッケージ本体、センサチップ、繊維、繊維受台、繊維外被、及び繊維ブーツからガスを抜くことを伴う。さらに、方法は、パッケージ本体の頂部側に蓋をシールすることを伴う。
一又は複数の実施形態では、前方スノートにセンサチップをシールすることは、はんだのリフローの表面張力を利用して、はんだが冷却されて固化するときに前方スノートの中心軸に合わせてセンサチップを自動的にセンタリングするセルフアラインメントプロセスにより達成される。少なくとも一の実施形態では、センサチップに対して繊維の端部を位置合わせするために、高精度の三次元マイクロポジショナが使用される。いくつかの実施形態では、開示される方法は、さらに、ミリタリーグレードのエポキシからなる保護層を前方スノートの外表面に適用することにより、センサチップの側壁を保護し、前方スノートに対するセンサチップのシールを強化することを伴う。
一又は複数の実施形態では、開示される方法は、さらに、繊維を少なくとも部分的に金属化することを伴う。この方法のために、いくつかの実施形態では、前方スノート端部にセンサチップをシーるすることは、高温はんだを使用すること、及び前方スノート端部の外周の大きさと形状とに一致するパターンを用いてセンサチップを金属化することにより達成される。少なくとも一の実施形態では、高温はんだは鉛すず（ＰｂＳｎ）はんだ及び／又は金すず（ＡｕＳｎ）はんだである。さらに、この方法のために、一又は複数の実施形態では、高温はんだを使用して繊維受台上に繊維をロックする。加えて、いくつかの実施形態では、この方法のために、はんだプリフォームを使用して後方スノートの端部に繊維をシールする。この方法では、蓋は金属蓋である。さらにこの方法のために、少なくとも一の実施形態では、パッケージ本体の頂部側に金属蓋をシールするために、回転ヒータを使用する。
少なくとも一の実施形態では、前方スノートの端部に対してセンサチップをシールすることは、前方スノート又は高温エポキシの端部の直径と一致する円形の高温はんだガラスプリフォームを使用することにより達成される。少なくとも一の実施形態では、方法は、さらに、繊維の少なくとも一部にセラミックフェルールを取り付けることを含む。いくつかの実施形態では、繊維の少なくとも一部にセラミックフェルールを取り付けることは、高温エポキシ又は高温はんだガラスを使用することにより達成される。一又は複数の実施形態では、繊維受台上に繊維をロックすることは、高温はんだガラス又は高温エポキシを使用することにより達成される。少なくとも一の実施形態では、後方スノートの端部に対して繊維をシールすることは、非導電性はんだガラスプリフォームを溶融することにより、又は繊維とパッケージ本体の壁部とが結合する位置に高温エポキシを導入することにより達成される。いくつかの実施形態では、蓋はセラミックの蓋である。少なくとも一の実施形態では、パッケージ本体の頂部側にセラミックの蓋をシールすることは、パッケージ本体の頂部側の縁の外周と一致するはんだガラスプリフォームを使用すること、及びシールのために回転ヒータを使用することにより達成される。
添付図面及び本明細書において、一態様により、センサチップ１３０のハーメチックシール方法が開示される。この方法は、コバール管１４０の直径と壁厚とに一致するドーナツパターンを用いてセンサチップ１３０を金属化することと、コバール管１４０の端部の中心軸に合わせてセンサチップ１３０をセンタリングすることと、コバール管１４０の端部にセンサチップ１３０をはんだ付けすることによりセンサチップアセンブリ１７０を形成することと、繊維１６０を金属化することと、金属化された繊維１６０を金属フェルール１５０内部にはんだ付けすることにより、金属フェルール１５０と金属化された繊維１６０とをアセンブルすることと、センサチップアセンブリ１７０のコバール管１４０内部に金属フェルール１５０を挿入することと、センサチップアセンブリ１７０のセンサチップ１３０に対して金属化された繊維１６０の端部を位置合わせすることと、センサチップアセンブリのコバール管１４０の内表面に金属フェルール１５０の外表面をはんだ付けすることとを含む。
一変形例による方法では、三軸ステージツールを使用して、コバール管１４０の中心軸に合わせてセンサチップ１３０をセンタリングする。別の変形例による方法では、三軸ステージツールは、センサチップ１３０に対して金属化された繊維１６０の端部を位置合わせするために使用される。また別の変形例による方法では、コバール管１４０の端部にセンサチップ１３０をはんだ付けするために、無線周波数ＲＦ誘導加熱が使用される。また別の変形例による方法では、ＲＦ誘導加熱及びドーナツ形状のはんだプリフォームを１８０使用して、コバール管１４０の内表面に金属フェルール１５０の外表面をはんだ付けする。
一態様により、センサチップ１３０のハーメチックシール方法が開示される。この方法は、セラミック管１４０の直径と壁厚とに一致するガラスはんだドーナツパターンを用いてセンサチップ１３０をコーティングすることと、セラミック管１４０の端部の中心軸に合わせてセンサチップ１３０をセンタリングすることと、セラミック管１４０の端部にセンサチップ１３０をはんだ付けすることによりセンサチップアセンブリ１７０を形成することと、セラミックフェルール１５０内部に繊維１６０をはんだ付けすることにより、セラミックフェルール１５０と繊維１６０とをアセンブルすることと、センサチップアセンブリ１７０のセラミック管１４０内部にセラミックフェルール１５０を挿入することと、センサチップアセンブリ１７０のセンサチップ１３０に対して繊維１６０の端部を位置合わせすることと、センサチップアセンブリ１７０のセラミック管１４０の内表面にセラミックフェルール１５０の外表面をはんだ付けすることとを含む。
一変形例による方法では、三軸ステージツールを使用して、セラミック管１４０の中心軸に合わせてセンサチップ１３０をセンタリングする。
別の変形例による方法では、三軸ステージツールは、センサチップ１３０に対して繊維１６０の端部を位置合わせするために使用される。また別の変形例による方法では、はんだガラスを用いた局部熱的加熱を使用してセラミック管１４０の端部にセンサチップ１３０をはんだ付けする。
また別の変形例による方法では、局部熱的加熱及びドーナツ形状のはんだプリフォーム１８０を使用して、セラミック管１４０の内表面にセラミックフェルール１５０の外表面をはんだ付けする。
一態様では、センサチップ２２０のハーメチックシール方法が開示される。この方法は、パッケージ本体２４０の前方スノート２５０の端部にセンサチップ２２０をシールすることと、パッケージ本体２４０の後方スノート２６０の開口を通してパッケージ本体２４０に繊維２３０を挿入することと、センサチップ２２０に対して繊維２３０の端部を位置合わせすることと、パッケージ本体２４０の内部に位置する繊維受台２７０上に繊維２３０をロックすることと、パッケージ本体２４０の後方スノート２６０の端部に繊維２３０をシールすることと、センサチップ２２０と位置合わせされた繊維２３０の端部とは反対の端部に繊維外被２９２を適用することであって、繊維外被２９２の一部がパッケージ本体２４０の後方スノート２６０の内部に位置することと、後方スノート２６０の内部空洞をシールすることと、後方スノート２６０の端部と繊維外被２９２の少なくとも一部とに繊維ブーツ２９５を取り付けることと、パッケージ本体２４０、センサチップ２２０、繊維２３０、繊維受台２７０、繊維外被２９２、及び繊維ブーツ２９５のガスを抜くことと、パッケージ本体２４０の頂部側に蓋をシールすることとを含む。
一変形例による方法では、前方スノート２５０にセンサチップ２２０をシールすることは、はんだのリフローの表面張力を利用して、はんだが冷却されて固化するときに前方スノート２５０の中心軸に合わせてセンサチップ２２０を自動的にセンタリングするセルフアラインメントプロセスにより達成される。別の変形例による方法は、さらに、繊維２３０を少なくとも部分的に金属化することを含む。また別の変形例による方法では、前方スノート２５０の端部にセンサチップ２２０をシールすることは、高温はんだを使用すること、及び前方スノート２５０端部の外周の大きさと形状とに一致するパターンを用いてセンサチップ２２０を金属化することにより達成される。また別の変形例による方法では、高温はんだは、鉛すずＰｂＳｎはんだ及び金すずＡｕＳｎはんだの少なくとも一方である。
一実施例による方法は、さらに、ミリタリーグレードのエポキシからなる保護層を前方スノート２５０の外表面に適用することにより、センサチップ２２０の側壁を保護し、前方スノート２５０に対するセンサチップ２２０のシールを強化する。別の変形例による方法では、高温はんだを使用して繊維受台２７０上に繊維２３０をロックする。また別の実施例による方法では、はんだプリフォームを使用して後方スノート２６０の端部に繊維をシールする。また別の実施例による方法では、蓋２８０は金属蓋２８０である。
一事例による方法では、パッケージ本体２４０の頂部側に金属蓋２８０をシールするために、回転ヒータを使用する。別の事例による方法では、高精度の三次元マイクロポジショナを使用して、センサチップ２２０に対して繊維２３０の端部を位置合わせする。また別の事例による方法では、前方スノート２５０の端部にセンサチップ２２０をシールすることは、前方スノート２５０の端部の直径に一致する円形の高温はんだガラスプリフォームを使用することと、高温はんだガラス及び高温エポキシの一方を使用することとにより達成される。また別の事例による方法は、さらに、繊維２３０の少なくとも一部にセラミックフェルール２９０を取り付けることを含む。また別の事例による方法では、繊維２３０の少なくとも一部にセラミックフェルール２９０を取り付けることは、高温エポキシ及び高温はんだガラスの少なくとも一方を使用することにより達成される。
一代替例による方法では、繊維受台２７０上に繊維２３０をロックすることは、高温はんだガラス及び高温エポキシの少なくとも一方を使用することにより達成される。別の代替例による方法では、後方スノート２６０の端部に繊維２３０をシールすることは、非導電性はんだガラスを溶融すること、及び繊維２３０とパッケージ本体２４０の壁部とが結合する位置に高温エポキシを導入することのうちの一方により達成される。また別の代替例による方法では、蓋２８０はセラミック蓋２８０である。また別の代替例による方法では、パッケージ本体２４０の頂部側にセラミック蓋２８０をシールすることは、パッケージ本体２４０の頂部側の縁の外周に一致するはんだガラスプリフォームを使用すること、及びシールのために回転ヒータを使用することにより達成される。
上記の特徴、機能、及び利点は、本発明の種々の実施形態において単独で達成することができるか、又は他の実施形態において組み合わせることができる。
本発明の上記の特徴、態様、及び利点に対する理解は、後述の説明、特許請求の範囲、及び添付図面を参照することにより深まるであろう。
本発明の少なくとも一つの実施形態による、フォトニック結晶に基づくセンサをハーメチックシールするための、開示される受動的位置合わせプロセスの図である。 本発明の少なくとも一つの実施形態による、フォトニック結晶に基づくセンサをハーメチックシールするための、開示される能動的位置合わせプロセスの図である。 本発明の少なくとも一つの実施形態による、金属コンポーネントを用いてフォトニック結晶に基づくセンサをハーメチックシールするための、開示される受動的位置合わせプロセスのフロー図である。 本発明の少なくとも一つの実施形態による、非金属コンポーネントを用いてフォトニック結晶に基づくセンサをハーメチックシールするための、開示される受動的位置合わせプロセスのフロー図である。 本発明の少なくとも一つの実施形態による、金属又は非金属コンポーネントを用いてフォトニック結晶に基づくセンサをハーメチックシールするための、開示される能動的位置合わせプロセスのフロー図である。
本明細書に開示する方法及び装置は、耐久性を高めたフォトニック結晶センサパッケージングのための作動システムを提供する。具体的には、本発明は、ハーメチックシール高温外被と、光ファイバ及びフォトニック結晶センサの重要な部分の悪環境への暴露を排除するフェルールとを含む、耐久性を高めた、フォトニック結晶（ＰＣ）センサのパッケージングを教示する。本明細書に記載のパッケージング方法は、フォトニック結晶に基づくセンサが、要件の多い宇宙空間環境において動作することを可能にする。
現在、ファイバ干渉計及びファイバブラッググレーティングセンサは、その構造の単純さ、高い信頼性、高い感度、及び危機状態や極限状態での動作能により、多くの用途（例えば、物理的、化学的、及び生物学的測定値の取得）において魅力的な光センサである。しかしながら、このようなセンサシステムのコスト及び大きさは、その用途を制限する。このようなデバイスは、重く、かさばり、高価であるために、実験用にのみ適している傾向がある。
本明細書に記載のパッケージングのアプローチにより、電磁干渉（ＥＭＩ）、腐食性流体、大きな気温変動、及び強い機械振動といった悪環境条件により現在常套的なセンサ技術が使用できない厳しい環境において、遠隔感知が可能となる。例えば、現代的な航空機に光学的燃料センサ及び相互接続を使用することにより、重量の有意な低減、並びに性能改善による有意なコスト削減が達成される。ＥＭＩ、気温変動、腐食性媒体、及び振動に対するセンサのロバスト性により、現代の航空機へのこのようなセンサのパッケージング及び統合が単純化されることで、さらなるコスト削減が達成される。
下記の説明には、システムのさらに徹底した説明を提供するために、多数の詳細事項が記載されている。しかしながら、当業者には、開示されたシステムをこれらの具体的な詳細事項なしで実行可能であることが明らかであろう。その他の場合、システムを不要に分かりにくくしないために、周知の特徴については詳細に説明しない。
本発明は、開示される、耐久性を高めたフォトニック結晶センサのハーメチックパッケージングを実施するための二つのアプローチを教示する。これら二つのアプローチは以下の通りである。（１）センサをハーメチックシールするための受動的な繊維位置合わせプロセスを用いてフォトニック結晶センサをパッケージすること、並びに（２）センサをハーメチックシールするための能動的な繊維位置合わせプロセスを用いてフォトニック結晶センサをパッケージすること。後述する図面の説明では、これら二つの異なるアプローチについて記載する。
図１Ａ〜Ｃは、本発明の少なくとも一つの実施形態による、フォトニック結晶に基づくセンサ１３０をハーメチックシールするための、開示される受動的位置合わせプロセスの図１００、１１０、１２０である。これらの図に示される耐久性を高めたフォトニック結晶パッケージングについて、パッケージングには、金属コンポーネント又は非金属コンポーネントが含まれてよいことに注意されたい。また、これら三つの図について、参照番号により識別されるいくつかのアイテムは、金属コンポーネントから製造されるアイテム及び非金属コンポーネントから製造されるアイテムを二重に表していることに注意されたい（例えば、パッケージングが金属コンポーネントを含むとき、アイテム１４０はコバール管を表し、パッケージングが非金属コンポーネントを含むとき、アイテム１４０はセラミック管を表している）。
パッケージングが金属コンポーネントを含むとき、プロセス開始時に、フォトニック結晶に基づくセンサチップ１３０を、コバール管１４０の直径と壁厚とに一致するドーナツパターン（図示しない）を用いて金属化することにより、コバール管１４０の端部にセンサチップ１３０をはんだ付けしてセンサチップアセンブリ１７０を形成することが可能となる。このような局部はんだ付けのために、無線周波数（ＲＦ）誘導加熱が使用される。三軸ステージ及び顕微鏡が、コバール管１４０の中心軸に合わせてセンサチップ１３０をセンタリングするために使用される。
次いで、金属フェルール１５０と金属化された繊維１６０とは、フェルール１５０の内部に繊維１６０をはんだ付けすることによりアセンブルされる。次いで、センサチップアセンブリ１７０のコバール管１４０内部にフェルール１５０が挿入される。センサチップ１３０を取り付けたコバール管１４０は、センサチップ１３０に対して繊維１６０の端部を位置合わせするための三軸ステージを用いてフェルールの光ファイバ１６０に対して位置合わせされる。センサチップ１３０が繊維１６０に対して正確に位置合わせされたら、ＲＦ誘導加熱及びドーナツ形状のはんだプリフォーム１８０を用いてフェルール１５０の外径の一部をコバール管１４０の内径の一部にはんだ付けする。
パッケージングが非金属コンポーネントを含むとき、プロセス開始時に、フォトニック結晶に基づくセンサチップ１３０を、セラミック管１４０の直径と壁厚とに一致するガラスはんだドーナツパターン（図示しない）を用いてコーティングすることにより、セラミック管１４０の端部にセンサチップ１３０をはんだ付けしてセンサチップアセンブリ１７０を形成することが可能となる。このようなはんだ付けプロセスのはんだガラスに局部熱的加熱を使用することができる。三軸ステージ及び顕微鏡が、セラミック管１４０の中心軸に合わせてセンサチップ１３０をセンタリングするために使用される。
センサチップ１３０がセラミック管１４０の端部にはんだ付けされたら、はんだガラスを用いてフェルール１５０の内部に繊維１６０を取り付けることにより、セラミックフェルール１５０と光ファイバ１６０とがアセンブルされる。次いで、センサチップアセンブリ１７０のセラミック管１４０内部にフェルール１５０が挿入される。センサチップ１３０を取り付けたセラミック管１４０は、センサチップ１３０に対して繊維１６０の端部を位置合わせするための三軸ステージを用いて、フェルールの光ファイバ１６０に位置合わせされる。センサチップ１３０が繊維１６０に対して正確に位置合わせされたら、局部熱的加熱及びドーナツ形状のガラスはんだプリフォーム１８０を用いてフェルール１５０の外径の一部をセラミック管１４０の内径の一部にはんだ付けする。
図２Ａ〜２Ｂは、本発明の少なくとも一つの実施形態による、フォトニック結晶に基づくセンサ２２０をハーメチックシールするための、開示される能動的位置合わせプロセスの図２００、２１０である。図１Ａ〜１Ｃと同様に、これらの図のパッケージングは、金属コンポーネント又は非金属コンポーネントを含むことができる。さらに、図１Ａ〜１Ｃと同様に、これらの図において参照番号により識別されるいくつかのアイテムは、金属コンポーネントから製造されたアイテムと、非金属コンポーネントから製造されたアイテムとを二重に意味する。
具体的には、図２Ａ〜２Ｂは、航空宇宙の分野において多モード繊維２３０への取り付けのために能動的な繊維位置合わせ技術を使用する、本発明のハーメチックシールされたフォトニック結晶センサ２２０を示している。このようなアプローチにより、フォトニック結晶センサ２２０に対する光ファイバ２３０の精度の高い能動的位置合わせが重要となるフォトニック結晶センサのパッケージングプロセスが提供される。これらの図に示すように、このアプローチは、一体化された二つのスノート２５０、２６０（ノーズ管ともよぶ）を有するパッケージ本体２４０において開始される。パッケージ本体２４０の前側に位置するスノート２５０（すなわち前方スノート２５０）は、パッケージ本体２４０に対して、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）フォトニック結晶センサ２２０を取り付けるためのものであり、パッケージ本体２４０の後ろ側に位置するスノート２６０（すなわち後方スノート２６０）は、パッケージ本体２４０に対して、光ファイバ２３０を取り付けるためのものである。
パッケージ本体２４０の内部には、フォトニック結晶センサ２２０に対する繊維２３０の能動的位置合わせが行われた後で光ファイバ２３０をパッケージ本体２４０に取り付けるために使用される繊維受台２７０がある。この特定の取り付けプロセスは、「ファイバロッキング」プロセスと呼ばれ、フォトニック結晶センサ２２０に対して光学的に位置合わせされたその最適位置に、繊維２３０をロックするための重要なステップである。パッケージ本体２４０の頂部には蓋２８０があり、この蓋は、繊維２３０の位置合わせ、パッケージ受台２７０への取り付け、及びパッケージ壁部の後方スノート２７０の位置への繊維のシールが完了した後、パッケージ本体２４０の最終的なシールに使用される。金属のパッケージングが可能なセンサ用途の場合、パッケージ本体２４０及び蓋２８０は金メッキされたコバールから作製される。金属の使用が可能でないセンサの用途の場合（例えば、燃料センサ及び／又は爆発性ガスセンサの場合）、パッケージ本体２４０及び蓋２８０はアルミナ又は窒化アルミニウム（ＡＩＮ）といったセラミックスから製造される。図２Ａ〜２Ｂのパッケージングプロセスの詳細について後述する。
プロセス開始時に、ＳＯＩセンサ２２０がパッケージ本体２４０の前方スノート２５０に取り付けられる。金属パッケージングの場合、鉛すず（ＰｂＳｎ）はんだ又は金すず（ＡｕＳｎ）はんだといった高温はんだを用いることにより、ＳＯＩセンサ２２０が前方スノート２２０に取り付けられる。セラミックパッケージングの場合、高温はんだガラス又はエポキシを用いることにより、ＳＯＩセンサ２２０が前方スノート２５０に取り付けられる。このような取り付けプロセスは、前方スノート２５０の中心に対してセンサ２２０を大雑把に位置合わせすることになり、これにより後続の精密な能動的繊維位置合わせのためのステップが容易になる。前方スノート２５０の外周の大きさと形状とに一致するプレ金属化パターンが、センサ２２０上に形成される。センサ２２０に対するスノート２５０外周の高温はんだ付けは、セルフアラインメントはんだ付けプロセスにより達成される。セルフアラインメントプロセスでは、はんだのリフローの表面張力を利用して、はんだが固化するときに前方スノートの中心軸に対してセンサ２２０の中心を自動的に位置合わせする。非金属パッケージングの場合、前方スノート２５０にセンサ２２０をシールするために、前方スノート２５０の直径に一致する円形の高温はんだガラスプリフォームが使用される。センサ２２０の側壁を保護するために、前方スノートの外表面に対してミリタリーグレードのエポキシ２５５の追加層が添加され、この追加層はまた、前方スノートに対するセンサ２２０の取り付けを強化する。
次に、パッケージ本体２４０の後方スノート２６０を通して光ファイバ２３０がパッケージ本体２４０に挿入される。金属パッケージングの場合、繊維２３０は、パッケージ本体２４０の内部で受台２７０に繊維２３０をはんだ接合するために部分的に金属化される。セラミックパッケージングの場合、繊維の金属化は必要でない。さらに、セラミックパッケージングの場合、光ファイバ２３０は、振動の大きな環境において使用される繊維２３０の先端部分を強化するために、セラミックフェルール２９０へ取り付けることもできる。繊維２３０へのフェルール２９０の取り付けは、金属はんだを用いずに、高温エポキシ又ははんだガラスにより行われる。センサ２２０に対する繊維２３０の能動的位置合わせは、高精度三次元マイクロポジショナ（図示しない）に取り付けられた繊維ピンセット（図示しない）を用いて繊維２３０を保持することにより達成される。センサ２２０表面を照射する繊維２３０への光信号を入力することにより繊維２３０をその最適位置に移動させ、繊維位置合わせプロセスの間にセンサ２２０からの反射スペクトルを観察する。繊維２３０がセンサ２２０に対してその最適位置に能動的に位置合わせされたら、センサ２２０の目的とする用途に応じて高温はんだ、はんだガラス、又はエポキシにより、（フェルール２９０と共に又はフェルール２９０無しで）繊維２２０を繊維受台２７０上に「ロック」する。燃料センサの用途の場合、金属高温はんだの代わりに、高温はんだガラス又はエポキシが使用される。
繊維２３０がロックされたら、繊維２３０がパッケージ本体２４０の後方スノート２６０にシールされる。金属パッケージングの場合、パッケージ２４０の壁に繊維２３０をハーメチックシールするために、後方スノートの近くのパッケージ２４０の壁の位置において、金／ニッケル（Ａｕ／Ｎｉ）の層２４５を用いて繊維２３０を短い区間にわたってプレコーティングする。金属パッケージ２４０の壁に対してこのような金属化された繊維２３０をシールするプロセスは、後方スノートに適用される局部ＲＦ誘導炉又は高温熱ピンセットヒータにより加熱されたはんだプリフォームを用いて達成される。非金属（セラミック）パッケージングの場合、パッケージ２４０に対する繊維２３０のシールは、非導電性はんだガラスプリフォームを溶融させることにより、又は繊維とパッケージ壁部との結合部分２６５に高温エポキシを導入することにより行われる。
繊維２３０がパッケージ２４０の壁部にシールされたら、後方スノート２６０の内部空洞２９７を充填するために追加エポキシを適用し、スノート２６０内部に部分的に埋設された繊維２３０のピグテールの外被（すなわち、繊維外被）２９２を用いてエポキシを硬化させ、歪みを解放する。繊維ブーツ２９５は、完全に硬化した宇宙グレードのエポキシにより繊維２３０のピグテールを覆うように後方スノート２６０に取り付けられる。硬化したエポキシ内部に確実に気泡を残さないように、追加ステップが実施される。繊維ブーツ２９５の機能は、繊維２３０のピグテールの屈曲を、その許容屈曲半径を超えないように制限することである。これにより、パッケージ本体２４０の後方スノート２６０における繊維２３０の破損が防止される。
繊維２３０ピグテールが取り付けられたら、パッケージ全体２０５（すなわち、センサ２２０、繊維２３０、繊維受台２７０、光学フェルール２９０、繊維外被２９２、及び繊維ブーツ２９５を含むパッケージ本体２４０）を、窒素パージした継目シーラ（ドライボックスともよぶ）内部に配置する。パッケージ全体２０５は、まず、ガス抜きのために数時間にわたって加熱される。パッケージ全体が完全にガス抜きされたら、パッケージ本体２４０の頂部上に蓋２８０がシーるされる。金属パッケージングの場合、金属（例えばコバール）の蓋２８０は、一対の自動回転ヒータにより、パッケージ本体２４０の上縁に対して高温でシールされる。パッケージ本体２４０は、まず、蓋のシーリングプロセスの間に九十（９０）度回転可能な台の上に配置される。次に、金属蓋２８０がパッケージ本体２４０の頂部に配置される。一対の回転ヒータ（図示しない）は、まず、パッケージの蓋２８０の二つの平行な縁に接触する。次いでローラが加熱されて第１の二つの平行な蓋の縁に沿って回転し、蓋２８０をパッケージ本体２４０にシールする。次いで、パッケージ本体２４０が９０度回転してローラが加熱プロセスを繰り返すことにより、パッケージ本体２４０の蓋２８０の他の二つの平行な縁がシールされる。一対の回転ヒータを用いたこのようなパッケージに対する蓋のシーリングプロセスは、「平行継目溶接プロセス」ともよばれる。非金属パッケージングの場合、蓋２８０はセラミック材料から作製され、パッケージ本体２４０の上縁の外周に一致するはんだガラスプリフォームがパッケージ本体２４０の上縁に配置される。次に、金属蓋２８０がはんだガラスプリフォームの頂部に配置される。一対の回転ヒータは、金属パッケージングについて記載したプロセスと同様の平行継目溶接を実行するが、但しヒータローラの温度ははんだガラスの溶融温度に設定される。
平行継目シーリングプロセスが完了したら、ヘリウムリークテスタを用いて気密性についてパッケージ全体２０５を試験する。一般に、約１Ｅ−６ｃｃ／分未満のリーク率が、許容可能なハーメチックなフォトニック結晶センサパッケージと考えられる。
図３は、本発明の少なくとも一つの実施形態による、金属コンポーネントを用いてフォトニック結晶に基づくセンサをハーメチックシールするための、開示される受動的位置合わせプロセスのフロー図３００である。プロセスの開始３１０時に、ドーナツパターンを用いてセンサチップを金属化する３２０。ドーナツパターンはコバール管の直径と壁厚とに一致する。次いで、コバール管の端部の中心軸に合わせてセンサチップをセンタリングする３３０。センサチップをセンタリングした後、コバール管の端部にセンサチップをはんだ付けすることによりセンサチップアセンブリを形成する３４０。
繊維を金属化する３５０。次いで、金属フェルールの内部に金属化した繊維をはんだ付けすることにより、金属フェルールと金属化した繊維とをアセンブルする３６０。金属化した繊維をはんだ付けした後、金属フェルールをセンサチップアセンブリ３７０のコバール管の内部に挿入する３７０。次いで、センサチップアセンブリのセンサチップに対して金属化した繊維の端部を位置合わせする３８０。金属化した繊維を位置合わせした後、金属フェルールの外表面の少なくとも一部を、センサチップアセンブリのコバール管の内表面の一部にはんだ付けする３９０。金属フェルールの外表面がコバール管の内表面の少なくとも一部にはんだ付けされると、プロセスは終了する３９５。
図４は、本発明の少なくとも一つの実施形態による、非金属コンポーネントを用いてフォトニック結晶に基づくセンサをハーメチックシールするための、開示される受動的位置合わせプロセスのフロー図４００である。プロセスの開始４１０時に、ガラスはんだドーナツパターンを用いてセンサチップをコーティングする４２０。ガラスはんだドーナツパターンはセラミック管の直径と壁厚とに一致する。次いで、セラミック管の端部の中心軸に合わせてセンサチップをセンタリングする４３０。センサチップをセンタリングした後、セラミック管の端部にセンサチップをはんだ付けすることによりセンサチップアセンブリを形成する４４０。
次いで、セラミックフェルールの内部に繊維をはんだ付けすることにより、セラミックフェルールと繊維とをアセンブルする４５０。繊維をはんだ付けした後、センサチップアセンブリのセラミック管の内部にセラミックフェルールを挿入する４６０。次いで、センサチップアセンブリのセンサチップに対して繊維の端部を位置合わせする４７０。繊維を位置合わせした後、セラミックフェルールの外表面の少なくとも一部を、センサチップアセンブリのセラミック管の内表面の少なくとも一部にはんだ付けする４８０。セラミックフェルールの外表面がセラミック管の内表面の少なくとも一部にはんだ付けされると、プロセスは終了する４９０。
図５は、本発明の少なくとも一つの実施形態による、金属又は非金属コンポーネントを用いてフォトニック結晶に基づくセンサをハーメチックシールするための、開示される能動的位置合わせプロセスのフロー図５００である。プロセスの開始５０５時に、センサチップをパッケージ本体の前方スノートの端部にシールする５１０。次いで、後方スノートの端部を通してパッケージ本体に繊維を挿入する５１５。次いで、センサチップに対して繊維の端部を位置合わせする５２０。繊維の端部を位置合わせした後、パッケージ本体の内部に位置する繊維受台に繊維をロックする５２５。次いで、パッケージ本体の後方スノートの端部に繊維をシールする５３０。
次いで、センサチップに位置合わさせされた繊維の端部とは反対側の端部に繊維外被を適用する。この場合、繊維外被の一部はパッケージ本体の後方スノートの内部に位置している５３５。次いで、後方スノートの内部空洞をシールする５４０。次いで、後方スノートの端部と、繊維外被の少なくとも一部とに、繊維ブーツを取り付ける５４５。次いで、パッケージ本体、センサチップ、繊維、繊維受台、繊維外被、及び繊維ブーツからガスを抜く５５０。ガス抜きを行ったら、パッケージ本体の頂部側に蓋をシールする５５５。蓋がパッケージ本体にシールされたら、プロセスは終了する５６０。
特定の例示的実施形態及び方法を本明細書に開示したが、前述の開示内容から、当業者には、本発明の精神及び範囲から逸脱することなくこのような実施形態及び方法に変更及び修正を加えることが可能であることは明らかであろう。その他多数の本発明の実施例があり、各実施例はその詳細事項においてのみ他と異なる。したがって、本発明は特許請求の範囲及び適用法の規則及び原理によって必要とされる範囲にのみ制限される。
１００、１１０、１２０ 受動的位置合わせプロセスの図
１３０ センサチップ
１４０ コバール管、セラミック管
１５０ 金属フェルール、セラミックフェルール
１６０ 繊維
１７０ センサチップアセンブリ
１８０ はんだプリフォーム
２００、２１０ 能動的位置合わせの図
２０５ パッケージ全体
２２０ センサチップ
２３０ 繊維
２４０ パッケージ本体
２４５ プレコーティング層
２５０ 前方スノート
２５５ エポキシ
２６０ 後方スノート
２６５ 繊維とパッケージとの結合部分
２７０ 繊維受台
２８０ 蓋
２９０ フェルール
２９２ 繊維外被
２９５ 繊維ブーツ
２９７ 内部空洞

Claims (10)

  1. フォトニック結晶センサであるセンサチップ（２２０）のハーメチックシール方法であって、
    パッケージ本体（２４０）の前方スノート（２５０）の端部にセンサチップ（２２０）をシールすることと、
    フェルールの内部に繊維（２３０）をはんだ付けすることにより、フェルールと繊維（２３０）をアセンブルすることと、
    パッケージ本体（２４０）の後方スノート（２６０）の開口を通してパッケージ本体（２４０）に繊維（２３０）を有するフェルールを挿入することと、
    センサチップ（２２０）に対して繊維（２３０）の端部を位置合わせすることと、
    パッケージ本体（２４０）の内部に位置する繊維受台（２７０）上に繊維（２３０）を有するフェルールをロックすることと、
    パッケージ本体（２４０）の後方スノート（２６０）の端部に繊維（２３０）をシールすることと、
    センサチップ（２２０）に位置合わさせされた繊維（２３０）の端部とは反対側の端部に繊維外被（２９２）を適用することであって、繊維外被（２９２）の一部がパッケージ本体（２４０）の後方スノート（２６０）の内部に位置していることと、
    後方スノート（２６０）の内部空洞をシールすることと、
    後方スノート（２６０）の端部と繊維外被（２９２）の少なくとも一部とに繊維ブーツ（２９５）を取り付けることと、
    パッケージ本体（２４０）、センサチップ（２２０）、繊維（２３０）、繊維受台（２７０）、繊維外被（２９２）、及び繊維ブーツ（２９５）をガス抜きすることと、
    パッケージ本体（２４０）の頂部側に蓋をシールすることと
    を含む方法。
  2. 前方スノート（２５０）にセンサチップ（２２０）をシールすることが、はんだのリフローの表面張力を利用して、はんだが冷却されて固化するときに前方スノート（２５０）の中心軸に合わせてセンサチップ（２２０）を自動的にセンタリングするセルフアラインメントプロセスにより達成される、請求項１に記載の方法。
  3. 少なくとも部分的に繊維（２３０）を金属化することをさらに含む、請求項１又は２に記載の方法。
  4. 前方スノート（２５０）の端部に対してセンサチップ（２２０）をシールすることが、高温はんだを使用すること、及び前方スノート（２５０）の端部の外周の大きさと形状とに一致するパターンを用いてセンサチップ（２２０）を金属化することにより達成される、請求項１ないし３のいずれか一項に記載の方法。
  5. 高温はんだが鉛すず（ＰｂＳｎ）はんだ及び金すず（ＡｕＳｎ）はんだの少なくとも一方である、請求項４に記載の方法。
  6. ミリタリーグレードのエポキシからなる保護層を前方スノート（２５０）の外表面に適用することにより、センサチップ（２２０）の側壁を保護し、前方スノート（２５０）に対するセンサチップ（２２０）のシールを強化すること
    をさらに含み、
    高温はんだを使用して、繊維受台（２７０）上に繊維（２３０）を有するフェルールをロックし、且つはんだプリフォームを使用して、後方スノート（２６０）の端部に繊維をシールする、
    請求項１に記載の方法。
  7. ハーメチックシールされた、フォトニック結晶センサであるセンサチップ（２２０）を有するパッケージであって、
    センサチップ（２２０）にシールされた前方スノート（２５０）の端部を有するパッケージ本体（２４０）と、
    繊維（２３０）と、
    フェルールであって、当該フェルールの内部に繊維（２３０）をはんだ付けすることにより、繊維（２３０）とアセンブルされ、パッケージ本体（２４０）の後方スノート（２６０）の開口を通してパッケージ本体（２４０）に挿入された、フェルールと、
    センサチップ（２２０）に対して位置合わせされた繊維（２３０）の端部であって、繊維（２３０）を有するフェルールがパッケージ本体（２４０）内部に位置する繊維受台（２７０）上にロックされており、且つ繊維（２３０）がパッケージ本体（２４０）の後方スノート（２６０）の端部にシールされている繊維（２３０）の端部と、
    センサチップ（２２０）に対して位置合わさせされた繊維（２３０）の端部とは反対側の端部に適用された繊維外被（２９２）であって、部分的にパッケージ本体（２４０）の後方スノート（２６０）の内部に位置している繊維外被（２９２）と、
    後方スノート（２６０）でシールされた内部空洞と、
    後方スノート（２６０）の端部及び繊維外被（２９２）の少なくとも一部に取り付けられた繊維ブーツ（２９５）であって、パッケージ本体（２４０）、センサチップ（２２０）、繊維（２３０）、繊維受台（２７０）、繊維外被（２９２）、及び繊維ブーツ（２９５）のガス抜きが済んでいる繊維ブーツ（２９５）と、
    パッケージ本体（２４０）の頂部側にシールされた蓋と
    を備えるパッケージ。
  8. はんだのリフローの表面張力を利用して、はんだが冷却されて固化するときに前方スノート（２５０）の中心軸に合わせてセンサチップ（２２０）を自動的にセンタリングするセルフアラインメントプロセスにより、前方スノート（２５０）の端部がセンサチップ（２２０）でシールされている、請求項７に記載のパッケージ。
  9. 繊維（２３０）が少なくとも部分的に金属化され、
    センサチップ（２２０）による前方スノート（２５０）の端部のシールが、高温はんだを使用することにより、及び前方スノート（２５０）の端部の外周の大きさと形状とに一致するセンサチップ（２２０）上の金属化パターンにより、達成されており、且つ
    高温はんだが鉛すず（ＰｂＳｎ）はんだ及び金すず（ＡｕＳｎ）はんだの少なくとも一方である、
    請求項７に記載のパッケージ。
  10. センサチップ（２２０）の側壁を保護し、センサチップ（２２０）に対する前方スノート（２５０）のシールを強化するために、前方スノート（２５０）の外表面に適用されたミリタリーグレードのエポキシからなる保護層
    をさらに備えている、請求項７ないし９のいずれか一項に記載のパッケージ。
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