多功能光学传感器单元的制作方法
【专利摘要】本发明的名称为多功能光学传感器单元。一种用于检测参数组的方法和装置。光信号被发送至光学传感器单元，该光学传感器单元包括第一反射结构、第二反射结构和位于第一反射结构和第二反射结构之间的腔系统。第一反射结构配置为与光纤关联。检测由光学传感器单元产生的响应。从该响应中确定参数组。
【专利说明】多功能光学传感器单元
【技术领域】
[0001]本公开一般涉及传感器，并且具体涉及光学传感器。更具体地，本公开涉及用于检测多种类型参数的光学传感器的方法和装置。
【背景技术】
[0002]多种不同类型的传感器可用于检测物理量并产生关于所检测的物理量的信息的信号。物理量也可以称为参数。例如，电传感器已被广泛用于检测参数，如温度、压力和其他类型的物理量。例如，电传感器可用于检测飞机燃料箱内部中的温度和压力。
[0003]当电传感器用在燃料箱内时，将传感器连接至电源和飞机中的其他设备的导线延伸经过燃料箱中形成的开孔进入燃料箱。这些开孔被密封以防止燃料流出燃料箱。在检测参数，如燃料液面、温度、压力和其他参数时，导线被用于位于燃料箱内的每个类型的传感器。
[0004]对于电传感器的使用，存在与屏蔽和接地有关的挑战。为传感器提供屏蔽使得传感器可以以预期方式操作而不引起不期望的燃料箱状态是可取的，但有时是具有挑战性的。这些挑战随着复合材料的使用而增加。例如，当燃料箱由复合材料形成时，与由金属材料形成的燃料箱相比，其屏蔽更有限。使用复合材料燃料箱，金属燃料箱中的金属壁的固有屏蔽和保护减少或不可用。因此，电传感器系统的预期使用和操作需要额外的系统。
[0005]进一步，电传感器的尺寸可能比预期的更大。例如，用于检测燃料箱中的燃料液面的电容性传感器可以比预期的更复杂。
[0006]对于飞机中的其他位置，也可存与电传感器的使用有关的问题。例如，以与在飞机的发动机中使用电传感器相关的问题为例，由飞机的发动机产生的热量可使电传感器以预期的性能水平操作出现挑战。
[0007]因此，电传感器和关联设备占据的空间、安装时间以及其他因素可能比期望的更大。因此，希望具有考虑至少一些以上讨论的问题，以及其他可能问题的方法和装置。
【发明内容】
[0008]在一个说明性实施方式中，装置包括第一反射结构、第二反射结构以及位于第一反射结构和第二反射结构之间的腔系统。第一反射结构配置为与光纤关联。
[0009]在另一个说明性实施方式中，光学传感器单元包括第一光子晶体反射镜、第二光子晶体反射镜以及位于第一光子晶体反射镜和第二光子晶体反射镜之间的密封腔。
[0010]而在另一个说明性实施方式中，提供用于检测参数组的方法。光信号被发送至光学传感器单元，该光学传感器单元包括第一反射结构、第二反射结构以及位于第一反射结构和第二反射结构之间的腔系统。第一反射结构配置为与光纤关联。检测由光学传感器单元产生的响应。从响应中确定参数组。
[0011]进一步，本公开包括根据以下条目的实施方式:
[0012]第I条.一种装置，其包括:[0013]第一反射结构，其配置为与光纤关联；
[0014]第二反射结构；以及
[0015]位于第一反射结构和第二反射结构之间的腔系统。
[0016]第2条.如第I条所述的装置，其中所述第一反射结构、第二反射结构以及腔系统形成光学传感器单兀。
[0017]第3条.如第2条所述的装置，其中所述光学传感器单元配置为产生对光信号的响应，该光信号包括与温度、压力以及折射率中的至少一个有关的信息。
[0018]第4条.如第I条所述的装置，其中所述腔系统包括一组腔。
[0019]第5条.如第I条所述的装置，其中所述腔系统包括:
[0020]密封腔。
[0021]第6条.如第I条所述的装置，其中所述第一反射结构、第二反射结构以及腔系统在衬底上形成，该衬底选自硅衬底和绝缘体上的硅衬底中的至少一个。
[0022]第7条.如第I条所述的装置，其中所述光纤选自多模光纤和单模光纤中的一种。
[0023]第8条.如第2条所述的装置，其进一步包括:
[0024]测量系统，其配置为将光信号经过光纤发送至光学传感器单元并检测由光学传感器单兀产生的对光信号的响应。
[0025]第9条.如第I条所述的装置，其中所述第一反射结构、第二反射结构以及腔系统配置为产生与温度有关的信息。
[0026]第10条.如第I条所述的装置，其中所述第一反射结构、第二反射结构以及腔系统配置为产生与压力有关的信息。
[0027]第11条.如第I条所述的装置，其中所述第一反射结构、第二反射结构以及腔系统配置为产生与折射率有关的信息。
[0028]第12条.如第I条所述的装置，其中所述第一反射结构和第二反射结构都选自光子晶体反射镜、金属层、介电层、光栅、布拉格光栅和膜中的一种。
[0029]第13条.一种光学传感器单元，其包括:
[0030]第一光子晶体反射镜；
[0031]第二光子晶体反光镜；以及
[0032]位于第一光子晶体反射镜和第二光子晶体反射镜之间的密封腔。
[0033]第14条.如第13条所述的光学传感器单元，其进一步包括:
[0034]与第一光子晶体反射镜关联的光纤。
[0035]第15条.如第13条所述的光学传感器单元，其中所述第一光子晶体反光镜、第二光子晶体反光镜以及密封腔配置为产生与温度有关的信息。
[0036]第16条.如第13条所述的光学传感器单元，其中所述第一光子晶体反光镜、第二光子晶体反光镜以及密封腔配置为产生与压力有关的信息。
[0037]第17条.如第13条所述的光学传感器单元，其中所述第一光子晶体反光镜、第二光子晶体反光镜以及密封腔配置为产生与折射率有关的信息。
[0038]第18条.一种用于检测参数组的方法，所述方法包括:
[0039]将光信号发送至光学传感器单元，所述光学传感器单元包括第一反射结构，其配置为与光纤关联；第二反射结构；以及位于第一反射结构和第二反射结构之间的腔系统；[0040]检测由光学传感器单元产生的响应；以及
[0041]从所述响应确定参数组。
[0042]第19条.如第18条所述的方法，其中所述参数组选自温度、压力以及折射率中的至少一个。
[0043]第20条.如第18条所述的方法，其中所述光学传感器单元位于飞机中。
[0044]所述特征和功能可以在本公开的多个实施方式中独立实现，或可在其他实施方式中组合，其中进一步的细节可参考以下描述和附图中看到。
【专利附图】
【附图说明】
[0045]认为是说明性实施方式的特点的新颖特征在附加权利要求中说明。然而，当结合附图阅读时，通过参考本公开的说明性实施方式的以下详细描述，将最好地理解说明性实施方式，以及优选使用方式，其进一步的目的和特征，其中:
[0046]图1是依据说明性实施方式的传感器环境的框图的图解；
[0047]图2是依据说明性实施方式的传感器单元的框图的图解；
[0048]图3是依据说明性实施方式的与光纤关联的光学传感器单元的图解；
[0049]图4是依据说明性实施方式的与光纤关联的传感器单元的更详细的图解；
[0050]图5是依据说明性实施方式的与光纤关联的光学传感器单元的剖视图的图解；
[0051]图6是依据说明性实施方式的在硅衬底中的光学传感器单元的图解；
[0052]图7是依据说明性实施方式的在晶片中的光学传感器单元的剖视图的图解；
[0053]图8-14是依据说明性实施方式的在硅衬底上制造光学传感器单元的过程的剖视图的图解；
[0054]图15是依据说明性实施方式的光学传感器单元的剖视图的图解；
[0055]图16是依据说明性实施方式的光学传感器单元的另一个剖视图的图解；
[0056]图17是依据说明性实施方式的光学传感器单元的又一个剖视图的图解；
[0057]图18是依据说明性实施方式的检测多个参数的过程的流程图的图解；
[0058]图19是依据说明性实施方式的形成光学传感器单元的过程的流程图的图解；
[0059]图20是依据说明性实施方式的飞机制造和使用方法的框图的图解；以及
[0060]图21是可在其中实现说明性实施方式的飞机的框图的图解。
【具体实施方式】
[0061]说明性实施方式认识并且考虑一个或更多个不同的考虑事项。说明性实施方式认识并且考虑该光学传感器可以具有优于电传感器的优势。例如，使用光纤的光学传感器不受电磁干扰。另外，光学传感器可提高遥感的易用性并且比电传感器更小。
[0062]说明性实施方式也认识并且考虑利用光学传感器，光纤可延伸通过开孔进入燃料箱。利用光纤，不存在与屏蔽和接地相关的问题。
[0063]说明性实施方式也认识并且考虑通过设计检测多参数的光学传感器减少使用的光纤的数量。例如，一个或更多说明性实施方式提供光学传感器，其包括连接至光纤末端的传感器单元。在说明性实施方式中，光学传感器单元配置为检测多参数。
[0064]在一个说明性实施方式中，装置包括第一反射结构、第二反射结构以及腔系统。第一反射结构配置为与光纤关联。腔系统位于第一反射结构和第二反射结构之间。在一个说明性实施方式中，这些结构形成光学传感器单元。光学传感器单元配置为检测多参数。这些参数可包括，例如，温度、压力和折射率中的至少一个。
[0065]现在参考附图，具体参考图1，根据说明性实施方式描绘传感器环境的图解。在该说明性实施方式中，传感器环境100包括平台102。传感器系统104与平台102关联。
[0066]如所描绘，平台102可以是飞机106。当然，平台102也可采取与飞机106不同的其他形式。例如，平台102可以是，例如，移动平台、静止平台、陆基结构、水基结构和空间基结构。更具体地，该平台可以是水面舰艇、坦克、运兵车、火车、航天器、空间站、卫星、潜艇、汽车、电站、桥梁、水坝、房子、制造工厂、建筑物或其他合适的平台。
[0067]如所描绘，传感器系统104配置为监测平台102中的区域108。区域108可采用多种形式。例如，当平台102采用飞机106的形式时，区域108可以是燃料箱、发动机或飞机106中一些其他合适的区域。在该说明性实施例中，传感器系统104包括多个不同的组件。如所图解，传感器系统104包括测量系统110、光纤112以及光学传感器单元114。
[0068]光纤112将光学传感器单元114连接至测量系统110。光纤112可选自多模光纤和单模光纤中的至少一种。
[0069]如本文所用，词组“至少一个”，当与一列项目使用时，表示可使用一个或更多个所列项目的不同组合，并且可仅需要列表中的每个项中的一个。例如，“至少一个项目A、项目B和项目C”可包括但不限于项目A或项目A和项目B。该例子也可包括项目A、项目B，和项目C或项目B和项目C。在其他例子中，“至少一个”可以是，例如但不限于项目A的两个、项目B的一个和项目C的十个；项目B的四个和项目C的七个；以及其他合适的组合。
[0070]多模光纤配置为携带具有多于一个模式的光。单模光纤配置为仅携带单个模式的光。在这些说明性实施例中，模式是光传播的具体方式。例如，模式可以由光的空间形状定义。
[0071]在这些说明性实施例中，光学传感器单元114配置为检测区域108中的参数组116。如本文所用，当参照项目使用时“组”意思是一个或多个项目。例如，参数组116是一个或更多个参数。
[0072]在该说明性实施例中，光学传感器单元114中的光学传感器单元118可由一个或更多个传感器组成，其中每个传感器可检测参数组116中的一个或更多个参数。在参数组116的检测中，在不同的说明性实施例中确定那些参数的值。如所描绘，光学传感器单元118配置为检测温度120、压力122和折射率124中的至少一个。换言之，光学传感器单元118可用于检测温度120、压力122和折射率124中的至少一个的值。如所描绘，光学传感器单元组114中的其他光学传感器可检测参数组116中的相同或其他参数。光学传感器单元组114也可用于检测其他参数。这些参数可包括例如但不限于振动、加速度、磁力和其他合适的参数中的至少一个。以这种方式，光学传感器单元118可用作多功能光学传感器单
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[0073]光学传感器单元118通过光纤126连接至测量系统110。如所描绘，光学传感器单元118配置为通过光纤126接收来自测量系统110的光信号128。光信号128是光。在该说明性实施例中，光信号128可具有多种特性，该特性可由测量系统110选择。例如，光信号128可具有特定频率、强度和持续时间中的至少一个。[0074]响应接收光信号128，光学传感器单元118配置为产生响应130。响应130是从光信号128产生的光。如所描绘，响应130通过光纤126移动回至测量系统110。测量系统110配置为检测响应130。在该说明性实施例中，响应130包含信息132。信息123用于确定参数组116。
[0075]现在参考图2，依据说明性实施方式描绘传感器单元的框图的图解。在该实施例中，图解了光学传感器单元118的多个组件。如所描绘，光学传感器单元118包括第一反射结构200、第二反射结构202和腔系统204。在该说明性实施例中，这些不同的结构与外壳结构206关联。具体地，这些不同的结构可位于外壳结构206上或内部。
[0076]在描绘的示例中，当一个组件“关联”另一个组件时，该关联是物理关联。例如，第一组件通过固定至第二组件、粘结至第二组件、安装至第二组件、焊接至第二组件、紧固至第二组件和/或以一些其他合适的方式连接至第二组件，可以认为与第二组件关联。也可使用第三组件将第一组件连接至第二组件。第一组件通过形成为第二组件的一部分和/或延伸，也可以认为是与第二组件关联。
[0077]第一反射结构200配置为与光纤126关联。具体地，第一反射结构200可与光纤126的末端关联。在该说明性实施例中，第一反射结构200可以，例如，粘结至光纤126、形成为光纤126的一部分，或以一些其他方式直接或间接连接至光纤126。
[0078]在一个说明性实施例中，第一反射结构200可使用粘结剂或环氧树脂粘结至光纤126。在另一个说明性实施例中，第一反射结构200可以熔融粘结至光纤126。进一步地，在仍其他说明性实施例中，第一反射结构200也可物理地或化学地粘结至光纤126。
[0079]在该说明性实施例中，腔系统204位于第一反射结构200和第二反射结构202之间。例如，第一反射结构200可位于腔系统204的第一侧上，而第二反射结构202可位于腔系统204的第二侧上，第一侧和第二侧彼此相对。如所描绘，腔系统204可包括腔组208。
[0080]在这些说明性实施例中，腔组208包括密封腔210。密封腔210可被密封，防止流体进入或从密封腔210流出。密封腔210不阻止光信号128传输进入密封腔210，从密封腔210输出，在密封腔210内传输，或它们的一些组合。
[0081]第一反射结构200和第二反射结构202可由多个不同类型的材料组成。例如，第一反射结构200和第二反射结构202可各自选自光子晶体反射镜、金属层、介电层、光栅、布拉格光栅、膜以及其他合适类型的反射结构的一种。
[0082]在这些说明性实施例中，第一反射结构200和第二反射结构202可允许光信号128中的一些或所有的光穿过反射结构。例如，这些反射结构可允许一些频率的光穿过反射结构。可穿过或被反射结构反射的光的量和光的频率取决于多个参数。例如，压力、温度和其他参数可影响被反射结构反射的光的量和光的频率。
[0083]在该说明性实施例中，不同的组件配置为产生响应130中的信息。例如，第一反射结构200配置为产生与温度120有关的信息。具有第一反射结构200和第二反射结构202的腔系统204配置为产生与压力122有关的信息。第二反射结构202配置为产生与折射率124有关的信息。
[0084]响应130中的信息可以是，例如，光的频率、光的强度以及与在光信号128中反射的光有关的其他特性。其他例子包括频移、光的相位、频谱形状、谱峰或谷的品质因数(Q)以及脉冲的色散中的至少一个。[0085]图1和图2中的传感器环境100和传感器环境100中不同组件的图解并不意味着对可实施说明性实施方式的方式施加物理或结构限制。除了图示的组件或替代图示组件可使用其他组件。一些组件可能是不必要的。而且，提供块以图解一些功能组件。当在说明性实施方式中实施时，这些块中的一个或多个可以组合、分解，或组合和分解成不同的块。
[0086]例如，除了光学传感器单元114，传感器系统104中可存在其他类型的传感器。例如，在这些说明性示例中也可存在有线传感器单元。在仍其他说明性示例中，光学传感器单元组114可以不通过光纤112直接连接至测量系统110。相反地，光纤112可连接至发送响应130的无线指示单元。响应130可以作为光信号通过空气，而不是通过光纤传输。在其他说明性实施例中，在信号中响应130可转换为数字或模拟形式，通过无线指示链路(indications link)发送。在仍另一个说明性实施例中，光学传感器单元118在腔组208内除了密封腔210，可具有一个或更多个密封腔。第一反射结构200和第二反射结构202可位于这些额外的密封腔的两侧上。在仍其他说明性实施例中，除了第一反射结构200和第二反射结构202，可存在额外的反射结构。
[0087]在图3中，依据说明性实施方式描绘关联光纤的光学传感器单元的图解。在该说明性示例中，光学传感器单元300显示为关联光纤302。光学传感器单元300是图1和图2的框图中显示的光学传感器单元118的一个物理实现方式的实施例。
[0088]在一个说明性实施例中，关联光纤302的光学传感器单元300可放置在平台的区域内，如飞机的燃料箱或发动机。例如，当光学传感器单元300用在燃料箱中时，光学传感器单元300可检测燃料箱的温度、压力和折射率。折射率可用于确定燃料箱中的燃料的成分。例如，折射率可用于确定是否存在污染物，燃料是否具有预期质量水平，或其一些组合。下面参考图4显示和描述304部分的更详细视图。
[0089]现在转到图4，依据说明性实施方式描绘关联光纤的传感器单元的更详细图解。具体地，显示图3中的304部分的更详细视图。
[0090]从该视图中可见，光学传感器单元300由衬底400形成。在该具体实施例中，衬底400是硅衬底。当然，根据具体实施可使用其他类型的衬底。例如，也可使用绝缘体上的硅(SOI)衬底以及其他合适的衬底。衬底400形成光学传感器单兀300的外壳结构。
[0091]在该说明性实施例中，夕卜壳结构402具有长方体的形状。外壳结构402的横截面具有矩形的形状。当然，在其他说明性实施方式中，外壳结构402可具有其他形状。例如，根据具体的实现方式，外壳结构402可具有立方体的形状、圆柱体的形状或一些其他合适的形状，
[0092]光学传感器单元300的不同组件用外壳结构402的内侧的虚线表示。在外壳结构402内，第一光子晶体反射镜404、密封腔406和第二光子晶体反射镜408可以以虚线可见。
[0093]如所描绘，第一光子晶体反射镜404位于部分410中，密封腔406位于部分412中，以及第二光子晶体反射镜408位于部分414中。这些不同的组件为光学传感器单元300提供检测温度、压力和折射率中的至少一个的能力。
[0094]在该说明性实施例中，在外壳结构402中见到通道416。尽管通道416显示为矩形格栅，可存在通道416的其他配置。例如，通道416被设置成六边形格栅。
[0095]在图5中，依据说明性实施方式描绘了关联光纤的光学传感器单元的剖视图的图解。沿着图4中的线5-5可见部分304中关联光纤302的光学传感器单元300的剖视图。[0096]如所描绘，光学传感器单元300关联光纤302的包层501内侧的芯体500。该关联使得光信号502可被传输至光学传感器单兀300,并且可从光学传感器单兀300接收响应503。在该说明性实施例中，光学传感器单元300中的不同组件一起作用以提供与多个不同的参数有关的信息。具体地，第一光子晶体反射镜404、密封腔406和第二光子晶体反射镜408配置为使得这些组件的变化反射在响应503中。因此，响应503提供与参数，如温度、压力和折射率的组合有关的信息。
[0097]在一些说明性实施例中，光学传感器单兀300的一个或更多个部分与光学传感器单元300的其他部分相比，对一个或更多不同的参数更敏感。作为一个例子，第一光子反射镜404对温度变化更敏感，因为第一光子晶体反射镜404被封装在光学传感器单元300内部。换言之，由于第一光子晶体反射镜404的位置在光学传感器单兀300内部,光学传感器单元300外面的压力和折射率变化对第一光子晶体反射镜404可具有忽略不计的影响。
[0098]作为另一个例子，密封腔406对压力变化更敏感。密封腔406可随着物体周围的压力变化而扩张和收缩。作为又一个例子，第二光子晶体反射镜408对折射率变化更敏感。因此，根据相对于物体发生的变化的类型，第一光子晶体反射镜404、密封腔406和第二光子晶体反射镜408的反射率的组合提供响应503中与温度、压力和折射率中的至少一个有关的彳目息。
[0099]在操作中，具有第一频率的光信号502可以被发送至光学传感器单兀300。光信号502可反射为响应503。由光学传感器单元300反射为响应503的光信号502中的光的强度可根据温度而变化。另外，频率也可根据温度而改变。在这些说明性实施例中，频率是响应503中光的光谱含量的频率。
[0100]光信号502可被发送至具有与第一频率不同的第二频率的光学传感器单元300。密封腔406、第一光子晶体反射镜404和第二光子晶体反射镜408可产生包括与压力有关的信息的响应503。
[0101]例如，随着外壳结构402上的压力变化，密封腔406的尺寸也可变化。光信号502在第一光子晶体反射镜404和第二光子晶体反射镜408之间的密封腔406内反射的方式变化可用于确定外壳结构402上的压力。具体地，该变化可以是响应503中光的强度。该变化可用于确定第一光子晶体反射镜404和第二光子晶体反射镜408之间的距离。该距离可随着压力的变化而变化。因此，该距离可用于确定压力。
[0102]光信号502可选用第三频率，以检测光学传感器单兀300周围环境的折射率。光学传感器单元300的周围环境可以是，例如，流体。该流体可以是，例如，燃料。在这种情况下，来自光学传感器单元300中的组件的响应503可包含确定流体的折射率所需的信息。
[0103]现在参考图6，依据说明性实施方式描绘了硅衬底中的光学传感器单元的图解。在该说明性实施例中，光学传感器单兀600显在娃衬底602中。如所描绘,娃衬底602米用硅晶片的形式。
[0104]可使用当前可用的半导体处理技术在硅衬底602中形成光学传感器单元600。然后，光学传感器单兀600可与娃衬底602分离并且连接至光纤。
[0105]光学传感器单元604是光学传感器单元600中光学传感器的例子。下方在图7中显示光学传感器单元604的更详细图解。在图7中，依据说明性实施方式描绘了晶片中的光学传感器的剖视图的图解。在该图解中，显示图6中沿线7-7的光学传感器单元604的剖视图。在该剖视图中，光学传感器单元604具有第一光子晶体反射镜700、第二光子晶体反射镜702和密封腔704。在该剖视图中也显示释放腔706和部分708。
[0106]在说明性实施例中，硅衬底602中的释放腔706和部分708不是光学传感器单元604的一部分。但是，这些组件用于使用半导体工艺制造光学传感器单元604。当光学传感器单元604与硅衬底602分离时，丢弃或移除部分708。因此，当光学传感器单元604从硅衬底602移出时,表面710形成光学传感器单兀604的外表面。
[0107]参考图8-14，依据说明性实施方式描绘了在硅衬底上制造光学传感器单元过程的剖视图的图解。在该说明性示例中，使用反应性离子蚀刻(RIE)实施光学传感器单元的形成。
[0108]在图8中，依据说明性实施方式描绘了具有热氧化层的衬底的剖视图。在该描绘的示例中，硅衬底800显示为具有在硅衬底800的表面804上形成的热氧化层802。在该说明性实施例中，热氧化层802为约700nm厚。硅衬底800可以是为约400 μ m至约500 μ m厚的标准娃晶片。在其他说明性实施例中，娃衬底800可以是约200 μ m至约Imm厚的娃晶片。例如，如果硅衬底800是4in硅晶片，则厚度可以从约300 μ m至约600 μ m。
[0109]接下来，在图9中，依据说明性实施方式描绘了带有图案光致抗蚀剂的衬底的剖视图。在该说明性实施例中，光致抗蚀剂层900已经在热氧化层802上形成。如所描绘，光致抗蚀剂层900是约700nm厚。
[0110]另外，光致抗蚀剂层900以图案化的形式显示。光致抗蚀剂层900中的图案包括开孔902。开孔902暴露部分热氧化层802用于蚀刻。在该说明性实施例中，热氧化层802已经被蚀刻并且暴露硅衬底800的部分表面804。在该说明性实施例中，开孔902中的开孔与另一个开孔的中心至中心间隔开约820nm的距离。
[0111]在存在开孔902的地方移除部分热氧化层802。在该说明性实施例中，反应性离子蚀刻(RIE)用于移除该部分热氧化层802。该部分热氧化层802的移除暴露了硅衬底800的部分表面804。在已经暴露硅衬底800的部分表面804之后移除光致抗蚀剂层900。
[0112]在图10中，已经在硅衬底800的暴露的部分表面804进行反应性离子蚀刻(RIE)。结果是延伸进入硅衬底800的通道1000。进行热氧化，以在通道1000的壁上形成热氧化层1002。在该说明性实施例中，通道1000的壁上热氧化物的厚度是约70nm。
[0113]进一步地，为了更清楚地图解如何制造不同的结构，在通道1000的剖视图中仅显示四个通道。未显示其他的通道，以避免混淆如何制造光学传感器单元的不同结构的图解。实际上，在实际的光学传感器单元中，可存在数千个通道。例如，通道1000可以以200x200通道的格栅排列。因此，该实施例中的横截面有200个通道。如所描绘，部分热氧化层1002已经从通道1000的底侧1004移除。这些部分的移除暴露通道1000的底侧1004上的硅衬底800。在说明性实施例中，通道1000可具有约500nm的直径。可选择通道1000的直径使得通道1000可使用热氧化密封。
[0114]在图11中，进行反应性离子蚀刻，以使通道1000进一步延伸进入硅衬底800。延伸的部分(未显示)没有热氧化层1002。然后，在该说明性实施例中使用SF6进行各向同性底切蚀刻。当然，根据具体实施，可使用其他化学品进行各向同性底切蚀刻。例如，也可使用CF4。这些步骤导致腔1100、腔1102和腔1104的形成。层1106位于腔1102的上方。层1106的厚度为约500nm。层1106是将要形成第一反射镜的部分。当制造完成时，膜悬浮在硅衬底800上。在该说明性实施例中，腔1102上方的区域层1106是光子晶体膜。层1106通过两侧连接至硅衬底800。两侧是支柱结构1103和支柱结构1105。支柱结构1103位于腔1100和腔1102之间。支柱结构1105位于腔1102和腔1104之间。尽管横截面显示2个支柱，实际上在3D结构中是环。该环可以是任何闭合的多边形，尽管最常见的是圆形或方形。
[0115]接着，在图12中，通道1200已经被蚀刻至硅衬底800中并且热氧化层1202已经在通道1200的壁上形成。另外，热氧化层1202也在腔1100、腔1102和腔1104中形成。在该说明性实施例中，每个通道1200具有约400nm或更小的直径。以类似的方式，部分热氧化层1202已经从通道1200壁的底侧1204移除。
[0116]转到图13，依据说明性实施方式进行各向同性底切蚀刻。具体地，进行反应性离子蚀刻以延伸通道1200。通道1200的延伸没有热氧化层1202。然后，可使用XeF2进行各向同性底切蚀刻并且导致腔1300的形成。当然，可使用其他化学品进行各向同性底切蚀刻。例如，也可使用CF4和SF6。在该说明性实施例中，层1302位于腔1102和腔1300之间。在该说明性实施例中，层1302具有约400nm的厚度并且是在处理完成时将形成第二光子晶体反射镜部分的部分。
[0117]接着，在图14中，热氧化层1400在腔1300中形成。热氧化物的形成也密封通道1000和连接至腔1102的部分通道1200。因此，在该说明性实施例中，热氧化物的形成使得腔1102成为密封腔1402。如所描绘，腔1300连通腔1100和腔1104。腔1100连通层1106中的通道1404并且腔1104连通层1106中的通道1406。这种配置帮助密封腔1102，以形成密封腔1402。可见，层1106包括热氧化层802、层1106中的硅衬底800、填充有热氧化物的通道1000和在密封腔1402的顶侧1410上形成的热氧化层1408。层1302包括在密封腔1402的底侧1414上的热氧化层1412、填充有热氧化物的通道1200和硅衬底800。
[0118]然而，这些层不包括部分1416。部分1416是可移动的部分并且可被移除，以形成光学传感器单兀1418。
[0119]不同横截面的图解和用于形成光学传感器单元的步骤的描述不意味着显示在硅衬底上制造光学传感器单元的每个步骤。显示的不同横截面意味着图解用于制造光学传感器单元的一些步骤。例如，没有显示无图案的光致抗蚀剂的剖视图。进一步，剖视图中显示的不同结构并不意味着是成比例的或显示光学传感器单元的实际尺寸。
[0120]作为另一个说明性实施例，所描绘的不同步骤也可用于硅衬底之外的其他衬底。例如，可使用绝缘体上硅(SOI)衬底。
[0121]接着，参考图15，依据说明性实施方式描绘了光学传感器单元的剖视图的图解。光学传感器单元1500是图1中光学传感器单元118的一个物理实施的实施例。在该说明性实施例中，光学传感器单元1500在具有部分1504中的第一反射结构1502、部分1508中的密封腔1506，以及部分1512中的第二反射结构1510。
[0122]从该实施例中可见，第一反射结构1502包括通道1514、腔1516和通道1518。这三层可提供增加的反射率。另外，这三层的配置可增加光学传感器单元1500相对检测温度和压力的灵敏度。
[0123]接着参考图16，依据说明性实施方式描绘了光学传感器单元的剖视图的另一个图解。光学传感器单元1600是图1中光学传感器单元118的一个物理实施的实施例。在该说明性实施例中，光学传感器单元1600具有部分1604中的第一反射结构1602、部分1608中的密封腔1606以及部分1612中的第二反射结构1610。
[0124]从该说明性实施例中可见，第一反射结构1602具有设置在三层中的通道1614、腔1616和通道1618。另外，第二反射结构1610具有设置在两层中的通道1620和腔1622。这两层可提供增加的参数检测的灵敏度。例如，这两层可提供增加的压力检测的灵敏度。
[0125]参考图17，依据说明性实施方式描绘了光学传感器单元的剖视图的另一个图解。光学传感器单元1700是图1中光学传感器单元118的一个物理实施的实施例。在该说明性实施例中，光学传感器单元1700具有部分1704中的第一反射结构1702、1708部分中的密封腔1706以及1712部分中的第二反射结构1710。
[0126]第一反射结构1702包括通道1714、腔1716和通道1718。在该说明性实施例中，这些结构设置在三层中。第二反射结构1710包括设置在两层中的通道1720和腔1722。在该说明性实施例中，代替在其他实施例中显示的单个腔，提供腔1706。腔1706可为光学传感器单元1700提供更坚固的结构。换言之，腔1706可导致形成传感器单元的结构的强度增加。随着强度的增加，压力变化变得较不敏感。因此，可更容易确定其他参数，如温度和折射率。
[0127]图3-17中显示的不同组件可组合图1-2中的组件，与图1_2中的组件一起使用，或两者的组合。另外，图3-17中的组件的一些可以是图1-2的框形中显示的组件可如何实施为物理结构的说明性实施例。
[0128]现在参考图18，依据说明性实施方式描绘了用于检测多个参数的过程的流程图的图解。图18中图解的过程可以使用具有图1中光学传感器单元114的传感器系统104实施。
[0129]该过程开始于发送光信号进入光学传感器单元(操作1800)。然后该过程接收由光学传感器单元产生的响应(操作1802)。此后，从响应中确定多个参数(操作1804)，随后该过程终止。
[0130]接着转到图19，依据说明性实施方式描绘了用于形成光学传感器单元的过程的流程图的图解。在该流程图中图解的不同操作可用于形成图1中的光学传感器单元118。
[0131]该过程开始于在硅衬底中形成通道，通道的壁上有热氧化物(操作1900)。在该说明性实施例中可使用反应性离子蚀刻形成通道。这些通道所在的层是第一反射结构的一部分。
[0132]然后该过程在包含第一通道的层的下方形成腔(操作1902)。
[0133]然后该过程形成第二通道，在第二通道的壁上有热氧化物(操作1904)。该操作也在腔中形成热氧化物。在腔上部分上的该热氧化物是第一反射结构的一部分。在腔下部分上的热氧化物是第二反射结构的一部分。
[0134]该通道与腔上方的上层中的通道对齐。这些第二通道所在的层是第二反射结构的一部分。然后该过程形成密封第一通道和第二通道的额外热氧化物，使得腔成为密封腔(操作1906),其后该过程终止。
[0135]在所描绘的不同实施方式中的流程图和框图描述说明性实施方式中的装置和方法的一些可能的实施的架构、功能和操作。就此而言，流程图或框图中的每个块可表示模块、部分、功能和/或操作或步骤的一部分。[0136]在说明性实施方式的一些可选实施中，在块中记录的一种或多种功能可以不以图中记录的顺序发生。例如，在某些情况下，连续显示的两个块可以基本同时执行，或这些块有时以相反的顺序执行，这取决于所涉及的功能。而且，除了在流程图或框图中显示的块，可以添加其他的块。
[0137]例如，在图19中的流程图中，可执行形成光学传感器单元的额外操作。这些额外操作可包括在第一反射结构和第二反射结构中形成额外的腔。
[0138]说明性实施方式可以在图20中显示的飞机制造和使用方法2000和图21中显示的飞机2100背景下描述。首先转到图20，依据说明性实施方式描绘了飞机制造和使用方法的图解。在生产前期间，飞机制造和使用方法2000可包括图21中的飞机2100的规格和设计2002以及材料获取2004。
[0139]在生产期间，进行图21中的飞机2100的部件和子组件制造2006和系统集成2008。然后，图21中的飞机2100可通过发照和交货2010以便开始使用2012。当通过客户使用2012时，图21中的飞机2100按计划进行日常维修和保养2014，其可包括改进、重新配置、整修和其他维护或保养。
[0140]飞机制造和使用方法2000中的每个过程可由系统集成商、第三方和/或操作者执行或实施。在这些实施例中，操作者可以是客户。为了该描述的目的，系统集成商可包括但不限于任意数量的飞机制造商和主系统分包商；第三方可包括但不限于任意数量的销售商、分包商和供应商；以及操作者可以是航空公司、租赁公司、军事实体、服务组织等。
[0141]现在参考图21，描绘了可实施说明性实施方式的飞机的图解。在该实施例中，飞机2100由图20中的飞机制造和使用方法2000生产并且可包括带有多个系统2104的机身2102和内部2106。系统2104的例子包括一个或多个推进系统2108、电力系统2110、液压系统2112、环境系统2114和传感器系统2116。可包括任意数量的其他系统。尽管显不航空的例子，但是不同的说明性实施方式可以应用到其他行业，如汽车工业。本文中实施的装置和方法可以在图20中的飞机制造和使用方法2000的至少一个阶段期间使用。
[0142]在一个说明性实施例中，在图20中的部件和子组件制造2006中生产的部件和子组件可以以与飞机2100在图20中使用2012时生产的部件或子组件类似的方式制作或制造。作为另一个实施例，在生产阶段期间，如图20中的部件和子组件制造2006和系统集成2008，可利用一个或更多个装置实施方式、方法实施方式或它们的组合。例如，光学传感器单元可以在部件与子组件制造2006和系统集成2008期间制造并安装在传感器系统2116中。
[0143]当飞机2100在图20中使用2012时和/或维修和保养2014期间，可使用一个或更多个装置实施方式、方法实施方式或它们的组合。例如，光学传感器单元可用于检测飞机2100的不同区域如燃料箱、发动机、辅助动力装置、乘客舱或飞机2100的其他合适的区域中的各种参数。作为另一个实施例，光学传感器单元可以在升级、整修、维修和保养2014中的兄弟维修(brother maintenance)期间安装。许多不同说明性实施方式的使用可大大加快飞机2100的装配和/或降低飞机2100的成本。
[0144]因此，利用光学传感器单元，如在不同图中图解的那些，与使用电传感器相比，可实现减小飞机中的传感器系统的尺寸和重量。进一步地，光学传感器单元不需要屏蔽或接地并且不受电磁干扰的影响。[0145]说明性实施方式可在飞机的不同区域，如燃料箱、发动机或一些其他合适的区域尤其有利。进一步，利用光学传感器，也可减少操作感测系统所需要的功率的量。
[0146]进一步，利用能够检测多个参数的光学传感器单元，可减少在燃料箱中形成以提供与参数有关的信息的孔。进一步地，与电传感器相比不需要屏蔽和其他隔离，可降低飞机中传感器系统的设计和安装的复杂度。
[0147]为了说明和描述的目的，已经呈现了不同的说明性实施方式的描述，并且不旨在是穷举的或限于所公开形式的实施方式。许多修改和变化对于本领域技术人员是显而易见的。
[0148]进一步，不同的说明性实施方式可提供与其他说明性实施方式不同的特征。选择和描述所选择的一个或多个实施方式，以便更好地解释实施方式的原理、实际应用，以及使得本领域的其他普通技术人员能够理解具有适于考虑的具体应用的各种变型的各种实施方式的公开。
【权利要求】
1.一种光学传感器单元(118、300、604、1500、1600、1700)，其包括: 第一反射结构(200、1502、1602、1702)，其配置为与光纤(126,302)关联； 第二反射结构(202、1510、1610、1710);以及 腔系统(204)，其位于所述第一反射结构(200、1502、1602、1702)和所述第二反射结构(202、1510、1610、1710)之间。
2.权利要求1所述的光学传感器单元(118、300、604、1500、1600、1700)，其中所述光学传感器单元(118、300、604、1500、1600、1700)配置为产生对光信号(128,502)的响应(130、.503)，其包括与温度(120)、压力(122)和折射率(124)中的至少一个有关的信息(132)。
3.权利要求1或2所述的光学传感器单元(118、300、604、1500、1600、1700)，其中所述腔系统(204)包括:密封腔(210、406、1402、1506、1606、1706)。
4.权利要求1、2或3所述的光学传感器单元(118、300、604、1500、1600、1700)，其进一步包括: 测量系统(110)，其配置为将光信号(128、502)经过所述光纤(126、302)发送至光学所述传感器单元(118、300、604、1500、1600、1700)并检测由所述光学传感器单元(118、300、.604、1500、1600、1700)产生的对所述光信号(128,502)的响应(130,503) ?
5.权利要求1至4所述的光学传感器单元(118、300、604、1500、1600、1700)，其中所述第一反射结构(200、1502、1602、1702)、所述第二反射结构(202、1510、1610、1710)和所述腔系统(204)配置为产生与温度(120)、压力(122)或折射率(124)有关的信息(132)。
6.权利要求1至5所述的光学传感器单元(118、300、604、1500、1600、1700)，其中所述第一反射结构(200、1502、1602、1702)和所述第二反射结构(202、1510、1610、1710)是光子晶体反射镜；并且所述腔系统(204)是位于第一光子晶体反射镜(404、700)和第二光子晶体反射镜(408,702)之间的密封腔(210、406、1402、1506、1606、1706)。
7.权利要求6所述的光学传感器单元(118、300、604、1500、1600、1700)，其中所述第一光子晶体反射镜(404、700)、所述第二光子晶体反射镜(408、702)和所述密封腔(210、406、.1402、1506、1606、1706)配置为产生与温度(120)、压力(122)或折射率(124)有关的信息(132)。
8.一种用于检测参数组(116)的方法，所述方法包括:
将光信号(128,502)发送至光学传感器单元(118、300、604、1500、1600、1700)，所述光学传感器单元(118、300、604、1500、1600、1700)包括第一反射结构(200、1502、1602、.1702)，其配置为与光纤(126,302)关联；第二反射结构(202、1510、1610、1710);以及位于所述第一反射结构(200、1502、1602、1702)和所述第二反射结构(202、1510、1610、1710)之间的腔系统(204)； 检测由所述光学传感器单元(118、300、604、1500、1600、1700)产生的响应(130,503)； 从所述响应(130、503)中确定所述参数组(116)。
9.权利要求8所述的方法，其中所述参数组(116)选自温度(120)、压力(122)和折射率(124)中的至少一个。
10.一种飞机(106、2100)，其包括权利要求1至8所述的光学传感器单元(118、300、.604、1500、1600、1700)。
【文档编号】G01D5/28GK103983287SQ201410048531
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年2月12日 优先权日:2013年2月12日
【发明者】M·A·卡拉莱罗, O·索利加德, X·吴, B·S·帕克 申请人:波音公司