一种传输增益可调的高精度线性光耦结构及其耦合方法与流程

1.本发明涉及线性光电隔离器件技术领域，尤其涉一种传输增益可调的高精度线性光耦结构及其耦合方法。


背景技术：

2.在信号隔离传输领域，由于光电隔离通过发光器件和光敏器件以光信号为传输媒介，具有单向传输、抗干扰能力强、使用寿命长、无触点等诸多优点，在各种测量系统中广泛使用。
3.其中，在模拟信号光电隔离传输领域，比较常用的电路由线性光耦、反馈电路和跨阻放大输出电路组成，模拟信号的传输增益取决于线性光耦器件的传输增益，而线性光耦器件的传输增益取决于输出光电探测器与输入光电探测器光电流的比值。
4.目前国外主要线性光耦器件生产厂家中，典型线性光耦产品如美国vishay公司的il300系列、美国agilent公司的hcnr200/2001、美国ti公司的til300/300a系列产品均为塑封器件产品，由于生产工艺、塑封模具、内部结构及光电探测器批次性差异的影响，每个器件的传输增益及分布区间较大，传输增益偏差大于5％，例如hcnr200传输增益为0.85～1.15，hcnr201传输增益为0.93～1.07，il300传输增益为0.56～1.65，til300传输增益为0.75～1.25，til300a传输增益为0.9～1.1，并且器件内部灌胶导致高低温环境下传输增益偏差较大，这就使得在实际电路使用中每只线性光耦都需要配置不同的高精度调试电阻解决传输精度不足的问题，使用起来相对复杂，另外传输增益不能根据实际使用电路进行调整，无法满足模拟信号传输灵活调整的使用需求。


技术实现要素：

5.为解决以上现有技术存在的问题，本发明提出一种传输增益可调的高精度线性结构光耦及其耦合方法，所述一种传输增益可调的高精度线性光耦结构包括底座1、光敏集成板2、盖板3以及封装外壳；封装外壳将底座1、光敏集成板2、盖板3进行气密性封装；其中：
6.所述底座1的内部设置有凹槽，该凹槽用于放置光敏集成板2和盖板3；
7.所述光敏集成板2包括底板21、两个金属焊盘22、两个金导带23、两个光电探测器芯片24、第一陶瓷台阶25以及第二陶瓷台阶26；第一陶瓷台阶25和第二陶瓷台阶26分别设置；在底板21的左右两端，陶瓷台阶上表面做镀金处理，并且与封装外壳的对应金属外引脚连接；所述金焊盘22、金导带23均设置在底板21的上部平面的上部，且两个金焊盘、两个金导带分别与封装外壳的对应金属外引脚连接；两个光电探测器芯片24分别设置在两个金焊盘22上，两个光电探测器芯片24背面电极通过金焊盘22与分别封装外壳对应金属外引脚连接，两个光电探测器芯片24正面电极通过金丝分别键合到两个金导带23上，分别与封装外壳对应金属外引脚连接；盖板3上设置有金属导片的一面放置在光敏集成板2正上方，且盖板3上的短金属导片32与光敏集成板2的台阶金属导片25接触导通，盖板上的长金属导片32与光敏集成板2的台阶金属导片26接触导通；
8.所述盖板3包括固定板31、短金导带32、长金导带33、两个横向半圆形缺口34、两个纵向半圆形缺口35以及led发光二极管芯片36；所述短金属导片32设置在固定板31上部平面的上部；所述长金属导片33设置在在固定板31上部平面的下部；所述两个横向半圆形缺口34分别设置在固定板横向方向的两侧中心处，两个纵向半圆形缺口35分别设置在固定板纵向方向的两侧中心处，并且横向和纵向半圆形缺口均做镀金处理，与对应的短金导带或长金导带接通；所述led发光二极管芯片36设置在长金导带33上，芯片背面电极与长金导带33连接，正面电极通过金丝与短金导带32连接。
9.进一步的，led发光二极管芯片36为algaas/gaas/algaas正面发光的双异质结发光二极管，将gaas作为有源区，不同组份algaas作为限制层；在衬底上生长分布布拉格反射层；采用叉形电极结构为光源提供均匀分布电流。
10.进一步的，底座1的光敏集成板2的面积大于盖板3的面积。
11.进一步的，在放置两个光电探测器24时，两个光电探测器在底座24上呈中心对称分布。
12.进一步的，在放置led光源芯片36时，led光源芯片36设置在盖板3上长金属导带靠近盖板中心位置，将led光源芯片36的发光面与两个光电探测器24的光敏面中心对称耦合。
13.进一步的，封装外壳为双列直插式可密封陶瓷金属化壳体，壳体上的金属外引脚通过内部金属焊盘和金属导带分别与led光源芯片36和两个光电探测器24形成电气连接。
14.进一步的，所述led光源芯片36的结构为：
15.衬底为gaasn型si掺杂，n＝3
×
10
18
cm
‑3；
16.第1层为gaas缓冲层，n型si掺杂，n＝6
×
10
18
cm
‑3，0.5mm；
17.第2层为31对ga
0.9
al
0.1
as、alas材料dbr结构：ga
0.9
al
0.1
as生长厚度h＝61.8nm；alas生长厚度h＝75nm，n型si掺杂，n＝2
×
10
18
cm
‑3；
18.第3层为al
0.2
ga
0.8
as下限制层，n型si掺杂，n＝2
×
10
18
cm
‑3，0.5mm；
19.第4层为有源层gaas，p型zn轻掺杂n＝2
×
10
17
cm
‑3，2.2mm；
20.第5层为al
0.2
ga
0.8
as限制层，p型zn掺杂，n＝5
×
10
18
cm
‑3，0.7mm；
21.第6层为7对ga
0.9
al
0.1
as、alas材料dbr结构：ga
0.9
al
0.1
as生长厚度h＝61.8nm；alas生长厚度h＝75nm；n型si掺杂，n＝5
×
10
18
cm
‑3；
22.第7层为al
0.1
ga
0.9
as～al
0.5
ga
0.5
as缓变层，p型zn掺杂，n＝5
×
10
18
cm
‑3，0.15μm；
23.第8层为al
0.5
ga
0.5
as电流扩展层，p型zn掺杂，n＝5
×
10
18
cm
‑3，6mm；
24.第9层为重掺p型gaas顶层，zn掺杂，n＝2
×
10
19
cm
‑3，0.1mm；
25.其中，n表示掺杂的掺杂浓度，这是本领域技术人员惯用表达式。
26.本发明还提出一种传输增益可调的高精度线性光耦的耦合方法，包括以下步骤：
27.步骤1：设置微动台5，微动台通过调整旋钮51可实现x、y、z三个轴向位移移动；
28.步骤2：在微动台5上设置专用凹槽插座52，每个凹槽插座内设有金属卡槽，可以夹紧封装外壳，封装外壳的的金属外引脚通过金属卡槽一一对应连接；
29.步骤3：在还未进行气密性封装时，将包括底座1和光敏集成板2的封装外壳安装在凹槽插座52内，凹槽插座52内置电引线，可以实现封装外壳的金属外引脚电气连接，也即实现了光电探测器24各个电极的电气连接；
30.步骤4：设置专用金属镊子夹具53，该金属镊子夹具两端分别连接电流源的正负两
端，
31.采用金属镊子53水平夹持盖板3上的横向两侧半圆形缺口33或纵向两侧半圆形缺口34，所述金金属镊子夹具53两端通过恒流源加入一定电流，电流通过盖板3上横向两侧半圆形缺口33或纵向两侧半圆形缺口34的镀金导带，经过长金属导片和短金属导片流入光源芯片36，使得光源芯片发光；
32.步骤5：通过金属镊子夹具53移动盖板3至底座1的正上方，光敏集成板2上的两个光电探测器24在光源芯片发光作用下，产生光电流，通过封装外壳金属外引脚和凹槽插座内的金属卡槽与对应电引线连接；
33.步骤6：通过电引线连接万用表测量两个光电探测器24的光电流大小，两个光电流大小比值为即为线性光耦的传输增益，通过调节耦合台的旋钮51，控制盖板3和封装外壳的相对位置关系，来调节传输增益的大小；
34.步骤7：根据需要传输增益大小确定好盖板3和封装外壳的相对位置后，通过瞬干胶和导电胶固定使盖板3金属面两侧的短金属导带32和长金属导带33分别与光敏集成板2上的台阶金属片25、26连接固化。
35.本发明的有益技术效果是：
36.(1)采用led发光二极管芯片为algaas/gaas/algaas正面发光的双异质结发光二极管，将gaas作为有源区，不同组份algaas作为限制层；在衬底上生长分布布拉格反射层dbr；采用叉形电极结构为光源提供均匀分布电流，可以提高线性光耦的精度和非线性度。
37.(2)pin硅基光电探测器芯片对芯片内的增透膜金了优化设计，采用氮化硅和二氧化硅膜结合的多层结构，大大提高增透膜的入射率，优化了光电探测器的光谱响应一致性和量子效率，进一步的，在芯片制备工艺方面，针对芯片的退火温度及退火时间，离子注入能量和剂量等工艺条件进行了优化，可以有效降低光电探测器的暗电流并提高同批次晶圆上探测器芯片的参数一致性，有利于提高线性光耦传输增益的精度并降低温漂。
38.(3)创新地设计了一种陶瓷盖板，包含横向和纵向共4个镀金半圆形缺口，同时与led光源芯片两个电极导通，可以通过金属镊子灵活夹持盖板同时实现光源芯片电流输入，在光源发光的同时，移动微动台，改变光源芯片和探测器芯片相对位置关系，通过外接数表可以监测线性光耦的传输增益，另外可以实现连续电流输入情况下传输增益精度测量，并根据电路实际使用需求进行传输增益参数调节，有效的解决了线性光耦传输增益不能灵活调整的技术问题并提高了传输精度。国外产品的传输增益最大范围为0.56～1.65，基于该方法研制的产品传输增益可调范围为0.1～10，且传输精度可以控制在0.1％以内，批次产品参数一致性较好。
39.另外基于该耦合方法，可进行改进优化，实现全自动耦合，并且可以推广应用到同类需要参数耦合的光电隔离器件中。
附图说明
40.图1为本发明一种传输增益可调的高精度线性光耦的光敏集成板结构示意图；
41.图2为本发明一种传输增益可调的高精度线性光耦的盖板结构示意图；
42.图3为本发明一种传输增益可调的高精度线性光耦的耦合方法中微动台结构示意图；
43.图4为本发明一种传输增益可调的高精度线性光耦整体结构示意图。
具体实施方式
44.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
45.实施例1
46.在本实施例中，一种传输增益可调的高精度线性光耦结构，如图1，包括底座1、光敏集成板2、盖板3以及封装外壳,；
47.所述底座1的内部设置有凹槽，该凹槽用于放置光敏集成板2和盖板3；
48.如图1，所述光敏集成板2包括：底板21、两个金属焊盘22、两个金导带23、两个光电探测器芯片24、以及两个陶瓷台阶24；陶瓷台阶25、26分别设置在底板21的左右两端，陶瓷台阶上表面做镀金处理，并且与封装外壳的对应金属外引脚连接；所述金焊盘22、金导带23均设置在底板21的上部平面的上部，且两个金焊盘、两个金导带分别与封装外壳的对应金属外引脚连接；所述两个光电探测器芯片24分别设置在两个金焊盘22上，两个光电探测器芯片24背面电极通过金焊盘22与分别封装外壳对应金属外引脚连接，两个光电探测器芯片24正面电极通过金丝分别键合到两个金导带23上，分别与封装外壳对应金属外引脚连接；
49.如图2，所述盖板3包括固定板31、短金导带32、长金导带33、两个横向半圆形缺口34、两个纵向半圆形缺口35以及led发光二极管芯片36；所述短金属导片32设置在固定板31上部平面的上部；所述长金属导片33设置在在固定板31上部平面的下部；所述两个横向半圆形缺口34分别设置在固定板横向方向的两侧中心处，两个纵向半圆形缺口35分别设置在固定板纵向方向的两侧中心处，并且横向和纵向半圆形缺口均做镀金处理，与对应的短金导带或长金导带接通；所述led发光二极管芯片36设置在长金导带33上，芯片背面电极与长金导带33连接，正面电极通过金丝与短金导带32连接；
50.将盖板3上设置有金属导片的一面放置在光敏集成板2正上方，且盖板3上的短金属导片32与光敏集成板2的台阶金属导片25接触导通，盖板上的长金属导片32与光敏集成板2的台阶金属导片26接触导通，
51.采用封装外壳将底座1、光敏集成板2、盖板3进行气密性封装。
52.优选的，led发光二极管芯片1为algaas/gaas/algaas正面发光的双异质结发光二极管，将gaas作为有源区，不同组份algaas作为限制层；在衬底上生长分布布拉格反射层dbr；采用叉形电极结构为光源提供均匀分布电流，可以提高线性光耦的精度和非线性度。
53.本实施例中采用的光源芯片结构为：
54.衬底为gaasn型si掺杂，n＝3
×
10
18
cm
‑3；
55.第1层为gaas缓冲层，n型si掺杂，n＝6
×
10
18
cm
‑3，0.5mm；
56.第2层为31对ga
0.9
al
0.1
as、alas材料dbr结构：ga
0.9
al
0.1
as生长厚度h＝61.8nm；alas生长厚度h＝75nm，n型si掺杂，n＝2
×
10
18
cm
‑3；
57.第3层为al
0.2
ga
0.8
as下限制层，n型si掺杂，n＝2
×
10
18
cm
‑3，0.5mm；
58.第4层为有源层gaas，p型zn轻掺杂n＝2
×
10
17
cm
‑3，2.2mm；
59.第5层为al
0.2
ga
0.8
as限制层，p型zn掺杂，n＝5
×
10
18
cm
‑3，0.7mm；
60.第6层为7对ga
0.9
al
0.1
as、alas材料dbr结构：ga
0.9
al
0.1
as生长厚度h＝61.8nm；alas生长厚度h＝75nm；n型si掺杂，n＝5
×
10
18
cm
‑3；
61.第7层为al
0.1
ga
0.9
as～al
0.5
ga
0.5
as缓变层，p型zn掺杂，n＝5
×
10
18
cm
‑3，0.15μm；
62.第8层为al
0.5
ga
0.5
as电流扩展层，p型zn掺杂，n＝5
×
10
18
cm
‑3，6mm；
63.第9层为重掺p型gaas顶层，zn掺杂，n＝2
×
10
19
cm
‑3，0.1mm。
64.作为一种可选的实施方式，采用algaas/gaas、algaas/algaas材料系进行了光源的结构设计，用gaas作为有源区材料，不同组份algaas为限制层，发射850nm～880nm波段的红光，为了突破衬底光吸收、金属电极阻挡等因素导致的光逸出率低的难点，提高led的输出功率，生长dbr(分布布拉格反射层)可以隔离衬底吸收，反射器由高低折射率材料交替组成，采用带有两个dbr(分布布拉格反射层)反射器的rcled(谐振增强发光二极管)外延结构。采用叉形电极结构为光源提供均匀分布电流，保证光从有源区逸出不受到电极阻挡。
65.本实施例中pin硅基光电探测器芯片对芯片内的增透膜金了优化设计，采用氮化硅和二氧化硅膜结合的多层结构，大大提高增透膜的入射率，优化了光电探测器的光谱响应一致性和量子效率，进一步的，在芯片制备工艺方面，针对芯片的退火温度及退火时间，离子注入能量和剂量等工艺条件进行了优化，可以有效降低光电探测器的暗电流并提高同批次晶圆上探测器芯片的参数一致性，有利于提高线性光耦传输增益的精度并降低温漂。
66.实施例2
67.在本实施例中提出一种传输增益可调的高精度线性光耦结构的耦合方法，包括：
68.步骤1：如图3，设置微动台5，微动台通过调整旋钮51可实现x、y、z三个轴向位移移动；
69.步骤2：在微动台5上设置专用凹槽插座(52)，每个凹槽插座内设有金属卡槽，可以夹紧封装外壳，封装外壳的4的金属外引脚通过金属卡槽一一对应连接；
70.步骤3：将包括底座1和光敏集成板2的封装外壳(还未进行气密性封装)安装在凹槽插座(52)内，凹槽插座(52)内置电引线，可以实现封装外壳的金属外引脚电气连接，也即实现了光电探测器24各个电极的电气连接；
71.步骤4：设置专用金属镊子夹具53，该金属镊子夹具两端分别连接电流源的正负两端，
72.采用金属镊子53水平夹持盖板3上的横向两侧半圆形缺口33或纵向两侧半圆形缺口34，所述金金属镊子夹具53两端通过恒流源加入一定电流，电流通过盖板3上横向两侧半圆形缺口33或纵向两侧半圆形缺口34的镀金导带，经过长金属导片和短金属导片流入led发光二极管芯片36，使得光源芯片发光；
73.步骤5：通过金属镊子夹具53移动盖板3至底座1的正上方，光敏集成板2上的两个光电探测器24在光源芯片发光作用下，产生光电流，通过封装外壳金属外引脚和凹槽插座内的金属卡槽与对应电引线连接；
74.步骤6：通过电引线连接万用表测量两个光电探测器24的光电流大小，两个光电流大小比值为即为线性光耦的传输增益，通过调节耦合台的旋钮51，控制盖板3和封装外壳的相对位置关系，可以调节传输增益的大小；
75.步骤7：根据需要传输增益大小确定好盖板3和封装外壳的相对位置后，通过瞬干
胶和导电胶固定使盖板3金属面两侧的短金属导带32和长金属导带33分别与光敏集成板2上的第一台阶金属片25、第二台阶金属片26连接固化。
76.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“同轴”、“底部”、“一端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、“外”、“前部”、“中央”、“两端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
77.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋转”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
78.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。