CN112903102B - 一种芯片级光谱仪及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光谱仪相关技术领域，其公开了一种芯片级光谱仪及其制备方法，所述方法包括以下步骤：(1)在基板上制备电极结构及沟道；(2)通过多材料混合电流体喷印在所述沟道内同位沉积不同体积不同成分的墨液，墨液在基板上融合成具有不同光谱吸收特性的材料薄膜，继而得到芯片级光谱仪。本发明所得到的光谱仪的分辨率可达到亚微米级别，并且可以图案化，光谱范围可控，成本较低，并易于实现小型化和集成化。

Description

一种芯片级光谱仪及其制备方法
技术领域
本发明属于光谱仪相关技术领域，更具体地，涉及一种芯片级光谱仪及其制备方法。
背景技术
光谱仪可把光信号转换成电信号，按工作波段可对紫外光、可见光、红外光进行探测，可用于工业测量、自动控制、红外遥感、军事航空、数据存储等诸多领域，在军事和国民生活中发挥着巨大作用。随着光电探测技术的发展，光谱仪逐渐朝着小型化、集成化、大光谱识别范围、低成本制造的方向发展，无疑对其设计与制备提出了诸多挑战。
目前大多数光谱仪采用的制备工艺主要有旋涂、真空干燥、气相生长等方法，旋涂和真空干燥法很难满足器件的小型化，对于大光谱识别范围，一般是通过能对不同光谱吸收的功能材料来实现，多用的气相生长法有着高的制造成本，并难以集成化，因此目前亟需一种简单可行且低成本的制造方法来满足上述要求。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种芯片级光谱仪及其制备方法，所述制备方法首先在洁净基板上制备电极结构与沟道，接着通过多材料混合电流体喷印在沟道中同位可控沉积不同体积不同成分的功能墨液，使其在基板上融合成具有不同光谱吸收特性的薄膜图案，然后根据材料特性在合适的条件下进行固化、后退火、封装等操作以得到芯片级光谱仪，且得到的光谱仪的分辨率可达到亚微米级别，并且可以图案化，成本较低，并易于实现小型化和集成化。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种芯片级光谱仪的制备方法，所述制备方法主要包括以下步骤：
(1)在基板上制备电极结构及沟道；
(2)通过多材料混合流体喷印在所述沟道内同位沉积不同体积不同成分的墨液，墨液在基板上融合成具有不同光谱吸收特性的材料薄膜，继而得到芯片级光谱仪；
其中，所述材料薄膜的厚度为10nm～10μm，光谱范围为10nm～300μm。
进一步地，所述基板为玻璃基板、硅基板或者柔性基板。
进一步地，步骤(2)中所采用的喷印方式为电流体动力学喷印。
进一步地，步骤(2)中所采用的喷头为金属喷头、镀金玻璃喷头、玻璃插丝喷头、点胶喷头、同轴喷头、3D打印喷头或者阵列化喷头。
进一步地，步骤(2)中所采用的喷头采用直线排列或者圆环排列方式。
进一步地，步骤(2)中所采用的具有不同光谱吸收特性的材料为硫化铅、锑化铟、锗掺杂、碲锡铅、碲镉汞、硫酸三甘酞、钽酸锂、锗酸铅、氧化镁、量子点及钙钛矿中的任一种材料或几种材料的混合物。
进一步地，步骤(2)中墨液的溶剂为甲苯、二氯甲烷、氯仿、二硫化碳、二甲基亚砜(DMSO)、二甲基甲酰胺(DMF)、甲基醋酸胺(MAAc)中的任一种材料或几种材料的混合物。
进一步地，通过外加场、改变基板的性质或者改变墨液性质或组成来实现墨液的充分混合。
按照本发明的另一个方面，提供了一种芯片级光谱仪，所述芯片级光谱仪是采用如上所述的芯片级光谱仪的制备方法制备而成的。
进一步地，所述芯片级光谱仪在使用时与芯片或者集成电极互联。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的芯片级光谱仪及其制备方法主要具有以下有益效果：
1.本发明通过多材料混合电流体喷印在沟道中同位可控沉积不同体积不同成分的功能墨滴，使墨滴在基板上融合成具有不同光谱吸收特性的材料薄膜图案，该方法能够实现光谱范围的可控可靠，成熟的喷印方法便于实现快速、低成本制备。
2.采用所述制备方法制备的光谱仪具有较高的分辨率，可以与芯片集成，并且易于陈列化，有利于进一步应用于成像、电子眼、光通信等领域。
3.本发明可以在柔性基底上制备，并且可以在曲面上进行打印，可以用于柔性化穿戴器件，具有较好的准确性和灵活性。
附图说明
图1是本发明提供的芯片级光谱仪的制备方法的流程示意图；
图2是本发明提供的芯片级光谱仪的制备方法涉及的多喷头打印制备具有不同吸收光谱材料的示意图；
图3是多喷头的排列方式示意图；
图4是程序化调控喷头打印液滴体积的程序框图；
图5中的(a)、(b)是本发明得到的可控范围光谱仪的两种结构示意图；
图6是本发明得到的芯片级光谱仪与芯片集成的示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-精密流量计，2-喷嘴，3-可移动基板，4-计算机，5-第一成分的打印液滴，6-第二成分的打印液滴，7-第三成分的打印液滴，8-功能材料薄膜，9-芯片，10-集成电路。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
请参阅图1、图2、图3及图4，本发明提供的芯片级光谱仪的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
步骤一，在基板上制备电极结构及沟道。
具体地，先清洁基板，在洁净的基板上旋涂光刻胶，并在热板上烘干；接着，通过UV光刻机曝光、显影及后烘，以制备得到电极结构及沟道。所述基板优选为玻璃基板、硅基板、柔性基板等。
步骤二，通过多材料混合流体喷印在所述沟道内同位沉积不同体积不同成分的墨液，墨液在基板上融合成具有不同光谱吸收特性的材料薄膜，继而得到芯片级光谱仪。
具体地，所采用的喷印方式为电流体动力学喷印，可扩展为丝网印刷、热泡打印、压电喷印、点胶、声波打印等；采用的喷头优选为金属喷头、镀金玻璃喷头、玻璃插丝喷头、点胶喷头、同轴喷头、3D打印喷头、阵列化喷头等；多喷头的组合方式优选为直线排列或者圆环排列，可扩展为在三维方向上任意排列的多材料同位共融打印，且喷头角度可以在不干涉的前提下任意改变；具有不同光谱吸收特性的材料优选为硫化铅、锑化铟、锗掺杂(金、汞)、碲锡铅、碲镉汞、硫酸三甘酞、钽酸锂、锗酸铅、氧化镁、量子点或钙钛矿等一种材料或几种材料的混合物；墨液的溶剂优选为甲苯、二氯甲烷、氯仿、二硫化碳、二甲基亚砜(DMSO)、二甲基甲酰胺(DMF)、甲基醋酸胺(MAAc)等一种材料或几种材料的混合物；墨液中可添加盐类如氯化钠(NaCl)、硫酸铜(CuSO4)或聚合物如聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚环氧乙烷(PEO)等一种材料或几种材料的混合物。
喷印过程中，基板的移动方向可在X、Y平面上任意移动，在Z轴移动时序保持与喷头距离；实现墨液充分混合的方式可以为通过外加场，如电场(电润湿)、声场(超声波)、磁场、气体氛围等；也可以通过改变基板的性质如亲疏水性等；或改变墨液性质或组成等方式。
材料薄膜的厚度优选为10nm～5mm，可以为宽带吸收或窄带吸收，分辨率可达nm级；封装所采用的材料优选为金属、陶瓷、塑料、环氧树脂、聚二甲基硅氧烷(PDMS)等；
当然，在其他实施方式中，所述材料薄膜的厚度可以为10nm～10μm，光谱范围可控可从紫外(10～380nm)到可见光(380nm～760nm)到红外(0.75μm～300μm)。
以钙钛矿溶液为例，通过调节卤素原子的配比可以改变带隙实现不同的带边吸收从而实现颜色识别，通过计算所需要识别光谱的卤素配比及每个喷头中液滴体积的理论配比，从而调节参数，具体地，若要得到更大的液滴体积，可实现方式有增大电压、减小频率、增大占空比、多次打印、增大流量计压强等方法，若要得到更小的液滴体积，可实现方式有减小电压、增大频率、减小占空比、减少打印次数、减小流量计压强等方法，同时通过精密调控上述参数与喷嘴大小、基板温度、移动速度，可以实现光谱范围的可控。
可以通过外加场实现液滴的充分混合，如电场(电润湿)、声场(超声波)、磁场等；也可以通过改变基板的性质如亲疏水性等；或改变墨液性质或组成等方式实现液滴的均匀混合。
得到材料薄膜后，根据材料特性在合适的条件下进行固化、后退火、封装等操作。根据材料特性选择有利于得到最佳性能地温度和加热时间，以MAPbI3溶液为例，选择100℃加热10分钟后退火。封装材料根据应用要求选择，可以选择旋涂一层聚二甲基硅氧烷(PDMS)，沉积无机封装膜或用其余的芯片封装方法。
请参阅图5及图6，工作时，得到的芯片级光谱仪与外围控制分析电路实现互联。在显微镜下实现对准，将光谱仪的电极与下方芯片相应引脚互联，以实现陈列化和集成化。
本实施方式中，制备的时候需要用到精密流量计1、多个喷嘴2、可移动基板3及计算机4，精密流量计1连接所述喷嘴2及所述计算机4，为了描述不同成分的打印液滴，分别称为第一成分的打印液滴5、第二成分的打印液滴6及第三成分的打印液滴7，当然成分数量不限于此，可以根据实际需要增加或者减少。多种成分融合后具有不同吸收光谱的功能材料薄膜表示为功能材料薄膜8，得到的光谱仪可以与芯片9及集成电路10互连。
以下以一个具体实施例来对本发明进行进一步的详细说明。
实施例1
本发明提供的芯片级光谱仪的制备方法主要包括以下步骤：
(1)分别用加了玻璃清洗剂的去离子水、丙酮、异丙醇、无水乙醇各超声清洗基板10min，最后用氮气吹干；并在基板上旋涂厚度为1.5μm～2μm的5214光刻胶、曝光7秒钟、显影10秒钟，蒸镀厚度为80nm～100nm的行电极，材料可以为导电性较好的金属如Au，经过lift-off工艺后制备绝缘层，旋涂厚度约1μm的SU8光刻胶，95℃前烘60秒钟，曝光9秒钟、显影6秒钟后，保持95℃坚烘6分钟后，掩模蒸镀厚度约2μm的列电极。
(2)通过多材料混合电流体喷印在沟道中同位可控沉积不同体积不同成分的功能墨液。其中，通过调节钙钛矿溶液卤素原子的配比可以改变带隙实现不同的带边吸收从而实现颜色识别，通过输入计算机来分配体积比，要得到MAPbBrCl2薄膜，则PbCl2和MABr溶质的质量之比为2.485，根据两个溶液的浓度分配打印参数，要得到MAPbBr2Cl薄膜，则PbBr2和MACl溶质的质量之比为5.44，根据两个溶液的浓度分配打印参数。
(3)使功能墨液在基板上自融合成具有不同光谱吸收特性的材料薄膜图案，实现光谱范围的可控。其中，可以通过加热基板使溶液处于合适的温度使其蒸发速率处于合适范围以实现液滴的均匀混合，在本实例中选择基板温度为60℃。
(4)根据材料特性在合适的条件下进行固化、后退火、封装以得到芯片级光谱仪。其中，MAPbBr2Cl薄膜选择100℃加热15分钟后退火，旋涂厚度为5μm的聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为封装。
本发明还提供了一种芯片级光谱仪，所述芯片级光谱仪是采用如上所述的芯片级光谱仪的制备方法制备而成的。所述芯片级光谱仪在使用时与芯片或者集成电路实现互联。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种芯片级光谱仪的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)在基板上制备电极结构及沟道；
(2)通过多材料混合流体喷印在所述沟道内同位沉积不同体积不同成分的墨液，墨液在基板上融合成具有不同光谱吸收特性的材料薄膜，继而得到芯片级光谱仪；墨液在融合过程中均匀混合；
其中，所述材料薄膜的厚度为10nm～10μm，光谱范围为10nm～300μm；步骤(2)中所采用的喷印方式为电流体动力学喷印。
2.如权利要求1所述的芯片级光谱仪的制备方法，其特征在于：所述基板为玻璃基板、硅基板或者柔性基板。
3.如权利要求1所述的芯片级光谱仪的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所采用的喷头为金属喷头、镀金玻璃喷头、玻璃插丝喷头、点胶喷头、同轴喷头、3D打印喷头或者阵列化喷头。
4.如权利要求1所述的芯片级光谱仪的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所采用的喷头采用直线排列或者圆环排列方式。
5.如权利要求1-4任一项所述的芯片级光谱仪的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所采用的具有不同光谱吸收特性的材料为硫化铅、锑化铟、锗掺杂、碲锡铅、碲镉汞、硫酸三甘酞、钽酸锂、锗酸铅、氧化镁、量子点及钙钛矿中的任一种材料或几种材料的混合物。
6.如权利要求1-4任一项所述的芯片级光谱仪的制备方法，其特征在于：步骤(2)中墨液的溶剂为甲苯、二氯甲烷、氯仿、二硫化碳、二甲基亚砜(DMSO)、二甲基甲酰胺((DMF)、甲基醋酸胺(MAAc)中的任一种材料或几种材料的混合物。
7.如权利要求1-4任一项所述的芯片级光谱仪的制备方法，其特征在于：通过外加场、改变基板的性质或者改变墨液性质或组成来实现墨液的充分混合。
8.一种芯片级光谱仪，其特征在于：所述芯片级光谱仪是采用权利要求1-7任一项所述的芯片级光谱仪的制备方法制备而成的。
9.如权利要求8所述的芯片级光谱仪，其特征在于：所述芯片级光谱仪在使用时与芯片或者集成电路互联。
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