一种可实现IGBT内部准分布式温度检测的光子传感器的制作方法
本发明涉及光传感测温，具体涉及一种可实现igbt内部准分布式温度检测的光子传感器。
背景技术：
1、功率半导体器件是电力电子系统的重要组成部分，在轨道交通、智能电网、航空航天、电动汽车及新能源装备等领域有着广泛的应用。绝缘栅双极型晶体管(insulationgate bipolar transistor，igbt)模块作为应用最广泛的功率半导体器件之一，长时间工作在严苛条件下，容易受到环境热应力而发生损坏。
2、研究表明，功率半导体器件的结温是直接影响功率半导体器件运行可靠性的最为关键的物理量，igbt模块的老化与结温直接相关，结温变化会导致焊料层和键合线发生老化。对于包含数十个芯片的大功率igbt模块，其结构整体密闭并且长期运行于复杂的耦合物理场中，难以实现对igbt模块内部芯片结温的准确测量，并且目前常用的换流阀监测技术无法实现过程数据的监测，限制了设备或关键部件长期运行的可靠性评估，所以对igbt模块运行过程中关键部件结温实时监测尤为重要。
3、在大功率半导体功率器件内部多点位温度测量实例中，有使用串联型光纤光栅传感器来监测igbt模块内部温度的情况，但因为光纤本身脆弱，长时间运行过程中容易出现因偏移而导致的损伤，对测量点位的选择灵活度较低，若要实现多点位测量则需更多接口和测量空间。
技术实现思路
1、有鉴于此，本发明提供一种可实现igbt内部准分布式温度检测的光子传感器。
2、所采用的技术方案具体如下：
3、一种可实现igbt内部准分布式温度检测的光子传感器，包括绝缘接口、主信道波导、以及至少一个光子传感组件，所述光子传感组件包括微环谐振腔、单模光纤和光子芯片，各所述微环谐振腔与所述主信道波导耦合，且各所述微环谐振腔与对应的单模光纤耦合，所述单模光纤连接所述光子芯片。
4、在一个具体实施例中，所述主信道波导设置有用于与各所述微环谐振腔进行耦合的弯曲波导。
5、在一个具体实施例中，所述微环谐振腔包括第一微环、第二微环和输出波导，所述第一微环与所述主信道波导耦合，所述第一微环与所述第二微环耦合，所述第二微环与所述输出波导耦合，所述输出波导连接所述单模光纤。
6、在一个具体实施例中，所述光子芯片包括端面耦合器、矩形波导和波导光栅，所述单模光纤连接所述端面耦合器的一端，所述端面耦合器的另一端通过所述矩形波导连接所述波导光栅。
7、在一个具体实施例中，所述波导光栅的类型为布拉格光栅，设定光栅占空比为0.5，刻蚀深度为25nm，光栅周期数为1000。
8、在一个具体实施例中，所述矩形波导包括硅衬底、二氧化硅包层和波导芯层，所述硅衬底的厚度为1mm，宽度为2mm，长度为5mm；所述二氧化硅包层的厚度为4.51μm，折射率为1.4447；所述波导芯层所用材料为si，厚度为0.51μm，折射率为3.5457。
9、在一个具体实施例中，所述光子芯片还包括封装用材料，所述端面耦合器、矩形波导和波导光栅通过封装工艺被保护在所述封装用材料内以构成所述光子芯片。
10、在一个具体实施例中，所述端面耦合器划分为四个区域：trench区、倒锥形耦合区、汇聚区和直波导缓冲区，所述trench区用于减少端面耦合器与单模光纤的插入损耗，光经过trench区后依次进入倒锥形耦合区和汇聚区后进入直波导缓冲区，最后通过矩形波导给到所述波导光栅。
11、在一个具体实施例中，所述trench区、倒锥形耦合区、汇聚区和直波导缓冲区的芯层波导厚度均为0.51μm，所述倒锥形耦合区的长度为392μm，所述倒锥形耦合区的靠近所述trench区的一端的波导宽度为510nm，所述倒锥形耦合区的出口宽度为120nm，所述倒锥形耦合区的包层厚度为42μm，所述汇聚区的包层厚度从42μm减小至4.45μm，所述trench区、倒锥形耦合区、汇聚区和直波导缓冲区的包层材料均为二氧化硅。
12、在一个具体实施例中，所述端面耦合器、矩形波导和波导光栅共同在基板上刻蚀构成光波导结构，所述光波导结构的长度为5mm，宽度为2mm，厚度为1.9mm。
13、本发明至少具有如下有益效果：本发明提供的一种可实现igbt内部准分布式温度检测的光子传感器，通过设置光子传感组件的数量，结合微环谐振腔实现波分复用，实现了狭窄空间下同时测量多个点位的准分布式网络拓扑，极大程度降低了igbt外部接口数目，提高了整个系统的灵活性及实用性，更能符合工程安全需求；优选的微环谐振腔具有解复用和复用的功能，且设计灵活可根据实际需求的igbt内部温度检测点位个数设计不同结构的网络拓扑结构，且相比于其他复用器也具有成本低、集成度高、串扰低、输出平坦等特点。
技术特征：
1.一种可实现igbt内部准分布式温度检测的光子传感器，其特征在于，包括绝缘接口、主信道波导、以及至少一个光子传感组件，所述光子传感组件包括微环谐振腔、单模光纤和光子芯片，各所述微环谐振腔与所述主信道波导耦合，且各所述微环谐振腔与对应的单模光纤耦合，所述单模光纤连接所述光子芯片。
2.根据权利要求1所述的一种可实现igbt内部准分布式温度检测的光子传感器，其特征在于，所述主信道波导设置有用于与各所述微环谐振腔进行耦合的弯曲波导。
3.根据权利要求1所述的一种可实现igbt内部准分布式温度检测的光子传感器，其特征在于，所述微环谐振腔包括第一微环、第二微环和输出波导，所述第一微环与所述主信道波导耦合，所述第一微环与所述第二微环耦合，所述第二微环与所述输出波导耦合，所述输出波导连接所述单模光纤。
4.根据权利要求1所述的一种可实现igbt内部准分布式温度检测的光子传感器，其特征在于，所述光子芯片包括端面耦合器、矩形波导和波导光栅，所述单模光纤连接所述端面耦合器的一端，所述端面耦合器的另一端通过所述矩形波导连接所述波导光栅。
5.根据权利要求4所述的一种可实现igbt内部准分布式温度检测的光子传感器，其特征在于，所述波导光栅的类型为布拉格光栅，设定光栅占空比为0.5，刻蚀深度为25nm，光栅周期数为1000。
6.根据权利要求4所述的一种可实现igbt内部准分布式温度检测的光子传感器，其特征在于，所述矩形波导包括硅衬底、二氧化硅包层和波导芯层，所述硅衬底的厚度为1mm，宽度为2mm，长度为5mm；所述二氧化硅包层的厚度为4.51μm，折射率为1.4447；所述波导芯层所用材料为si，厚度为0.51μm，折射率为3.5457。
7.根据权利要求4所述的一种可实现igbt内部准分布式温度检测的光子传感器，其特征在于，所述光子芯片还包括封装用材料，所述端面耦合器、矩形波导和波导光栅通过封装工艺被保护在所述封装用材料内以构成所述光子芯片。
8.根据权利要求4所述的一种可实现igbt内部准分布式温度检测的光子传感器，其特征在于，所述端面耦合器划分为四个区域：trench区、倒锥形耦合区、汇聚区和直波导缓冲区，所述trench区用于减少端面耦合器与单模光纤的插入损耗，光经过trench区后依次进入倒锥形耦合区和汇聚区后进入直波导缓冲区，最后通过矩形波导给到所述波导光栅。
9.根据权利要求8所述的一种可实现igbt内部准分布式温度检测的光子传感器，其特征在于，所述trench区、倒锥形耦合区、汇聚区和直波导缓冲区的芯层波导厚度均为0.51μm，所述倒锥形耦合区的长度为392μm，所述倒锥形耦合区的靠近所述trench区的一端的波导宽度为510nm，所述倒锥形耦合区的出口宽度为120nm，所述倒锥形耦合区的包层厚度为42μm，所述汇聚区的包层厚度从42μm减小至4.45μm，所述trench区、倒锥形耦合区、汇聚区和直波导缓冲区的包层材料均为二氧化硅。
10.根据权利要求4所述的一种可实现igbt内部准分布式温度检测的光子传感器，其特征在于，所述端面耦合器、矩形波导和波导光栅共同在基板上刻蚀构成光波导结构，所述光波导结构的长度为5mm，宽度为2mm，厚度为1.9mm。
技术总结
本发明涉及一种可实现IGBT内部准分布式温度检测的光子传感器，包括绝缘接口、主信道波导、以及至少一个光子传感组件，光子传感组件包括微环谐振腔、单模光纤和光子芯片，各微环谐振腔与主信道波导耦合，各微环谐振腔通过耦合的单模光纤与光子芯片相连接。通过设置光子传感组件的数量，结合微环谐振腔实现波分复用，实现了狭窄空间下同时测量多个点位的准分布式网络拓扑，极大程度降低了IGBT外部接口数目，提高了整个系统的灵活性及实用性，更能符合工程安全需求；可根据实际需求的IGBT内部温度检测点位个数设计不同结构的网络拓扑结构，且相比于其他复用器也具有成本低、集成度高、串扰低、输出平坦等特点。
技术研发人员：查鲲鹏,张锦龙,李天琦,栾洪洲,古振宏,柴斌,王圆鑫,许达,袁创,郭宇豪
受保护的技术使用者：中电普瑞电力工程有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5