本發(fā)明涉及光傳感應(yīng)用，具體涉及一種適用于功率半導(dǎo)體器件內(nèi)部測溫的光子芯片溫度傳感器。

背景技術(shù)：

1、隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，功率半導(dǎo)體開關(guān)器件在工業(yè)、交通、能源等多個領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。這些器件，如晶閘管、電力晶體管(giant?transistor，gtr)，絕緣柵場效應(yīng)管(mosfet，mos)以及用于電壓控制電流全控型電力電子器件絕緣柵雙極晶體管(insulated?gate?bipolar?transistor，igbt)，在高效能電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。然而，隨著工作頻率的提高和集成度的增加，器件在運行過程中產(chǎn)生的熱量也隨之增多，這使得溫度特性變得尤為重要。高溫不僅會直接影響器件的性能，比如增加導(dǎo)通電阻、減慢開關(guān)速度，還可能加速材料的老化，縮短器件的使用壽命。

2、此外傳統(tǒng)的測量方式主要是通過測量散熱器的溫度或根據(jù)功率半導(dǎo)體和二極管的熱阻進行計算的測量方法，此類方法為間接測量法，容易產(chǎn)生誤差的同時也容易受到大電流、大電壓的影響，從而降低了測量系統(tǒng)的可靠性和安全性。因此，深入研究和優(yōu)化大功率半導(dǎo)體開關(guān)器件的溫度特性，對于提升電力電子設(shè)備的整體可靠性和效率，以及減少維護成本都具有重要意義。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明提供一種適用于功率半導(dǎo)體器件內(nèi)部測溫的光子芯片溫度傳感器。

2、所采用的技術(shù)方案具體如下：

3、一種適用于功率半導(dǎo)體器件內(nèi)部測溫的光子芯片溫度傳感器，包括絕緣接口、單模光纖、端面耦合器和光子芯片，所述絕緣接口包括接口主體、接口底座和光纖連接口，所述光子芯片包括波導(dǎo)光柵，所述接口主體和光纖連接口由所述接口底座連接，所述光纖連接口連接所述單模光纖的一端，所述單模光纖的另一端通過所述端面耦合器連接所述波導(dǎo)光柵。

4、在一個實施例中，所述波導(dǎo)光柵是芯層厚度為6μm，折射率為3.5457的si光柵，且所述波導(dǎo)光柵的類型為布拉格光柵，設(shè)定光柵占空比為0.5，刻蝕深度為25nm，光柵周期數(shù)為1000。

5、在一個實施例中，所述光子芯片還包括封裝用材料，所述波導(dǎo)光柵通過封裝工藝被保護在所述封裝用材料內(nèi)以構(gòu)成所述光子芯片。

6、在一個實施例中，所述端面耦合器劃分為四個區(qū)域：trench區(qū)、倒錐形耦合區(qū)、匯聚區(qū)和直波導(dǎo)緩沖區(qū)，所述trench區(qū)用于減少端面耦合器與單模光纖的插入損耗，光經(jīng)過trench區(qū)后依次進入倒錐形耦合區(qū)和匯聚區(qū)后進入直波導(dǎo)緩沖區(qū)，然后連接所述波導(dǎo)光柵。

7、在一個實施例中，所述trench區(qū)、倒錐形耦合區(qū)、匯聚區(qū)和直波導(dǎo)緩沖區(qū)的芯層波導(dǎo)厚度均為0.51μm，所述倒錐形耦合區(qū)的長度為392μm，所述倒錐形耦合區(qū)的靠近所述trench區(qū)的一端的波導(dǎo)寬度為510nm，所述倒錐形耦合區(qū)的出口寬度為120nm，所述倒錐形耦合區(qū)的包層厚度為42μm，所述匯聚區(qū)的包層厚度從42μm減小至4.45μm，所述trench區(qū)、倒錐形耦合區(qū)、匯聚區(qū)和直波導(dǎo)緩沖區(qū)的包層材料均為二氧化硅。

8、在一個實施例中，所述端面耦合器和光子芯片共同在基板上刻蝕構(gòu)成光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，所述光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)包括硅襯底、二氧化硅包層和波導(dǎo)芯層，所述硅襯底的厚度為1mm，寬度為2mm，長度為5mm；所述二氧化硅包層的厚度為4.51μm，折射率為1.4447；所述波導(dǎo)芯層所用材料為si，厚度為0.51μm，折射率為3.5457。

9、在一個實施例中，所述光纖連接口中內(nèi)嵌有c型陶瓷套管，用于單模光纖接入后的固定。

10、在一個實施例中，所述單模光纖是apc光纖，用于減小端面反射，使用聚酰亞胺作為涂覆層，用于提高光纖耐高溫的特性。

11、在一個實施例中，所述接口主體的側(cè)壁相對兩側(cè)各設(shè)置有一個接口卡口來做過盈配合。

12、本發(fā)明至少具有如下有益效果：本發(fā)明提供的一種適用于功率半導(dǎo)體器件內(nèi)部測溫的光子芯片溫度傳感器，基于光子芯片溫度特性，利用光波導(dǎo)光柵在大功率半導(dǎo)體開關(guān)器件內(nèi)部對結(jié)溫進行精準(zhǔn)實時監(jiān)測，光子芯片溫度傳感器的結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、可單片集成，封裝后結(jié)構(gòu)強度較高，易于固定，且在固定時能夠使內(nèi)部波導(dǎo)光柵避免受到外界應(yīng)力的影響，具有更高的測量精度。而且，本發(fā)明提供的一種適用于功率半導(dǎo)體器件內(nèi)部測溫的光子芯片溫度傳感器可以在高溫、高壓、強磁場等特殊環(huán)境下監(jiān)測大功率半導(dǎo)體開關(guān)器件的實時溫度，光路部分使用波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)作為溫度傳感器件，根據(jù)對測溫位置的不同需求，可安裝在不同位置，系統(tǒng)具有較高的靈活性。同時不僅具有光學(xué)傳感器絕緣性好、可直接測量內(nèi)部溫度的優(yōu)勢，相比于傳統(tǒng)光學(xué)溫度檢測方法使用光纖光柵測溫，光子芯片溫度傳感器的強度更高。

技術(shù)特征：

1.一種適用于功率半導(dǎo)體器件內(nèi)部測溫的光子芯片溫度傳感器，其特征在于，包括絕緣接口、單模光纖、端面耦合器和光子芯片，所述絕緣接口包括接口主體、接口底座和光纖連接口，所述光子芯片包括波導(dǎo)光柵，所述接口主體和光纖連接口由所述接口底座連接，所述光纖連接口連接所述單模光纖的一端，所述單模光纖的另一端通過所述端面耦合器連接所述波導(dǎo)光柵。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于功率半導(dǎo)體器件內(nèi)部測溫的光子芯片溫度傳感器，其特征在于，所述波導(dǎo)光柵是芯層厚度為6μm，折射率為3.5457的si光柵，且所述波導(dǎo)光柵的類型為布拉格光柵，設(shè)定光柵占空比為0.5，刻蝕深度為25nm，光柵周期數(shù)為1000。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于功率半導(dǎo)體器件內(nèi)部測溫的光子芯片溫度傳感器，其特征在于，所述光子芯片還包括封裝用材料，所述波導(dǎo)光柵通過封裝工藝被保護在所述封裝用材料內(nèi)以構(gòu)成所述光子芯片。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于功率半導(dǎo)體器件內(nèi)部測溫的光子芯片溫度傳感器，其特征在于，所述端面耦合器劃分為四個區(qū)域：trench區(qū)、倒錐形耦合區(qū)、匯聚區(qū)和直波導(dǎo)緩沖區(qū)，所述trench區(qū)用于減少端面耦合器與單模光纖的插入損耗，光經(jīng)過trench區(qū)后依次進入倒錐形耦合區(qū)和匯聚區(qū)后進入直波導(dǎo)緩沖區(qū)，然后連接所述波導(dǎo)光柵。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的適用于功率半導(dǎo)體器件內(nèi)部測溫的光子芯片溫度傳感器，其特征在于，所述trench區(qū)、倒錐形耦合區(qū)、匯聚區(qū)和直波導(dǎo)緩沖區(qū)的芯層波導(dǎo)厚度均為0.51μm，所述倒錐形耦合區(qū)的長度為392μm，所述倒錐形耦合區(qū)的靠近所述trench區(qū)的一端的波導(dǎo)寬度為510nm，所述倒錐形耦合區(qū)的出口寬度為120nm，所述倒錐形耦合區(qū)的包層厚度為42μm，所述匯聚區(qū)的包層厚度從42μm減小至4.45μm，所述trench區(qū)、倒錐形耦合區(qū)、匯聚區(qū)和直波導(dǎo)緩沖區(qū)的包層材料均為二氧化硅。

6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的適用于功率半導(dǎo)體器件內(nèi)部測溫的光子芯片溫度傳感器，其特征在于，所述端面耦合器和光子芯片共同在基板上刻蝕構(gòu)成光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，所述光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)包括硅襯底、二氧化硅包層和波導(dǎo)芯層，所述硅襯底的厚度為1mm，寬度為2mm，長度為5mm；所述二氧化硅包層的厚度為4.51μm，折射率為1.4447；所述波導(dǎo)芯層所用材料為si，厚度為0.51μm，折射率為3.5457。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于功率半導(dǎo)體器件內(nèi)部測溫的光子芯片溫度傳感器，其特征在于，所述光纖連接口中內(nèi)嵌有c型陶瓷套管，用于單模光纖接入后的固定。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于功率半導(dǎo)體器件內(nèi)部測溫的光子芯片溫度傳感器，其特征在于，所述單模光纖是apc光纖，用于減小端面反射，使用聚酰亞胺作為涂覆層，用于提高光纖耐高溫的特性。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于功率半導(dǎo)體器件內(nèi)部測溫的光子芯片溫度傳感器，其特征在于，所述接口主體的側(cè)壁相對兩側(cè)各設(shè)置有一個接口卡口來做過盈配合。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種適用于功率半導(dǎo)體器件內(nèi)部測溫的光子芯片溫度傳感器，包括絕緣接口、單模光纖、端面耦合器和光子芯片，絕緣接口包括接口主體、接口底座和光纖連接口，光子芯片包括波導(dǎo)光柵，接口主體和光纖連接口由接口底座連接，光纖連接口連接單模光纖的一端，單模光纖的另一端通過端面耦合器連接波導(dǎo)光柵，該光子芯片溫度傳感器可以在高溫、高壓、強磁場等特殊環(huán)境下監(jiān)測大功率半導(dǎo)體開關(guān)器件的實時溫度，根據(jù)對測溫位置的不同需求，可安裝在不同位置，系統(tǒng)具有較高的靈活性。同時不僅具有光學(xué)傳感器絕緣性好，可直接測量內(nèi)部溫度的優(yōu)勢，相比于傳統(tǒng)光學(xué)溫度檢測方法使用光纖光柵測溫，光子芯片溫度傳感器的強度更高。

技術(shù)研發(fā)人員：張錦龍,查鯤鵬,欒洪洲,任孟干,李天琦,汪濤,王圓鑫,古振宏,袁創(chuàng),郭宇豪
受保護的技術(shù)使用者：河南大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9