CN114279565A - 一种非制冷红外光谱芯片及其制备方法、红外光谱仪 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种非制冷红外光谱芯片及其制备方法和红外光谱仪，包括多个不同的第一光谱像元，每个第一光谱像元包括由下至上叠加的第一悬空像元结构和第二悬空像元结构；第二悬空像元结构包括微结构层，微结构层包括多个使第一光谱像元的光谱响应为宽带响应的特征微结构。本申请中的红外光谱芯片包括多个第一光谱像元，第一光谱像元包括第一悬空像元结构和第二悬空像元结构，且第二悬空像元结构包括多个特征微结构，使得第一光谱像元的光谱响应为宽带响应；由于本申请中直接在红外光谱芯片上设置特征微结构，降低入射光在红外探测器上的串扰，提升光谱测量精度，同时还可以提升红外探测器的良率，即提升红外光谱仪的良率。

Description

一种非制冷红外光谱芯片及其制备方法、红外光谱仪

技术领域

本申请涉及光谱仪领域，特别是涉及一种非制冷红外光谱芯片及其制备方法、红外光谱仪。

背景技术

中长波红外作为红外光谱的一个重要波段，包含了许多物质分子的固定吸收峰及指纹峰，因此，可以利用红外光谱仪测得中长波红外光谱信息，从而根据光谱信息进行物质检测。

目前，小型化红外光谱仪主要基于滤光片实现，包括可调法珀滤光片、窄带滤光片阵列和线性渐变滤光片。这些方式都基于窄带滤光片分光原理，在信噪比方面受到很大限制且工艺困难；通过在红外探测器窗口外侧贴装多通道微纳滤波芯片进行光谱测量可以解决信噪比低的问题，但此结构会导致入射光在红外探测器上出现串扰使光谱测量精度降低，同时贴装的方式使良率降低，提升了器件整体成本，集成度较低。

因此，如何解决上述技术问题应是本领域技术人员重点关注的。

发明内容

本申请的目的是提供一种非制冷红外光谱芯片及其制备方法、红外光谱仪，以在实现宽带响应的同时，提升光谱测量精度和红外光谱仪的良率，提高集成度。

为解决上述技术问题，本申请提供一种非制冷红外光谱芯片，包括多个不同的第一光谱像元，每个所述第一光谱像元包括由下至上叠加的第一悬空像元结构和第二悬空像元结构；所述第二悬空像元结构包括微结构层，所述微结构层包括多个使所述第一光谱像元的光谱响应为宽带响应的特征微结构。

可选的，所述特征微结构为光子晶体或者等离激元结构或者多层薄膜层叠结构，其中，当所述特征微结构为光子晶体或者等离激元结构时，不同所述第一光谱像元中所述特征微结构的形状、尺寸、分布周期、排布形式中至少一个不同；当所述特征微结构为多层薄膜层叠结构时，多层薄膜的折射率高低间隔排布。

可选的，每个所述第一光谱像元包括多个探测器像元。

可选的，每个所述第一光谱像元包括一个探测器像元。

可选的，还包括：第二光谱像元，所述第二光谱像元包括由下至上叠加的所述第一悬空像元结构和第三悬空像元结构；所述第三悬空像元结构包括第三支撑层和支撑连接孔。

可选的，还包括：

位于所述微结构层上表面的保护层。

可选的，当所述特征微结构为光子晶体时，所述特征微结构为通孔，所述特征微结构位于所述第二悬空像元结构中的第二支撑层。

可选的，每个所述第一光谱像元中所述特征微结构的排布形式为四方晶格排布、六方晶格排布、随机排布、混合排布中任一种。

可选的，所述第一光谱像元按照预设规则排布，其中，所述预设规则为每个第一光谱像元的响应谱与相邻的第一光谱像元的响应谱的皮尔逊相关系数小于0.5。

本申请还提供一种红外光谱芯片制备方法，包括：

获得包括第一悬空像元结构的预制结构体；

在所述第一悬空像元结构上表面形成图形化第二牺牲层；

在所述图形化第二牺牲层上表面形成第二悬空像元结构，所述第二悬空像元结构包括微结构层，所述微结构层包括多个使所述第一光谱像元的光谱响应为宽带响应的特征微结构；

释放所述图形化第二牺牲层，得到非制冷红外光谱芯片。

本申请还提供一种红外光谱仪，包括上述任一种所述的红外光谱芯片。

可选的，还包括：

红外光源，用于照射待测目标物以测量所述待测目标物发出的红外反射光谱。

本申请所提供的一种非制冷红外光谱芯片，包括多个不同的第一光谱像元，每个所述第一光谱像元包括由下至上叠加的第一悬空像元结构和第二悬空像元结构；所述第二悬空像元结构包括微结构层，所述微结构层包括多个使所述第一光谱像元的光谱响应为宽带响应的特征微结构。

可见，本申请中的红外光谱芯片包括多个第一光谱像元，第一光谱像元包括上下设置的第二悬空像元结构和第一悬空像元结构，且第二悬空像元结构包括多个特征微结构，特征微结构使得第一光谱像元的光谱响应为宽带响应，从而使得光通量和信噪比增大；由于本申请中直接在红外光谱芯片上设置特征微结构，降低入射光在红外探测器上的串扰，提升光谱测量精度，同时，由于避免采用在红外探测器外部贴装多通道微纳滤波芯片，还可以提升红外探测器的良率，提升红外光谱仪的集成度。

此外，本申请还提供一种具有上述优点的红外光谱芯片制备方法和红外光谱仪。

附图说明

为了更清楚的说明本申请实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中红外光谱仪的结构示意图；

图2为本申请实施例所提供的一种非制冷红外光谱芯片的俯视图；

图3为本申请实施例所提供的一种第一光谱像元的结构示意图；

图4为本申请实施例所提供的另一种第一光谱像元的结构示意图；

图5为本申请实施例所提供的另一种光谱芯片的俯视图；

图6为光子晶体光谱像元响应谱；

图7为本申请实施例所提供的另一种第一光谱像元的结构示意图；

图8为本申请实施例所提供的另一种非制冷红外光谱芯片的俯视图；

图9为本申请实施例所提供的另一种非制冷红外光谱芯片的俯视图；

图10至图13为本申请实施例所提供的不同非制冷红外光谱芯片的结构示意图；

图14为红外光谱仪的光谱测量流程图；

图15为本申请实施例所提供的另一种非制冷红外光谱芯片的俯视图；

图16为图15中非制冷红外光谱芯片的宽带响应谱；

图17和图18为本申请实施例所提供的不同非制冷红外光谱芯片的俯视图；

图19和图20为利用图18所示的非制冷红外光谱芯片对不同的噪声光谱进行降噪后的光谱图；

图21至图24为本申请实施例所提供的不同非制冷红外光谱芯片的俯视图；

图25为本申请实施例所提供的一种非制冷红外光谱芯片制备方法的流程图；

图26至图28为本申请实施例所提供的非制冷红外光谱芯片制备工艺的流程图；

图29和图30为本申请实施例所提供的不同红外光谱仪的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

正如背景技术部分所述，基于窄带滤光片的红外光谱仪信噪比低，工艺复杂；在红外探测器窗口外侧贴装多通道微纳滤波芯片进行光谱测量可解决信噪比低的问题，如图1所示，多通道微纳滤波芯片1’贴装在红外探测器3’的窗口2’外侧，即设置在红外探测器3’的外部，导致入射光在红外探测器3’上出现串扰使光谱测量精度降低，贴装的方式导致良率降低，集成度较低。

有鉴于此，本申请提供了一种非制冷红外光谱芯片，请参考图2和图3，包括多个不同的第一光谱像元A，每个所述第一光谱像元A包括由下至上叠加的第一悬空像元结构和第二悬空像元结构；所述第二悬空像元结构包括微结构层1，所述微结构层1包括多个使所述第一光谱像元A的光谱响应为宽带响应的特征微结构B。

第一光谱像元A还包括与第一悬空像元结构电连接的基底层，基底层包括含有读出电路的衬底2，位于衬底2上表面的金属反射层3和第二电极层4，位于金属反射层3上表面和第二电极层4上表面的绝缘介质层5。

第一悬空像元结构包括具有第一通孔的第一支撑层6、第一电极层7、热敏层8、热敏保护层9、支撑与电连接孔10，第一通孔位于支撑与电连接孔10的底部，以便第一电极层7与第二电极层4电连接。

第二悬空像元结构还包括支撑连接孔11、第二支撑层12，位于支撑连接孔11处的第二支撑层12与热敏保护层9相连，支撑连接孔11位于支撑与电连接孔10的外侧或者内侧，微结构层1位于第二支撑层12上表面。第二支撑层12的材料可以为氮化硅、氧化硅、氮氧化硅等，厚度可以在50nm～300nm。

第一光谱像元A的数量由红外探测器面阵大小、像元大小、第一光谱像元A大小以及实际应用需求综合确定。第一光谱像元A对不同波长入射光产生散射、吸收、透射、反射、干涉等不同的调制作用，所形成的光谱响应为红外宽带响应，响应谱各不相同。

不同的第一光谱像元A，其包括的特征微结构B不同，如图2所示，第一光谱像元A_i中的B_i和第一光谱像元A_j中的B_j不同。特征微结构B的不同，使得不同的第一光谱像元A的宽带响应不同。需要说明的是，本申请中对特征微结构B的类型不做限定，可自行设置。例如，所述特征微结构B包括但不限于光子晶体或者等离激元结构或者多层薄膜层叠结构，其中，当所述特征微结构B为光子晶体或者等离激元结构时，不同所述第一光谱像元A中所述特征微结构B的形状、尺寸、分布周期、排布形式中至少一个不同；当所述特征微结构B为多层薄膜层叠结构时，多层薄膜的折射率高低间隔排布。

等离激元结构(表面等离激元，Surface Plasmon)是在金属表面区域的一种自由电子和光子相互作用的形成的电磁振荡，利用表面电荷振荡与光波电磁场之间的相互作用来调制入射光场。当特征微结构B为等离激元结构时，微结构层1的材料为金属材料，例如，金、银、铜、铂、钛、铬、铝中的任一种或者任意组合。微结构层1的厚度可以在10nm～200nm之间。

光子晶体是由不同折射率的介质周期性排列而成的人工微结构。从材料结构上看，光子晶体是一类在光学尺度上具有周期性介电结构的人工设计和制造的晶体。光子晶体具有波长选择的功能，可以有选择地使某个波段的光通过而阻止其它波长的光通过其中。当所述特征微结构B为光子晶体时，特征微结构B可以以微结构层1的形式位于第二支撑层12的上表面，优选地，在本申请的一个实施例中，为了简化工艺，所述特征微结构B为通孔，所述特征微结构B位于所述第二悬空像元结构中的第二支撑层12，此时，第一光谱像元A的结构示意图如图4所示，红外光谱芯片的俯视图如图5所示，其中，第一光谱像元A以4×4形式排布，光子晶体光谱像元响应谱如图6所示，其中，横坐标为波长，纵坐标为响应率，相比于等离激元结构的第一光谱像元A，其皮尔逊相关系数更小，使用第一光谱像元A数量相同的情况下光谱测量精度更高。

当特征微结构B为光子晶体或者等离激元结构时，需要说明的是，本申请中对特征微结构B的形状不做限定，可自行设置。例如，圆柱形、三角柱形、中空圆柱、中空方块形、中空三角柱形、正方体形、长方体形、五棱柱、六棱柱、心形柱等等。同理，本申请中对特征微结构B的尺寸也不做限定，例如，特征微结构B的尺寸可以在300nm～3000nm。特征微结构B的分布周期也即特征微结构B的间距，分布周期可以在1μm～4μm，本申请中不做具体限定。特征微结构B特性参数、材料参数、分布周期和结构参数是基于数值计算模拟的结果并结合皮尔逊相关系数、光谱重构质量等评判指标来设计和优化，并进一步通过实验来确认和调整。进一步的，本申请中对第一光谱像元A中特征微结构B的排布方式也不做限定，可自行设置。例如，每个所述第一光谱像元A中所述特征微结构B的排布形式可以为四方晶格排布、六方晶格排布、随机排布、混合排布中任一种。四方晶格排布为特征微结构B沿正交方向呈周期性排布，具有平移对称性，二重对称性和镜面对称性；六方晶格排布为特征微结构B沿非正交方向呈周期性排布，具有平移对称性，六重对称性和镜面对称性；随机排布为特征微结构B位置随机排列；混合排布为特征微结构B形状、位置均随机排列。

其中，六方晶格排布使得每个第一光谱像元A中的特征微结构B更加密集，响应更强，光谱测量时信噪比更高。随机排布使得第一光谱像元A响应谱对偏振更加不敏感。混合排布使得第一光谱像元A响应谱更随机，不同第一光谱像元A响应谱之间的相关系数更小，测量光谱时精度更高。

当特征微结构B为多层薄膜层叠结构时，对每一层薄膜14的折射率不做限定，只要满足多层薄膜14的折射率高低间隔排布即可，即相邻两层薄膜14的折射率不等。多层薄膜14的数量在3～10层，具体层数可自行设置。薄膜14厚度可以在50nm～2000nm之间，各层薄膜14的厚度可以相等也可以不相等。本申请中薄膜14的材料为电介质材料，对具体种类不做限定，例如，各层薄膜14的材料可以为ZnS、Ge、Si、SiO₂、SiN等等。通过控制各层薄膜的材料和厚度，可以产生多种形态的响应谱。当特征微结构B为多层薄膜14层叠结构时，第一光谱像元A的结构示意图如图7所示，红外光谱芯片的俯视图如图8所示。

当特征微结构B为多层薄膜层叠结构时，不同的第一光谱像元A，其中的多层薄膜层叠结构不同。在本申请中，根据薄膜的厚度对多层薄膜层叠结构进行区分，即当多层薄膜层叠结构中薄膜的厚度不同时，则第一光谱像元A为不同光谱像元。需要说明的是，不同第一光谱像元A的多层薄膜层叠结构中，薄膜材料既可以相同，也可以不同。多个第一光谱像元A形成m×n阵列，如图9所示，其中m＝n或m≠n。可选的，作为一种实施方式，多个第一光谱像元A在红外光谱芯片上的位置随机分布，但是本申请对此并不做具体限定，作为另一种实施方式，所述第一光谱像元A按照预设规则排布，所述预设规则为每个第一光谱像元A的响应谱与相邻的第一光谱像元A的响应谱的皮尔逊相关系数小于0.5。红外光谱芯片不同区域响应谱之间的皮尔逊相关系数越小，越有益于提高最终重构得出光谱的精确性。

皮尔逊相关系数的计算公式为：

式中，r为皮尔逊相关系数，T_i，T_j分别为第i和j个第一光谱像元A光谱响应波段内的响应谱，M为i和j的维度。皮尔逊相关系数处于0～±0.50之间时为实相关，高于±0.50时为显著相关，高于±0.8时为高度相关。

可选的，在本申请的一个实施例中，每个所述第一光谱像元A包括多个探测器像元C，如图10所示。但是本申请对此并不做限定，在申请的其他实施例中，每个所述第一光谱像元A包括一个探测器像元C，如图11所示。

探测器像元C的尺寸是固定的，当第一光谱像元A包括多个探测器像元C时，增大第一光谱像元A的大小，进而提升红外光谱仪的光通量，信噪比增强。

可选的，非制冷红外光谱芯片还包括：位于所述微结构层1上表面的保护层13，以保护特征微结构B，保护层13的材料为氮化硅、氧化硅、氮氧化硅等介质材料，厚度为10nm～300nm。

本申请中的红外光谱芯片包括多个第一光谱像元A，第一光谱像元A包括上下设置的第二悬空像元结构和第一悬空像元结构，且第二悬空像元结构包括多个特征微结构B，使得第一光谱像元A的光谱响应为宽带响应；由于本申请中直接在红外光谱芯片上设置特征微结构B，降低入射光在红外探测器上的串扰，提升光谱测量精度，同时，由于避免采用在红外探测器外部贴装多通道微纳滤波芯片，还可以提升红外探测器的良率，即提升红外光谱仪的良率，并提升红外光谱仪的集成度。

在上述实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，非制冷红外光谱芯片还包括：第二光谱像元，所述第二光谱像元包括由下至上叠加的所述第一悬空像元结构和第三悬空像元结构；所述第三悬空像元结构包括第三支撑层和支撑连接孔11。其中，第二光谱像元可以包括一个探测器像元C，或者包括多个探测器像元C，本申请不做限定。

第三悬空像元结构中，位于支撑连接孔11处的第三支撑层与热敏保护层9相连，支撑连接孔11位于支撑与电连接孔10的外侧或者内侧。

当每个第一光谱像元A包括多个探测器像元C，本申请中对红外光谱芯片中第二光谱像元的数量不做限定，既可以为一个也可以为多个。同理，本申请中对第二光谱像元的位置也不做限定，可自行设置。以一个第二光谱像元为例，非制冷红外光谱芯片的局部结构示意图如图12所示，图中虚线框D在纵向上所在的区域即为第二光谱像元。

第二光谱像元数量为多个时，非制冷红外光谱芯片的局部结构示意图如图13所示。

当非制冷红外光谱芯片包括第一光谱像元A和第二光谱像元时，在进行排布时不需考虑第二光谱像元的响应谱的皮尔逊相关系数。

第三悬空像元结构与第二悬空像元结构的区别在于在第三支撑层的上表面不具有微结构层1，即第二光谱像元中探测器像元C上方不具有特征微结构B，如虚线框D范围内，本实施例中通过在红外光谱芯片中设置第二光谱像元，第二光谱像元可用于标定直通入射光强以进行红外光谱仪均匀性矫正，提高红外光谱仪光谱测量准确度。

使用本申请中非制冷红外光谱芯片进行光谱重构时，可以选择部分光谱像元进行光谱重构，以益于提高红外光谱仪进行光谱重构测量时数据处理的效率和响应时间等性能。部分光谱像元的选取方式可以为离散式(即选择的光谱像元是间隔着、离散的)，或者阵列式(即选择的光谱像元是连续的、紧挨着的)。选择方式应基于光谱仪芯片中光谱像元的排列方式，非制冷红外光谱芯片中多个第一光谱像元随机排布时，如图17所示，则红外光谱仪使用时应优先考虑离散式选取a*b个响应谱相关性较弱的第一光谱像元；若第一光谱像元按照预设规则排布时，如图11所示，则红外光谱仪使用时可考虑阵列式选取a×b个光谱像元(a和b可相等或不相等)。

光谱重构的方法基于非制冷红外光谱芯片的标定数据和算法实现。标定数据为波长离散化(λ₁…,λ_j,…λ_M)的第一光谱像元的光谱响应矩阵H。实验标定方法包括但不限于使用傅里叶变换红外光谱仪、黑体光源配合单色仪进行波长扫描测量、红外波长可调谐激光器扫描测量等。基于已标定的光谱响应矩阵H，可以构建未知目标光谱I的测量原理数学模型，为S＝HI+ε，其中，S代表在未知目标光谱I的输入下，每个光谱像元的输出信号；ε代表测量过程中的噪声。将上述数学模型写成矩阵的形式，有：

H_i(λ_j)表示第i个第一光谱像元对离散化的第j个波长的响应，S_i表示第i个第一光谱像元对入射光的输出信号；I表示离散化的目标光谱。通过重构算法求解上述数学模型即可获得所述目标光谱I。

红外光谱仪的光谱测量流程图如图14所示，字典学习算法包括但不限于KSVD(k-means Singular Value Decomposition，K-奇异值分解)、MOD(Method of OptimalDirection，最优方向)算法，求解算法包括但不限于最小二乘法、凸优化法、贪婪法、贝叶斯算法。

下面以不同结构对本申请中非制冷红外光谱芯片进行介绍。

例1

非制冷红外光谱芯片的俯视图如图15所示，包括81种随机排列的第一光谱像元A₁…A₈₁，以9×9阵列形式排布。每个第一光谱像元包括一个探测器像元C，每个第一光谱像元大小为12×12μm，也可以为8μm、10μm、15μm、17μm等，第一光谱像元尺寸和探测器像元尺寸相关，由相应的特征微结构B_i周期性排布得到，特征微结构B₁…B₈₁形状尺寸各不相同。特征微结构及排布的互异性使得第一光谱像元的宽带响应谱T_i各不相同，如图16所示，其中，横坐标为波长，纵坐标为响应率。根据81个第一光谱像元上的宽带响应谱和入射光强度信号，结合算法求解可以测量得出入射光谱信息。

例2

非制冷红外光谱芯片的俯视图如图17所示，例2中的红外光谱芯片与例1中的区别在于包括9个第二光谱像元C₁…C₉，第一光谱像元和第二光谱像元随机分布。

例3

非制冷红外光谱芯片的俯视图如图18所示，例3与例2的主要区别是第一光谱像元根据宽带响应谱的相关系数进行排布，取彼此相关系数最小的8种第一光谱像元和一个第二光谱像元置于红外光谱芯片左上角3×3阵列范围内。随着阵列范围扩大，保证相邻光谱像元相关系数<0.5排布，直至充满整个红外光谱芯片面阵。

例3中的非制冷红外光谱芯片有利于结合应用场景可调性选择阵列范围的光谱像元实现光谱的精确测量。测量一些简单光谱时，不需要很多光谱像元即可有效重构入射光谱。由于采用了重构算法，红外光谱仪可从含有一定噪声的入射光谱信号中获得降噪后的光谱。如图19所示的光谱具有很强的稀疏性且存在一定噪声，只需左上角3×3阵列的9个光谱像元即可精确重构，这些光谱像元响应谱相关系数最小，光谱测量精度最高；如图20所示的较为复杂的噪声光谱，需要增加光谱像元数量至36(6×6)个以精确重构光谱。光谱复杂程度越高，对光谱像元数量和相关性要求越高，本实施例中最高可使用81(9×9)个光谱像元。这种选择性调用光谱像元方式的红外微型光谱仪有利于提高光谱重构的数据处理效率和响应时间等相关性能，能适应更多的应用场景。

例4

非制冷红外光谱芯片的俯视图如图21所示，例4与例1的主要区别在于第一光谱像元A_i的大小和数量。本实施例中红外光谱芯片由16个第一光谱像元以4×4阵列排布而成，第一光谱像元A_i中特征微结构B_i的排布方式微四方晶格排布，每个第一光谱像元中包含多个探测器像元，增加了每个第一光谱像元的大小，提高了红外光谱仪的光通量，信噪比增强。

例5

非制冷红外光谱芯片的俯视图如图22所示，例5与例4的主要区别在于第一光谱像元A_i中特征微结构B_i的排布方式，本实施例中特征微结构采用六方晶格排布方式。

例6

非制冷红外光谱芯片的俯视图如图23所示，例6与例4的主要区别在于第一光谱像元A_i中特征微结构B_i的排布方式，本实施例中特征微结构采用随机排布方式。

例7

非制冷红外光谱芯片的俯视图如图24所示，例7与例4的主要区别在于第一光谱像元A_i中特征微结构B_i的排布方式，本实施例中特征微结构采用混合排布方式。

本申请还提供一种非制冷红外光谱芯片制备方法，请参考图25，包括：

步骤S101：获得包括第一悬空像元结构的预制结构体。

预制结构体的获得过程包括：

步骤S201：获得含有读出电路的衬底。

步骤S202：在衬底的上表面形成第二电极层，并对第二电极层进行图形化处理，以使第二电极层与读出电路电连接。

步骤S203：在衬底的上表面形成金属反射层，并对金属反射层进行图形化处理。

步骤S204：在第二电极层、金属反射层、衬底的上表面形成绝缘介质层，并对绝缘介质层进行图形化处理，以形成与第一通孔对应的孔。

步骤S205：在基底层的上表面形成第一牺牲层，并对所述第一牺牲层进行图形化处理，以形成与支撑与电连接孔对应的孔。

步骤S206：请参见图26，在第一牺牲层15的上表面沉积第一支撑层6，并对在第一牺牲层15的孔的底部的第一支撑层6光刻或刻蚀形成第一通孔101，沿着第一通孔101继续对绝缘介质层5进行刻蚀，止于第二电极层4的上表面。

步骤S207：在第一支撑层的上表面沉积第一电极层，并对第一电极层进行图形化处理，以形成金属电极和设置在支撑与电连接孔内的金属连线。

步骤S208：在第一电极层的上表面沉积电极保护层，并对电极保护层进行图形化处理，光刻或蚀刻电极保护层形成接触孔，接触孔止于第一电极层。

步骤S209：在电极保护层的上表面沉积热敏层，并对热敏层进行图形化处理，使热敏层只在支撑与电连接孔之间。

步骤S210：在热敏层上沉积热敏保护层，得到预制结构体，请参见图27。

步骤S102：在所述第一悬空像元结构上表面形成图形化第二牺牲层。

在第一悬空像元结构的上表面形成第二牺牲层，并对第二牺牲层进行图形化处理，以形成与支撑连接孔对应的孔。可以理解的是，第二牺牲层中的孔位于支撑与电连接孔的外侧或者内侧。

步骤S103：在所述图形化第二牺牲层16上表面形成第二悬空像元结构，所述第二悬空像元结构包括微结构层，所述微结构层包括多个使所述第一光谱像元的光谱响应为宽带响应的特征微结构，如图28所示。

形成第二悬空像元结构的过程包括：

步骤S301：在图形化第二牺牲层的上表面沉积第二支撑层，位于图形化第二牺牲层中的孔底部的第二支撑层与热敏保护层相连，连接区域在支撑与电连接孔的外侧。

步骤S302：在第二支撑层的上表面沉积微结构层。

可选的，当特征微结构为等离激元结构，或者为位于第二支撑层上的光子晶体时，在第二支撑层的上表面沉积微结构层包括：在第二支撑层的上表面沉积待处理微结构层，并对待处理微结构层进行刻蚀形成微结构层。

可选的，当特征微结构为多层薄膜层叠结构时，在第二支撑层的上表面沉积微结构层包括：在第二支撑层的上表面依次层叠形成多层薄膜，其中，多层薄膜的折射率高低间隔排布即可，即相邻两层薄膜的折射率不等，多层薄膜14的数量在3～10层，具体层数可自行设置。

可选的，当特征微结构为光子晶体时，且特征微结构为通孔时，在第二支撑层的上表面沉积微结构层包括：采用刻蚀工艺对第二支撑层进行刻蚀形成通孔，得到特征微结构。

步骤S104：释放所述图形化第二牺牲层，得到非制冷红外光谱芯片。

需要指出的是，释放图形化第二牺牲层时，同样将第一牺牲层释放。

本实施例中红外光谱芯片直接由半导体工艺制造，在晶圆级别实现单片集成，有效缩小器件的体积，实现更高的光谱分辨率并降低封装成本。

在上述实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，释放所述图形化第二牺牲层之后，还包括：在微结构层的上表面沉积保护层。

本申请还提供一种红外光谱仪，请参考图29，包括上述任一实施例所述的非制冷红外光谱芯片，以及光学镜头、封装窗口和基座。

待测目标物发出的红外辐射经过光学镜头收集，透过封装窗口照射到非制冷红外光谱芯片上，像元信号被读出并转化为电信号，经算法处理后输出入射光谱信息，完成对待测目标物的光谱测量。图29所示红外光谱仪为主动式红外光谱仪。

本实施例中的红外光谱仪无需设置分束器、透镜等部件，结构紧凑，具有小型化的特点，可灵活应用于各种小型化便携场景，且成本低，同时还能保证宽波段、高分辨率以及高信噪比的红外光谱测量。

在本申请的一个实施例中，请参考图30，当待测目标物不能主动发出红外辐射时，红外光谱仪还包括：红外光源22，用于照射待测目标物以测量所述待测目标物发出的红外反射光谱。图30所示红外光谱仪为被动式红外光谱仪。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

以上对本申请所提供的红外光谱芯片及其制备方法、红外光谱仪进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

Claims (12)

1.一种非制冷红外光谱芯片，其特征在于，包括多个不同的第一光谱像元，每个所述第一光谱像元包括由下至上叠加的第一悬空像元结构和第二悬空像元结构；所述第二悬空像元结构包括微结构层，所述微结构层包括多个使所述第一光谱像元的光谱响应为宽带响应的特征微结构。

2.如权利要求1所述的非制冷红外光谱芯片，其特征在于，所述特征微结构为光子晶体或者等离激元结构或者多层薄膜层叠结构，其中，当所述特征微结构为光子晶体或者等离激元结构时，不同所述第一光谱像元中所述特征微结构的形状、尺寸、分布周期、排布形式中至少一个不同；当所述特征微结构为多层薄膜层叠结构时，多层薄膜的折射率高低间隔排布。

3.如权利要求1所述的非制冷红外光谱芯片，其特征在于，每个所述第一光谱像元包括多个探测器像元。

4.如权利要求1所述的非制冷红外光谱芯片，其特征在于，每个所述第一光谱像元包括一个探测器像元。

5.如权利要求1所述的非制冷红外光谱芯片，其特征在于，还包括：第二光谱像元，所述第二光谱像元包括由下至上叠加的所述第一悬空像元结构和第三悬空像元结构；所述第三悬空像元结构包括第三支撑层和支撑连接孔。

6.如权利要求1所述的非制冷红外光谱芯片，其特征在于，还包括：

位于所述微结构层上表面的保护层。

7.如权利要求2所述的非制冷红外光谱芯片，其特征在于，当所述特征微结构为光子晶体时，所述特征微结构为通孔，所述特征微结构位于所述第二悬空像元结构中的第二支撑层。

8.如权利要求1所述的非制冷红外光谱芯片，其特征在于，每个所述第一光谱像元中所述特征微结构的排布形式为四方晶格排布、六方晶格排布、随机排布、混合排布中任一种。

9.如权利要求1至8任一项所述的非制冷红外光谱芯片，其特征在于，所述第一光谱像元按照预设规则排布，其中，所述预设规则为每个第一光谱像元的响应谱与相邻的第一光谱像元的响应谱的皮尔逊相关系数小于0.5。

10.一种非制冷红外光谱芯片制备方法，其特征在于，包括：

获得包括第一悬空像元结构的预制结构体；

在所述第一悬空像元结构上表面形成图形化第二牺牲层；

在所述图形化第二牺牲层上表面形成第二悬空像元结构，所述第二悬空像元结构包括微结构层，所述微结构层包括多个使所述第一光谱像元的光谱响应为宽带响应的特征微结构；

释放所述图形化第二牺牲层，得到非制冷红外光谱芯片。

11.一种红外光谱仪，其特征在于，包括如权利要求1至9任一项所述的非制冷红外光谱芯片。

12.如权利要求11所述的红外光谱仪，其特征在于，还包括：

红外光源，用于照射待测目标物以测量所述待测目标物发出的红外反射光谱。

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