本發(fā)明涉及光傳感測(cè)溫，具體涉及一種可實(shí)現(xiàn)igbt內(nèi)部準(zhǔn)分布式溫度檢測(cè)的光子傳感器。

背景技術(shù)：

1、功率半導(dǎo)體器件是電力電子系統(tǒng)的重要組成部分，在軌道交通、智能電網(wǎng)、航空航天、電動(dòng)汽車(chē)及新能源裝備等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。絕緣柵雙極型晶體管(insulationgate?bipolar?transistor，igbt)模塊作為應(yīng)用最廣泛的功率半導(dǎo)體器件之一，長(zhǎng)時(shí)間工作在嚴(yán)苛條件下，容易受到環(huán)境熱應(yīng)力而發(fā)生損壞。

2、研究表明，功率半導(dǎo)體器件的結(jié)溫是直接影響功率半導(dǎo)體器件運(yùn)行可靠性的最為關(guān)鍵的物理量，igbt模塊的老化與結(jié)溫直接相關(guān)，結(jié)溫變化會(huì)導(dǎo)致焊料層和鍵合線發(fā)生老化。對(duì)于包含數(shù)十個(gè)芯片的大功率igbt模塊，其結(jié)構(gòu)整體密閉并且長(zhǎng)期運(yùn)行于復(fù)雜的耦合物理場(chǎng)中，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)igbt模塊內(nèi)部芯片結(jié)溫的準(zhǔn)確測(cè)量，并且目前常用的換流閥監(jiān)測(cè)技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)過(guò)程數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)，限制了設(shè)備或關(guān)鍵部件長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性評(píng)估，所以對(duì)igbt模塊運(yùn)行過(guò)程中關(guān)鍵部件結(jié)溫實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)尤為重要。

3、在大功率半導(dǎo)體功率器件內(nèi)部多點(diǎn)位溫度測(cè)量實(shí)例中，有使用串聯(lián)型光纖光柵傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)igbt模塊內(nèi)部溫度的情況，但因?yàn)楣饫w本身脆弱，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過(guò)程中容易出現(xiàn)因偏移而導(dǎo)致的損傷，對(duì)測(cè)量點(diǎn)位的選擇靈活度較低，若要實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)位測(cè)量則需更多接口和測(cè)量空間。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明提供一種可實(shí)現(xiàn)igbt內(nèi)部準(zhǔn)分布式溫度檢測(cè)的光子傳感器。

2、所采用的技術(shù)方案具體如下：

3、一種可實(shí)現(xiàn)igbt內(nèi)部準(zhǔn)分布式溫度檢測(cè)的光子傳感器，包括絕緣接口、主信道波導(dǎo)、以及至少一個(gè)光子傳感組件，所述光子傳感組件包括微環(huán)諧振腔、單模光纖和光子芯片，各所述微環(huán)諧振腔與所述主信道波導(dǎo)耦合，且各所述微環(huán)諧振腔與對(duì)應(yīng)的單模光纖耦合，所述單模光纖連接所述光子芯片。

4、在一個(gè)具體實(shí)施例中，所述主信道波導(dǎo)設(shè)置有用于與各所述微環(huán)諧振腔進(jìn)行耦合的彎曲波導(dǎo)。

5、在一個(gè)具體實(shí)施例中，所述微環(huán)諧振腔包括第一微環(huán)、第二微環(huán)和輸出波導(dǎo)，所述第一微環(huán)與所述主信道波導(dǎo)耦合，所述第一微環(huán)與所述第二微環(huán)耦合，所述第二微環(huán)與所述輸出波導(dǎo)耦合，所述輸出波導(dǎo)連接所述單模光纖。

6、在一個(gè)具體實(shí)施例中，所述光子芯片包括端面耦合器、矩形波導(dǎo)和波導(dǎo)光柵，所述單模光纖連接所述端面耦合器的一端，所述端面耦合器的另一端通過(guò)所述矩形波導(dǎo)連接所述波導(dǎo)光柵。

7、在一個(gè)具體實(shí)施例中，所述波導(dǎo)光柵的類(lèi)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。

8、在一個(gè)具體實(shí)施例中，所述矩形波導(dǎo)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(zhǎng)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(gè)具體實(shí)施例中，所述光子芯片還包括封裝用材料，所述端面耦合器、矩形波導(dǎo)和波導(dǎo)光柵通過(guò)封裝工藝被保護(hù)在所述封裝用材料內(nèi)以構(gòu)成所述光子芯片。

10、在一個(gè)具體實(shí)施例中，所述端面耦合器劃分為四個(gè)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(guò)trench區(qū)后依次進(jìn)入倒錐形耦合區(qū)和匯聚區(qū)后進(jìn)入直波導(dǎo)緩沖區(qū)，最后通過(guò)矩形波導(dǎo)給到所述波導(dǎo)光柵。

11、在一個(gè)具體實(shí)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(zhǎng)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。

12、在一個(gè)具體實(shí)施例中，所述端面耦合器、矩形波導(dǎo)和波導(dǎo)光柵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)的長(zhǎng)度為5mm，寬度為2mm，厚度為1.9mm。

13、本發(fā)明至少具有如下有益效果：本發(fā)明提供的一種可實(shí)現(xiàn)igbt內(nèi)部準(zhǔn)分布式溫度檢測(cè)的光子傳感器，通過(guò)設(shè)置光子傳感組件的數(shù)量，結(jié)合微環(huán)諧振腔實(shí)現(xiàn)波分復(fù)用，實(shí)現(xiàn)了狹窄空間下同時(shí)測(cè)量多個(gè)點(diǎn)位的準(zhǔn)分布式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，極大程度降低了igbt外部接口數(shù)目，提高了整個(gè)系統(tǒng)的靈活性及實(shí)用性，更能符合工程安全需求；優(yōu)選的微環(huán)諧振腔具有解復(fù)用和復(fù)用的功能，且設(shè)計(jì)靈活可根據(jù)實(shí)際需求的igbt內(nèi)部溫度檢測(cè)點(diǎn)位個(gè)數(shù)設(shè)計(jì)不同結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，且相比于其他復(fù)用器也具有成本低、集成度高、串?dāng)_低、輸出平坦等特點(diǎn)。

技術(shù)特征：

1.一種可實(shí)現(xiàn)igbt內(nèi)部準(zhǔn)分布式溫度檢測(cè)的光子傳感器，其特征在于，包括絕緣接口、主信道波導(dǎo)、以及至少一個(gè)光子傳感組件，所述光子傳感組件包括微環(huán)諧振腔、單模光纖和光子芯片，各所述微環(huán)諧振腔與所述主信道波導(dǎo)耦合，且各所述微環(huán)諧振腔與對(duì)應(yīng)的單模光纖耦合，所述單模光纖連接所述光子芯片。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可實(shí)現(xiàn)igbt內(nèi)部準(zhǔn)分布式溫度檢測(cè)的光子傳感器，其特征在于，所述主信道波導(dǎo)設(shè)置有用于與各所述微環(huán)諧振腔進(jìn)行耦合的彎曲波導(dǎo)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可實(shí)現(xiàn)igbt內(nèi)部準(zhǔn)分布式溫度檢測(cè)的光子傳感器，其特征在于，所述微環(huán)諧振腔包括第一微環(huán)、第二微環(huán)和輸出波導(dǎo)，所述第一微環(huán)與所述主信道波導(dǎo)耦合，所述第一微環(huán)與所述第二微環(huán)耦合，所述第二微環(huán)與所述輸出波導(dǎo)耦合，所述輸出波導(dǎo)連接所述單模光纖。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可實(shí)現(xiàn)igbt內(nèi)部準(zhǔn)分布式溫度檢測(cè)的光子傳感器，其特征在于，所述光子芯片包括端面耦合器、矩形波導(dǎo)和波導(dǎo)光柵，所述單模光纖連接所述端面耦合器的一端，所述端面耦合器的另一端通過(guò)所述矩形波導(dǎo)連接所述波導(dǎo)光柵。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種可實(shí)現(xiàn)igbt內(nèi)部準(zhǔn)分布式溫度檢測(cè)的光子傳感器，其特征在于，所述波導(dǎo)光柵的類(lèi)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。

6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種可實(shí)現(xiàn)igbt內(nèi)部準(zhǔn)分布式溫度檢測(cè)的光子傳感器，其特征在于，所述矩形波導(dǎo)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(zhǎng)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4所述的一種可實(shí)現(xiàn)igbt內(nèi)部準(zhǔn)分布式溫度檢測(cè)的光子傳感器，其特征在于，所述光子芯片還包括封裝用材料，所述端面耦合器、矩形波導(dǎo)和波導(dǎo)光柵通過(guò)封裝工藝被保護(hù)在所述封裝用材料內(nèi)以構(gòu)成所述光子芯片。

8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種可實(shí)現(xiàn)igbt內(nèi)部準(zhǔn)分布式溫度檢測(cè)的光子傳感器，其特征在于，所述端面耦合器劃分為四個(gè)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(guò)trench區(qū)后依次進(jìn)入倒錐形耦合區(qū)和匯聚區(qū)后進(jìn)入直波導(dǎo)緩沖區(qū)，最后通過(guò)矩形波導(dǎo)給到所述波導(dǎo)光柵。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種可實(shí)現(xiàn)igbt內(nèi)部準(zhǔn)分布式溫度檢測(cè)的光子傳感器，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(zhǎng)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。

10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種可實(shí)現(xiàn)igbt內(nèi)部準(zhǔn)分布式溫度檢測(cè)的光子傳感器，其特征在于，所述端面耦合器、矩形波導(dǎo)和波導(dǎo)光柵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)的長(zhǎng)度為5mm，寬度為2mm，厚度為1.9mm。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種可實(shí)現(xiàn)IGBT內(nèi)部準(zhǔn)分布式溫度檢測(cè)的光子傳感器，包括絕緣接口、主信道波導(dǎo)、以及至少一個(gè)光子傳感組件，光子傳感組件包括微環(huán)諧振腔、單模光纖和光子芯片，各微環(huán)諧振腔與主信道波導(dǎo)耦合，各微環(huán)諧振腔通過(guò)耦合的單模光纖與光子芯片相連接。通過(guò)設(shè)置光子傳感組件的數(shù)量，結(jié)合微環(huán)諧振腔實(shí)現(xiàn)波分復(fù)用，實(shí)現(xiàn)了狹窄空間下同時(shí)測(cè)量多個(gè)點(diǎn)位的準(zhǔn)分布式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，極大程度降低了IGBT外部接口數(shù)目，提高了整個(gè)系統(tǒng)的靈活性及實(shí)用性，更能符合工程安全需求；可根據(jù)實(shí)際需求的IGBT內(nèi)部溫度檢測(cè)點(diǎn)位個(gè)數(shù)設(shè)計(jì)不同結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，且相比于其他復(fù)用器也具有成本低、集成度高、串?dāng)_低、輸出平坦等特點(diǎn)。

技術(shù)研發(fā)人員：查鯤鵬,張錦龍,李天琦,欒洪洲,古振宏,柴斌,王圓鑫,許達(dá),袁創(chuàng),郭宇豪
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中電普瑞電力工程有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/5