CN117870866A - 一种基于光电探测器阵列的光谱仪及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光电探测器阵列的光谱仪及其制造方法，涉及重建式光谱仪技术领域，包括光电探测单元阵列，所述光电探测单元阵列包括若干光电探测单元，所述光电探测单元包括光电探测器和介质膜层，所述光电探测器包括感光部分和电极，所述介质膜层覆盖于所述感光部分，所述电极裸露。本发明可以消除数值孔径的影响，增大受光面积，使光耦合损耗减小，同时做到工艺简单。

Description

一种基于光电探测器阵列的光谱仪及其制造方法

技术领域

本发明涉及重建式光谱仪技术领域，具体涉及一种基于光电探测器阵列的光谱仪及其制造方法。

背景技术

现有技术中，重建式光谱仪采用滤波器和光电探测器分离的技术路线，光电探测器不具有滤波特性，在宽谱范围内有较均匀的响应，而滤波器为独立器件，与光电探测器通过耦合的方式进行集成。在这种技术路线下，为了保证滤波器的光谱特性稳定，滤波器的数值孔径（NA）通常较小，这就为前端耦合带来了巨大的损耗。而CMOS成像传感器与多滤波特性薄膜结合的相关方案，其本质也是滤波器与光电探测器分离，而后通过一些特殊工艺将滤波薄膜转移到CMOS成像传感器上。但是这种超表面滤波薄膜对工艺的要求极高，且转移过程工艺难度大，对像素对准要求极高。

发明内容

本发明旨在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明提供了一种基于光电探测器阵列的光谱仪，可以消除数值孔径的影响，增大受光面积，使光耦合损耗减小，同时做到工艺简单。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种光谱仪，包括光电探测单元阵列，所述光电探测单元阵列包括若干光电探测单元，所述光电探测单元包括光电探测器和介质膜层，所述光电探测器包括感光部分和电极，所述介质膜层覆盖于所述感光部分，所述电极裸露。

现有技术的光谱仪需要在光电探测器前放置滤波器，而滤波器的数值孔径较小，数值孔径又与收光能力息息相关，因此，现有技术的光谱仪受限于滤波器较小的数值孔径，不得不考虑收光的角度，以尽可能多地收光。而本发明所提供的技术方案，直接将介质膜层生长在光电探测器的感光部分，相当于将滤波器直接贴合于光电探测器上，所有投射在介质膜层的光线均可以被吸收，因此，消除了数值孔径的影响，使受光面积增大，从而加大收光区域，减小了光耦合所带来的损耗，进而使光电探测器的光通量得到增强。得益于光电探测单元构成阵列的发明构思，光电探测单元可以根据需求灵活改变，仅需设计相应的基板即可，制作成本和组装对准要求降低，灵活性升高，无需多次开模。例如，某些应用场合要求所有接收的光线均来自于与光源等角度的散射方向，则将基板设计成圆形，光电探测器阵列亦呈圆形排列，即可满足需求。

可选的，所述介质膜层包括多层透明介质，相邻的透明介质之间存在材料和/或厚度差异。

可选的，所述透明介质设有至少十层，且交替更换。

可选的，所述透明介质的材料为Si、SiO₂、SiN、SiON、Ti₃O₅或Ta₂O₅。

可选的，所述介质膜层的厚度为1μm到100μm。

本发明所提供的技术方案，可通过对透明介质的选材、层数设定、介质膜层的厚度设定进行改变，达到制作不同滤波特性的光电探测器的目的，再次简化了工艺流程。

可选的，所述光电探测器的感光部分的直径为0.1mm到5mm，厚度为120μm到1mm。

可选的，所述光电探测单元的任意边长为0.5mm到7mm。

相对应的，本发明还提供了一种基于光电探测器阵列的光谱仪制造方法，用于制造前述的光谱仪，包括如下步骤：

在固定有若干光电探测器的载具上涂覆光刻胶，若干所述光电探测器在所述载具上间隔设置；

使用与载具相匹配的掩膜版对光刻胶进行曝光和显影，显影后，光电探测器的电极由光刻胶覆盖，光电探测器的感光部分裸露；

在光电探测器的感光部分进行薄膜生长形成介质膜层；所述介质膜层包括多层交替更换的透明介质；

剥离光刻胶，使电极裸露，覆盖介质膜层的光电探测器以及裸露的电极形成光电探测单元；

将光电探测单元从载具上取下，转移到封装基板上进行集成和互联，形成光电探测器阵列，由所述光电探测器阵列形成光谱仪。

可选的，所述介质膜层包括至少十层交替更换的透明介质，所述透明介质的材料为Si、SiO₂、SiN、SiON、Ti₃O₅或Ta₂O₅。

可选的，载具及固定于载具上的光电探测器镀有滤光膜。

本发明所提供的光谱仪制造方法，其有益效果与前述光谱仪的有益效果推理过程相类似，在此不再赘述。

本发明的这些特点和优点将会在下面的具体实施方式以及附图中进行详细的揭露。本发明最佳的实施方式或手段将结合附图来详尽表现，但并非是对本发明技术方案的限制。另外，在每个下文和附图中出现的这些特征、要素和组件是具有多个，并且为了表示方便而标记了不同的符号或数字，但均表示相同或相似构造或功能的部件。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1为本发明实施例中光电探测单元的俯视示意图；

图2为本发明实施例中光电探测单元的截面示意图；

图3为本发明实施例中光电探测单元阵列的示意图；

图4为本发明实施例中A滤波特性的光电探测单元和B滤波特性的光电探测单元的接收光谱；

图5为现有技术中32通道的重建误差图；

图6为本发明实施例的重建误差图；

图7为本发明实施例中载具和光电探测器的示意图；

图8为本发明实施例中针对涂覆负胶的掩膜版的示意图；

图9为本发明实施例中针对涂覆正胶的掩膜版的示意图；

图10为本发明实施例中在载具上形成光电探测单元的示意图；

图11为本发明实施例中不同炉次光电探测单元转移到基板的示意图；

图12为本发明实施例中光电探测单元阵列的示意图；

图13为本发明实施例中光谱仪采集反向散射光时光源、光电探测器阵列及待测样品之间的位置关系示意图；

图14为本发明实施例中光谱仪采集正向散射光时光源、光电探测器阵列及待测样品之间的位置关系示意图。

其中，1-光电探测器，11-感光部分，12-电极，2-载具，3-掩膜版，4-光电探测单元，41-感光区，42-介质膜层，5-光源，6-待测样品，7-基板。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。基于实施方式中的实施例，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本说明书中引用的“一个实施例”或“实例”或“例子”意指结合实施例本身描述的特定特征、结构或特性可被包括在本专利公开的至少一个实施例中。短语“在一个实施例中”在说明书中的各位置的出现不必都是指同一个实施例。

实施例：

本实施例还提供了一种光谱仪，包括光电探测单元阵列，光电探测单元阵列包括若干光电探测单元4。如图1和图2所示，光电探测单元4包括光电探测器1和介质膜层42，光电探测器1包括感光部分11和电极12，感光部分11的直径为0.1mm到5mm，厚度为120μm到1mm，电极12的直径为50μm到1mm。介质膜层42覆盖于感光部分12，透明介质具有至少十层，其材料为Si、SiO₂、SiN、SiON、Ti₃O₅或Ta₂O₅。每一层的透明介质的材质和/或厚度都与相邻的两层不同，本实施例中，透明介质优选采用SiO₂和Ti₃O₅，因此，所形成的介质膜层42为一层SiO₂，一层Ti₃O₅，再一层SiO₂，交替设置。所形成的介质膜层42的厚度为1μm到100μm。通过对透明介质的选材、层数设定、介质膜层的厚度设定进行改变，达到制作不同滤波特性的光电探测单元的目的，通过多个炉次可以完成多种不同滤波特性光电探测单元的制作，简化了工艺流程。光电探测单元4的形状优选为矩形，其边长为0.5mm到7mm。在其他实施例中，光电探测单元也可以为三角形、矩形等形状，任意边长为0.5mm到7mm。

需要指出的是，构成光电探测单元阵列的光电探测单元为多个不同滤波特性的光电探测单元。如图3所示，在基板7上的多个光电探测单元4，分别具有不同的滤波特性，分别用编号A、B、C、D...表示。图4示出了具有A滤波特性的光电探测单元接收光谱和具有B滤波特性的光电探测单元接收光谱。

现有技术中32通道的重建误差如图5所示，其光谱重建范围为100nm。而本实施例中，重建误差如图6所示。两者对比可以看出，本实施例的相对误差有约一倍提升，光谱重建范围为700nm，也有大幅提升。并且，本实施例仅需要16通道。因此，本实施例在需要通道较少的前提下，达到更好的相对误差表现和更大的光谱重建范围。现有技术的光谱仪需要在光电探测器前放置滤波器，而滤波器的数值孔径较小，数值孔径又与收光能力息息相关，因此，现有技术的光谱仪受限于滤波器较小的数值孔径，不得不考虑收光的角度，以尽可能多地收光。但是，数值孔径与滤波器的光谱特性的稳定又相互矛盾，即使通过耦合的方式集成，一来无法保证收光的光谱特性的稳定，二来仍会带来较大的损耗。而本实施例直接将介质膜层42生长在光电探测器1的感光部分11上，相当于将滤波器直接贴合于光电探测器1上，所有投射在介质膜层42的光线均可以被吸收，因此消除了数值孔径的影响，进而使受光面积增大，从而加大收光区域，减小了光耦合所带来的损耗，进而使光电探测器1的光通量得到增强，同时也能保证收光的光谱特性的稳定。

与此同时，本实施例还提供了一种基于光电探测器阵列的光谱仪制造方法，用于制造前述的光谱仪，包括如下步骤：

步骤1：在固定有若干光电探测器1的载具2上均匀涂覆光刻胶。本实施例中，光电探测器1的感光部分11的直径为0.1mm到5mm，厚度为120μm到1mm，光电探测器1的电极12的直径为50μm到1mm。载具2及固定于载具2上的光电探测器1均镀有滤光膜，用于滤光。载具2上若干光电探测器1在载具2上间隔设置，如图7所示，在本实施例中，载具2为圆形并具有限位区，光电探测器1在限位区内间隔设置。在其他实施例中，载具2也可以是矩形等形状，此处不做限定。而载具2的限位区可由本领域技术人员根据载具的形状、大小以及光刻机的工作区域等因素进行圈定，此处亦不做限定。

步骤2：使用与载具2相匹配的掩膜版3对光刻胶进行曝光和显影。本实施例中，掩膜版3呈圆形。如图8所示，如果固定有光电探测器1的载具2所涂覆的光刻胶为负胶，则掩膜版3上光电探测器1的电极12对应位置，即图2中虚线的白色圆圈处应当从掩膜版3露出，其他部分包括光电探测器1的感光部分11，均应当被掩膜版3遮挡。曝光及显影以后，被掩膜版3遮挡的部分由于未曝光而溶解，因此感光部分11裸露；未被掩膜版3遮挡的部分由于曝光而得以保留，因此电极12由光刻胶覆盖。

如图9所示，如果固定有光电探测器1的载具2所涂覆的光刻胶为正胶，则掩膜版3上光电探测器1的电极12对应位置，即图3中虚线的灰色圆圈处应当被掩膜版3遮挡，其他部分包括光电探测器1的感光部分11，均应当从掩膜版3露出。曝光及显影以后，未被掩膜版3遮挡的部分由于曝光而溶解，因此感光部分11裸露；被掩膜版3遮挡的部分由于未曝光而得以保留，因此电极12由光刻胶覆盖。

步骤3：在光电探测器1的感光部分11进行薄膜生长形成介质膜层。薄膜生长为本领域常规技术手段，此处不再赘述。经过生长，介质膜层包括多层交替更换的透明介质，透明介质具有至少十层，其材料为Si、SiO₂、SiN、SiON、Ti₃O₅或Ta₂O₅。每一层的透明介质的材质都与相邻的两层不同，本实施例中，透明介质优选采用SiO₂和Ti₃O₅，因此，所形成的介质膜层为一层SiO₂，一层Ti₃O₅，再一层SiO₂，交替设置。所形成的介质膜层的厚度为1μm到100μm。通过对透明介质的选材、层数设定、介质膜层的厚度设定进行改变，达到制作不同滤波特性的光电探测单元的目的，通过多个炉次可以完成多种不同滤波特性光电探测单元的制作，简化了工艺流程。

步骤4：剥离光刻胶，使电极12裸露，如图10所示，覆盖介质膜层的光电探测器1以及裸露的电极12形成光电探测单元4，覆盖介质膜层的感光部分11作为光电探测单元4的感光区41。本实施例中，光电探测单元4的形状优选为矩形，其边长为0.5mm到7mm。在其他实施例中，光电探测单元也可以未三角形、矩形等形状，任意边长为0.5mm到7mm。

步骤5：将光电探测单4从载具2上取下，转移到封装基板上进行集成和互联，形成光电探测器阵列，由光电探测器阵列形成光谱仪。

构成光电探测单元阵列的光电探测单元为多个不同滤波特性的光电探测单元。如图11所示，在基板7上的多个光电探测单元4分别具有不同的滤波特性，分别用编号A、B、C、D...表示。A滤波特性的光电探测单元4、B滤波特性的光电探测单元4以及C滤波特性的光电探测单元4则分别由三个炉次完成。换言之，A滤波特性的光电探测单元4、B滤波特性的光电探测单元4以及C滤波特性的光电探测单元4，分别由不同的载具2经过涂覆光刻胶、曝光和显影、薄膜生长、剥离光刻胶后，从载具2上取下转移到封装基板7上进行集成和互联，形成光电探测器阵列。

如图12所示，本实施例中，基板被设计成环形，包含有互连结构或电路结构，用于将探测到的强度信息采集处理。因此，光电探测器阵列在基板上也呈环形。如图13所示，当光谱仪采集反向散射光时，光源5在环光电探测器阵列的上方，待测样品6在光谱仪下方，光源5发出的光线穿过环形光电探测器阵列的中空部分到达待测样品6，经过待测样品6的反射由环光电探测器阵列收集。如图14所示，当光谱仪采集正向散射光时，待测样品6在光源5下方，环光电探测器阵列在待测样品6下方，光源5发出的光线经过待测样品6的散射由环光电探测器阵列收集。从图6和图7中的曲线可见，呈环形的光电探测器阵列各个光电探测单元采集到的光，相对于入射光的相对位置均能一致。可见，得益于光电探测单元1构成阵列的发明构思，光电探测单元1可以根据需求灵活改变，仅需设计相应的基板即可，制作成本和组装对准要求降低，灵活性升高，无需多次开模。节约了模具成本

本实施例所提供的技术方案，直接将介质膜层生长在光电探测器1上，可以消除数值孔径的影响，增大孔径进而使受光面积增大，从而加大收光区域，减小了光耦合所带来的损耗，进而使光电探测器1的光通量得到增强。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，熟悉该本领域的技术人员应该明白本发明包括但不限于附图和上面具体实施方式中描述的内容。任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。

Claims (10)

1.一种光谱仪，其特征在于，所述光谱仪包括光电探测单元阵列，所述光电探测单元阵列包括若干光电探测单元，所述光电探测单元包括光电探测器和介质膜层，所述光电探测器包括感光部分和电极，所述介质膜层覆盖于所述感光部分，所述电极裸露。

2.根据权利要求1所述的光谱仪，其特征在于，所述介质膜层包括多层透明介质，相邻的透明介质之间存在材料和/或厚度差异。

3.根据权利要求2所述的光谱仪，其特征在于，所述透明介质设有至少十层，且交替更换。

4.根据权利要求2所述的光谱仪，其特征在于，所述透明介质的材料为Si、SiO2、SiN、SiON、Ti3O5或Ta2O5。

5.根据权利要求1至4所述的光谱仪，其特征在于，所述介质膜层的厚度为1μm到100μm。

6.根据权利要求1至4之一所述的光谱仪，其特征在于，所述光电探测器的感光部分的直径为0.1mm到5mm，厚度为120μm到1mm。

7.根据权利要求1至4之一所述的光谱仪，其特征在于，所述光电探测单元的任意边长为0.5mm到7mm。

8.一种基于光电探测器阵列的光谱仪制造方法，其特征在于，所述光谱仪制造方法用于制造权利要求1所述的光谱仪，包括如下步骤：

在固定有若干光电探测器的载具上涂覆光刻胶，若干所述光电探测器在所述载具上间隔设置；

使用与载具相匹配的掩膜版对光刻胶进行曝光和显影，显影后，光电探测器的电极由光刻胶覆盖，光电探测器的感光部分裸露；

在光电探测器的感光部分进行薄膜生长形成介质膜层；所述介质膜层包括多层交替更换的透明介质；

剥离光刻胶，使电极裸露，覆盖介质膜层的光电探测器以及裸露的电极形成光电探测单元；

将光电探测单元从载具上取下，转移到封装基板上进行集成和互联，形成光电探测器阵列，由所述光电探测器阵列形成光谱仪。

9.根据权利要求8所述的光谱仪制造方法，其特征在于，所述介质膜层包括至少十层交替更换的透明介质，所述透明介质的材料为Si、SiO2、SiN、SiON、Ti3O5或Ta2O5。

10.根据权利要求8或9所述的光谱仪制造方法，其特征在于，载具及固定于载具上的光电探测器镀有滤光膜。