CN101965505B - 具有集成的滤波器的波长光谱学设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及波长光谱学设备，在衬底(SUB)上包括由两个被间隔膜(SP)分隔的镜(MIR1，MIR2；M1，M2)构成的滤波模块。该滤波模块包括多个干涉滤波器(FP1，FP2，FP3；IF11-IF44)，所述间隔膜SP的厚度对于一个给定的滤波器是不变的，而对于不同的滤波器是有改变的。
Description
技术领域
本发明涉及一种波长光谱学设备。
背景技术
光谱测定分析尤其用于寻求组成固体、液体或气体介质的化学成分。它用于记录该介质的反射或透射吸收光谱。与该介质相互作用的光线在某些波长带中被吸收。这种有选择的吸收是该介质的一部分或全部构成成分的标志。待测量光谱波长范围可属于光谱的紫外线和/或可见辐射和/或(近、中、远)红外线部分。
第一种解决方案借助于光栅光谱仪。在此仪器中，充当滤波器的光栅被放置在离探测器很远的距离处。距离越远，分辨率越好。由此可见，若希望保持可接受的分辨率，该设备则不能被微型化。而且，这一设备的调节是复杂的并且它的稳定性是敏感的，因为它需要精确的光学校准。
大部分地其它光谱仪使用至少一个法布里-珀罗(Fabry-Pérot)滤波器。
为提供参考起见，这样一种滤波器是被称为间隔膜(英语术语更常见的是“spacer”(间隔))的(最常见的是如空气、二氧化硅……等弱折射率的)材料的具有平行表面的薄片，这一膜片出现在两个镜之间。它经常通过在真空中沉积薄层来实现。因此，对于具有以中心波长λ为中心的通带的滤波器，第一镜包括m层交替的光学厚度为λ/4的高折射率材料H层和低折射率材料B层。间隔膜经常包括两层光学厚度为λ/4的低折射率材料B层。通常第二镜与第一镜对称。间隔膜几何厚度的改变使得能够将滤波器调谐到该中心波长，而对于该中心波长，光学厚度是λ/2的倍数。
在某些情况下，有限数量的相对细的通带(即与连续光谱相反的离散光谱)足够用于识别被寻求的成分，因而上述第一解决方法不是最优的。
第二种已知的解决方法提供一种滤波模块，其对于每一个待分析谱带包含一个滤波器。若谱带的数量为n，则实现n个滤波器需要n次相区别的真空沉积制作。因此对于短的系列来说成本非常大(并且几乎与谱带的数量n成比例)并且仅对于足够长的系列来说才变得真正有意义。除此之外，这里微型化的可能性也非常有限，而且提供大量的滤光镜是难以实现的。
第三种已知解决方法利用法布里-珀罗类型的滤波模块，这两个镜不再是平行的而是被布置形成角度，这是由于其涉及与衬底垂直的平面中的轮廓。在参考平面Oxy中，轴Ox和Oy分别与衬底线性对应(colinéaire)并垂直，间隔膜沿Oy的厚度根据其被测量的Ox位置呈线性变化。
文件US2006/0209413教导了包含这种滤波模块的波长光谱学设备。由此可知调谐波长在这里以连续方式沿Ox轴变化。首先，这里“薄层”方法的控制非常困难。其次，同一晶片上集体制造多个滤波模块使得从一个滤波器向另一个的复制具有很大的难度。第三，在某些情况下可能呈现优点的厚度的持续变化无法适应探测器应该精确位于波长中心的情况。事实上，该探测器的尺寸意味着其将探测所有包含在它的两端所调谐到的部分之间的波长。这里同样地，低成本批量生产并不是很现实的。
发明内容
本发明因此旨在提供一种由有限数量的滤波器组成的波长光谱学设备，使得能够测量透射或反射光谱，该设备表现出极大的机械简便性，并因而成本很有限。
根据本发明，一种波长光谱学设备在衬底上包括由两个被间隔膜分隔的镜构成的滤波模块；另外，该滤波模块包括多个干涉滤波器，该间隔膜SP的厚度对于一个给定的滤波器是不变的，而对于不同的滤波器是有改变的。
薄层技术操作的次数事实上被显著减少并且不再需要在同一载体上装配不同的滤波器。
有利的是，这些滤波器中的至少一个具有通带传输(transfert)功能。
除此之外，这些滤波器中的至少一些滤波器在第一带中排成行。
另一方面，这些滤波器中的至少一些滤波器在与第一带平行且与其隔开的第二带中排成行。
此外，这些滤波器中至少两个相邻的滤波器由串扰屏障分隔开。
最好是，该设备还包括含有多个单格的探测器，每一个有效单格专用于其中一个滤波器并与该滤波器光学对准，以便借助于至少一个探测单元探测滤波器发出的辐射。
此外，一个单格装配有多个探测单元，该设备包括用于通过组合这些单元的输出信号来生成信号的装置。
最好是，该探测器通过CMOS技术被一体化。
根据第一种选项，衬底由位于该探测器上的界面构成。
根据另一种选项，该设备包括用于使滤波器的尺寸适合于探测器的尺寸的成像光学部件。
附图说明
本发明将在下面参考附图的实施例的描述内容中更详细地呈现，这些附图为：
图1，一维滤波模块的原理示意图，更详细地：
图1a，该模块的俯视图，以及
图1b，该模块的截面图；
图2a至2c，该滤波模块的第一种实施方式的三步骤；
图3a至3f，该滤波模块的第二种实施方式的六个步骤；
图4，二维滤波模块的原理示意图；
图5a至5f，可以在蚀刻步骤期间被使用的每一个掩模；
图6，具有64个滤波器并配有一个屏蔽网格(quadrillage)的滤波模块示意图；
图7，包括直接与探测器关联的滤波模块的光谱学设备的示意图；以及
图8，包括通过成像光学部件与探测器关联的滤波模块的光谱学设备示意图。
在多幅图中出现的这些元件被分配唯一且相同的标号。
具体实施方式
参照图1a和1b，滤波模块包括三个依次排成行以便构成一个带的法布里-珀罗类型的干涉滤波器FP1、FP2、FP3。
该模块包括在例如玻璃或二氧化硅制的衬底SUB上叠放的第一镜MIR1、间隔膜SP和第二镜MIR2。
定义每个滤波器的中心波长的间隔膜SP因此对于一个给定的滤波器是恒定的，而对于不同的滤波器是有改变的。因为每个滤波器具有基本上矩形的表面，模块的轮廓具有阶梯形状。
利用薄层技术的滤波模块的第一种实施方式作为例子给出。
参照图2a，从在衬底SUB上沉积第一镜MIR1开始，而后是沉积用于定义间隔膜SP的称为TF的一个或一组电介质层。
参照图2b，该电介质被蚀刻：
-首先在第二FP2和第三FP3滤波器处被蚀刻，以便定义在第二滤波器FP2处间隔膜SP的厚度，
-随后在第三FP3滤波器处被蚀刻，以便在该处定义该间隔膜的厚度。
间隔膜SP在第一滤波器FP1上具有沉积的厚度。
参照图2c，第二镜MIR2被沉积在间隔膜SP上以全部完成这三个滤波器。
间隔膜SP可通过沉积电介质TF随后是如上所述的连续蚀刻操作来获得，但它同样可通过多次连续沉积薄层操作来获得。
例如，可以通过将间隔膜的光学厚度从1.4λ0/2修改到2.6λ0/2(当e在217nm和403nm之间变化时λ0＝900nm且n＝1.45)来扫描800至1000nm的波长范围。
在这里应该注意的是，间隔膜的厚度应足够小以便仅获得探测范围内的透射谱带。事实上，越增加这个厚度，满足条件[ne＝kλ/2]的波长的数量越增多。
第二种实现滤波模块的方法描述如下。
参照图3a，从在硅衬底SIL的下表面OX1和上表面OX2上实施热氧化开始。
参照图3b，衬底下表面OX1和上表面OX2分别被光敏树脂下层PHR1和光敏树脂上层PHR2覆盖。随后，通过光刻法在下层PHR1上开一个矩形开口。
参照图3c，下表面OX1的热氧化物与下层PHR1中的矩形开口相对地被蚀刻。这些下层PHR1和上层PHR2则被移除。
参照图3d，与矩形开口相对地进行衬底SIL的各向异性的蚀刻(例如结晶定向1-0-0)，下表面OX1的热氧化物用作掩模而上表面OX2的热氧化物用作蚀刻停止层。可以进行利用钾溶液(KOH)或四甲基氢氧化铵(TMAH)溶液的湿蚀刻或者等离子体干蚀刻。由此操作使得在矩形开口的底部只有一个氧化物膜继续存在。
参照图3e，这个氧化物被蚀刻：
-首先在第二滤波器FP2和第三滤波器FP3处被蚀刻，以便定义第二滤波器FP2处间隔膜SP的厚度，
-其次在第三滤波器FP3处被蚀刻，以便定义第三滤波器FP3处这一膜SP的厚度。
参照图3f，第一镜M1和第二镜M2被沉积在衬底SIL下表面OX1和上表面OX2上。
可以在需要时通过在下表面OX1和上表面OX2中的一个和/或另一个上沉积(未表示出的)钝化层来完成对滤波模块的制造。
本发明因此使得能够制造一组排成行的滤波器，这些滤波器因此能够在一维空间中被标注。
参照图4，本发明同样使得能够在二维空间中安排这样的一些滤波器。这种安排结构经常被命名为矩阵式的。
四个相同的水平带中的每一个包括四个干涉滤波器。第一带，它出现在图的上端，对应于矩阵的第一行并包含滤波器IF11至IF14。第二、第三、第四带各自分别包含滤波器IF21至IF24、滤波器IF31至IF34、滤波器IF41至IF44。
该结构被称为矩阵式的，因为滤波器IFjk属于第j个水平带并且还属于包含滤波器IF1k、IF2k、……、IF4k的第k个垂直带。
该滤波模块的制造方法可与上述两种方法中的任意一个类似。
因此，从在衬底上沉积第一镜然后沉积电介质开始。这一电介质被蚀刻：
-参照图5a，借助于遮蔽前两个水平带IF11-IF14和IF21-IF24的第一掩模MA1，
-参照图5b，借助于遮蔽第一水平带IF11-IF14和第三水平带IF31-IF34的第二掩模MA2，
-参照图5c，借助于遮蔽第一垂直带IF11-IF41和第二垂直带IF12-IF42的第三掩模MA3，并且
-参照图5d，借助于遮蔽第一垂直带IF11-IF41和第三垂直带IF13-IF43的第四掩模MA4。
随后，第二镜被沉积在由此被蚀刻的间隔膜上，以便全部完成矩阵4-4的16个滤波器。
借助于不同的掩模进行同样深度的蚀刻没有太大意义。然而，若希望获得滤波器厚度的规则增长，可以进行如下操作：
-借助于第四掩模MA4进行深度为p的蚀刻，
-借助于第三掩模MA3进行深度为2p的蚀刻，
-借助于第二掩模MA2进行深度为4p的蚀刻，以及
-借助于第一掩模MA1进行深度为8p的蚀刻。
另外可注意到，通过迭代的过程，利用图5e所示的第五掩模MA5和图5f所示的第六掩模MA6，可将上面描述的4-4矩阵转换成包含64个干涉滤波器的8-8矩阵。
第五掩模MA5，逻辑上在第一掩模MA1和第二掩模MA2之后，代表水平交替的四对黑带-白带。
同样地，第六掩模MA6，逻辑上在第三掩模MA3和第四掩模MA4之后，代表垂直交替的四对黑带-白带。
参照图6，希望能够确保使滤波模块的不同滤波器分离开，以便避免一个滤波器部分地重叠在另一个相邻滤波器上，以及使得可能出现的串扰问题最小化。为此，可以在滤波模块上添加构成串扰屏障以便为所有滤波器划定界限的网格(图上黑色部分)。若该模块被用于反射则这个网格将是进行吸收的，或者若是该模块被用于透射则这个网格将是进行反射的。例如，进行吸收的网格可通过黑铬(铬+铬氧化物)的沉积和蚀刻来实现，而进行反射的网格可通过铬的沉积和蚀刻来实现。
作为表示，滤波器的尺寸大小为300x300微米2的数量级。滤波器的其他尺寸当然是可能存在的，然而该尺寸应足以避免过于明显的衍射现象。
滤波模块可具有一种滤波器排、矩阵、六边形或其他任何特征的的组织结构。滤波器的外形可是任何一种(方形、矩形、六边形……)。
滤波模块被考虑到用于与探测器相关联，该探测器直接测量由至少一些滤波器生成的光通量，若这不是总量的话。这一探测器因此由多个单格构成，每个有效的(actif)单格专用于一个特定的滤波器。
根据本发明的另外一个特征，探测器是被一体化的。当有用辐射在350和1100纳米之间时，该探测器最好用CMOS技术实现。
参照图7，再次使用图4中所示的滤波模块MF用于透射。它在光学上与探测器DET对准，探测器的各单格与滤波器同位相似。因此，第一单格CP11、第二单格CP12、第三单格CP13分别被规定用于接收分别由第一滤波器IF11、第二滤波器IF12、第三滤波器IF13透射的光通量。更为普遍的方式是，属于探测器DET的第j行和第k列的单格CPjk接收属于滤波模块MF的第j行和第k列的滤波器IFjk所透射的辐射。有利的是，一个单格具有多个独立的探测单元，因为这些探测单元通常具有6微米数量级的尺寸。提供用于通过组合这些不同单元的输出信号来生成该单格所接收的光通量的估计信号的装置。同样有可能的是对这些输出信号求平均值，去除这些信号中明显远离这一平均值的信号或执行技术人员已知的任何处理。
装配非常简单，因为几乎不包含光学配件并且也不包含移动配件。测量因此非常稳定而且是易于再现的。
若滤波模块被直接一体化在探测器界面上，装配操作甚至可被取消。这个界面可以是一个钝化层或者直接是该探测器的上表面。
参照图8，该光谱学设备包括布置在滤波模块MF和探测器DET之间的成像光学部件OPT，例如物镜。这一光学部件的目的在于使滤波模块MF的尺寸适合于探测器DET的尺寸。该光学部件能够进行扩大或减小。在后一情况下，以滤波模块面积和该探测器面积之间的比率增加探测器接收到的光通量。
上面描述的本发明的实施例是考虑它们的具体特征选择的。然而不可能以穷举方法将本发明涵盖的所有实施方式一一列举。尤其是，所述的任何方式均可在不超出本发明框架的情况下由一种等效的方式替代。
Claims (12)
1.一种波长光谱学设备，在衬底(SUB)上包括由两个被间隔膜(SP)分隔的镜(MIR1，MIR2；M1，M2)构成的滤波模块，
其特征在于，所述滤波模块包括多个干涉滤波器(FP1，FP2，FP3；IF11-IF44)，所述间隔膜(SP)的厚度对于一个给定的滤波器是不变的，而对于不同的滤波器是变化的。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述滤波器(FP1，FP2，FP3；IF11-IF44)中的至少一个具有通带传输功能。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述滤波器中的至少一些滤波器(FP1，FP2，FP3；IF11-IF14)在第一带中排成行。
4.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述滤波器中的至少一些滤波器(FP1，FP2，FP3；IF11-IF14)在第一带中排成行。
5.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述滤波器中的至少一些滤波器(IF21-IF24)在与第一带平行且与其隔开的第二带中排成行。
6.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述滤波器中的至少一些滤波器(IF21-IF24)在与第一带平行且与其隔开的第二带中排成行。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的设备，其特征在于，所述滤波器(FP1，FP2，FP3；IF11-IF44)中的至少两个相邻的滤波器由串扰屏障分隔开。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的设备，其特征在于，它还包含含有多个单格(CP11-CP44)的探测器(DET)，每一个有效单格专用于所述滤波器(FP1，FP2，FP3；IF11-IF44)中的一个且与该滤波器光学对准，以便借助于至少一个探测单元探测滤波器发出的辐射。
9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述单格(CP11-CP44)装配有多个探测单元，所述设备包括用于通过组合所述多个探测单元的输出信号来生成信号的装置。
10.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述探测器(DET)通过CMOS技术被一体化。
11.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，所述衬底由位于所述探测器(DET)上的界面构成。
12.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，它包括用于使所述滤波器(FP1，FP2，FP3；IF11-IF44)的尺寸适合于所述探测器(DET)的尺寸的成像光学部件(OPT)。
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