CN108333123A - 一种基于mim波导技术的cmos光谱仪 - Google Patents
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Abstract
一种基于MIM波导技术的CMOS光谱仪，沿入射光线依次包括：光导纤维；容器皿，盛有溶液，设置于溶液支撑架上；第七金属层，与透过溶液的入射光线耦合；第七金属层的光学壁与第四金属层的光学壁相对设置；金属散射结构；包括设置于第四金属层和第七金属层之间的像素点阵、光盾、光栅结构和MIM波导；从第七金属层的光学壁反射入第四金属层的光学壁的入射光线通过光栅结构和MIM波导散射呈罗兰圆状，罗兰圆与光栅结构的中点相切形成凹面光栅；像素点阵位于第四金属层的光学壁内部；像素点阵上的二极管的点位与罗兰圆的圆弧光相对应。以MIM波导技术和CMOS探测器为基础，实现光谱仪微型化，具有适用范围广，光通损失少，适用寿命长的优点。
Description
技术领域
本发明属于光谱测量技术领域，具体涉及一种基于MIM波导技术的CMOS光谱仪。
背景技术
光谱仪器是进行光谱学研究和物质分析的仪器，被应用于多种领域，如化学成分的浓度检测、大气污染物检测、医疗保健、传感、成像和诊断等。传统的光谱仪由于体积庞大、结构复杂、使用环境受限等原因，不能满足实时和现场检测。针对此现象，在保证测量精度的前体下，开发芯片级的光谱仪已经成为当前光谱测量技术的研究热点。
随着科技的不断进步，不同的光谱仪不断地出现，但是都不能摆脱经典的光谱仪结构。光谱仪的经典结构在可见光和近红外( NIR)范围内，包括一个组装为一体的分立光学和电子部件中，这些部件包括用于光色散的光栅、凹面镜为了聚焦和准直，透镜和其它无源光学器件和用于光检测的线性图像传感器。但是这个结构是非集成化，并且造价昂贵。虽然在发展的过程中，这些微型器件的成本和尺寸确实以牺牲诸如较低光谱的性能为代价而降低分辨率、成本和尺寸，但是对于真正的芯片级的微型光谱仪来说，由于各种传统光学器件的存在，实现难度是较大的。目前在可见光范围内，光学滤波器阵列已经被制造在图像传感器的顶部，并用来分辨光谱。可以实现滤波器阵列或者通过图案化多个电介质层或者通过沉积精确生长的可变法布里-珀罗谐振腔导致空间上不同的光传输带的厚度分布在不同的像素点上。显然，这些设计方法需要给出多个复杂精确的步骤后，才能被制造。从而增加相当多的工艺和费用，价格是昂贵的。另一方面，在红外区域，特别是在电信波段约1.5μm，窄带芯片规模基于内侧多重光学散射的光谱仪硅波导已经被证明是可行的。然而，它实现需要传感器芯片外的检测器阵列，并且基于硅波导的设计的光谱仪器不能用于可见光范围。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种基于MIM波导技术的CMOS光谱仪，以MIM波导技术和CMOS探测器为基础，实现光谱仪微型化，具有适用范围广，光通损失少，适用寿命长的优点。
为了达到以上目的，提供一种基于MIM波导技术的CMOS光谱仪，沿入射光线依次包括：
光导纤维；
容器皿，盛有待测溶液，设置于溶液支撑架上；
第七金属层，与透过溶液的入射光线耦合；第七金属层的光学壁与第四金属层的光学壁相对设置；
金属散射结构；包括设置于第四金属层和第七金属层之间的像素点阵、光盾、光栅结构和MIM波导；从第七金属层的光学壁反射入第四金属层的光学壁的入射光线通过光栅结构和MIM波导散射呈罗兰圆状，罗兰圆与光栅结构的中点相切形成凹面光栅；像素点阵位于第四金属层的光学壁内部；像素点阵上的二极管的点位与罗兰圆的圆弧光相对应。
本发明的优选方案是：溶液支撑架的中心设有置入容器皿的凹槽。凹槽的底端为透明，其上设有通孔。
优选地，溶液支撑架固接于基板的上端面，基板上位于溶液支撑架的右侧设置像素阵列，其前方设有光盾。
优选地，光栅结构为铜制光栅结构。
优选地，光导纤维的入射端的排布为阵列型。
优选地，像素阵列下方设有CMOS光电探测器。CMOS光电探测器的感光面接收射入的光谱，其输出端通讯连接上位机。
本发明有益效果为：
1、该装置通过MIM波导技术将各种器件集成一体，并结合CMOS光电探测器，将光谱系统集成为在可见光和近红外光范围内均适用的芯片级形式，具有结构紧凑，外观小巧，重量轻，便于携带，功耗低的优点。
2、装置中采用光盾屏蔽，可以有效避免杂散光干扰，提高光的利用率。
3、该装置可以通过改变光栅结构的材料来改变介电常数，使装置的适用范围更广，并能减少光通量的损失，提高使用寿命。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的运行流程图。
具体实施方式
实施例一
请参阅图1，本实施例提供一种基于MIM波导技术的CMOS光谱仪，沿光源2的入射光线依次包括：
光导纤维1；
容器皿，盛有待测溶液，设置于溶液支撑架10上；
第七金属层6，与透过溶液的入射光线耦合；第七金属层6的光学壁与第四金属层5的光学壁相对设置；
金属散射结构；包括设置于第四金属层5和第七金属层6之间的像素点阵9、光盾4、光栅结构3和MIM波导8；从第七金属层6的光学壁反射入第四金属层5的光学壁的入射光线通过光栅结构3和MIM波导8散射呈罗兰圆状，罗兰圆与光栅结构3的中点相切形成凹面光栅；像素点阵9位于第四金属层5的光学壁内部；像素点阵9上的二极管的点位与罗兰圆的圆弧光相对应。
入射光线通过光纤传输到溶液，再耦合在第七金属层6上，透过光圈和第七金属层6的光学壁反射到第四金属层5的光学壁上，形成金属-绝缘体-金属的低损耗光线传播方式，使入射光线在芯片内的波导区域内水平传播；由于光线在水平传播的过程中会发生散射，第四金属层5和第七金属层6之间采用光盾4屏蔽,以确保入射光线在波导区域内发生散射时，不会产生信号失真；随后散射的光谱在第四金属层5的光学壁内部形成不同半径的罗兰圆，从而形成光谱阵列，光谱阵列与第四金属层5的光学壁内部的像素点阵9上的点位进行拟合，然后光谱信号再被位于基板下方的光电探测器7接收。光电探测器7接收到信号，最后传入到上位机进行处理。
溶液支撑架10的中心设有置入容器皿的凹槽。凹槽的底端为透明，其上设有通孔。
溶液支撑架10固接于基板的上端面，可采用一体成型方式，避免产生位移和变形，基板上位于溶液支撑架的右侧设置像素阵列9，其前方设有光盾4。
MIM波导技术有七层金属层，第四金属层5和第七金属层6之间光栅结构为铜制光栅结构。
光导纤维1的入射端的排布为阵列型。通过MIM波导8传播的光波波导撞击在色散元件上并在光谱上被分成不同的波长，这些波长在空间上聚焦在不同的位于半径为r的圆上的点。该圆就是罗兰圆，罗兰圆和第四金属层5和第七金属层6之间的光栅结构3中点相切，则由光栅结构3形成的光谱呈在这个圆周上，也就形成了凹面光栅，也就具有了准直色散的功能，从而节省了光学器件。
像素阵列9下方设有CMOS光电探测器7。CMOS光电探测器7的感光面接收射入的光谱，线阵数字化的CMOS传感器收到的输出信号不需要经过A/D模块处理直接传输到上位机。
本装置通过MIM波导技术将各种器件集成一体，并结合CMOS光电探测器7，将光谱系统集成为在可见光和近红外光范围内均适用的芯片级形式。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于MIM波导技术的CMOS光谱仪，其特征在于，沿入射光线方向依次包括：
光导纤维；
容器皿，盛有待测溶液，设置于溶液支撑架上；
第七金属层，与透过溶液的入射光线耦合；所述第七金属层的光学壁与第四金属层的光学壁相对设置；
金属散射结构；包括设置于第四金属层和第七金属层之间的像素点阵、光盾、光栅结构和MIM波导；从所述第七金属层的光学壁反射入所述第四金属层的光学壁的入射光线通过所述光栅结构和所述MIM波导散射呈罗兰圆状，所述罗兰圆与所述光栅结构的中点相切形成凹面光栅；所述像素点阵位于所述第四金属层的光学壁内部；所述像素点阵上的二极管的点位与所述罗兰圆的圆弧光相对应。
2.根据权利要求1所述的一种基于MIM波导技术的CMOS光谱仪，其特征在于，所述溶液支撑架的中心设有置入容器皿的凹槽；所述凹槽的底端为透明，其上设有通孔。
3.根据权利要求1所述的一种基于MIM波导技术的CMOS光谱仪，其特征在于，所述溶液支撑架固接于基板的上端面，所述基板上位于所述溶液支撑架的右侧设置所述像素阵列，其前方设有光盾。
4.根据权利要求1所述的一种基于MIM波导技术的CMOS光谱仪，其特征在于，所述光栅结构为铜制光栅结构。
5.根据权利要求1所述的一种基于MIM波导技术的CMOS光谱仪，其特征在于，所述光导纤维的入射端的排布为阵列型。
6.根据权利要求1所述的一种基于MIM波导技术的CMOS光谱仪，其特征在于，所述像素阵列下方设有CMOS光电探测器；所述CMOS光电探测器的感光面接收射入的光谱，其输出端通讯连接上位机。
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