[发明专利]光纤热敏器件及其制造方法

说明书

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。