CN207457534U

CN207457534U - 一种集成式红外带通滤波器和光谱仪

Info

Publication number: CN207457534U
Application number: CN201721264857.XU
Authority: CN
Inventors: 但亚平; 王昂
Original assignee: Yangzhong Henghai Electronic Technology Co Ltd
Current assignee: Yangzhong Henghai Electronic Technology Co Ltd
Priority date: 2017-09-29
Filing date: 2017-09-29
Publication date: 2018-06-05
Anticipated expiration: 2027-09-29

Abstract

本实用新型公开了一种集成式红外带通滤波器和光谱仪。该集成式红外带通滤波器包括一金属层，所述金属层中形成贯通的微米或纳米孔阵列，通过微米或纳米金属孔的光的特征波长λ_max满足以下公式：

λ_{\max} = \frac{a}{\sqrt{\frac{4}{3} (i^{2} + i j + j^{2})}} \sqrt{\frac{s_{m} s_{d}}{s_{m} + s_{d}}}

这里，a表示金属孔的排列周期，i和j表示与阵列散射阶次相关的整数，ε_m和ε_d分别表示金属和介电材料的介电常数。本实用新型的集成式红外带通滤波器可以将大量选通红外波长不同的微型带通滤波器，通过一次加工大规模集成在很小的芯片上，具有高集成度的优点。

Description

一种集成式红外带通滤波器和光谱仪

技术领域

本实用新型涉及光学领域，特别是涉及一种集成式红外带通滤波器和光谱仪。

背景技术

物质的光谱含有物质的大量化学信息，每一种物质均有对应的特征光谱，因此探测物质的光谱可以分析物质的化学组分，在地理遥感、污染遥感监测、无创医疗诊断以及军事目标的识别等领域具有广泛的应用前景。然而，目前的光谱分析技术主要依赖光栅分光或者多个分立带通滤波片进行分光，前者体积庞大，速度慢，不能满足小型化、快速化的应用要求；而后者只能探测少数几个波长上的信息。本实用新型提出通过刻蚀技术或剥离技术制备垂直纳米或微米柱体、或纳米或微米孔进而进一步形成垂直的金属孔。本实用新型通过一次性大规模形成直径和周期不同的金属孔阵列，对红外入射光在大量波长上进行分光，从而实现微型的高精度的光谱分光。

实用新型内容

本实用新型针对上述技术问题，提出了一种集成式红外带通滤波器及其制造方法和光谱仪，其可以将大量选通波长不同的微型带通滤波器，通过一次加工大规模集成在很小的芯片上，具有高集成度的优点。

本实用新型的一个方面是提供了一种集成式红外带通滤波器，包括一金属层，所述金属层中形成贯通的微米或纳米孔阵列，通过微米或纳米金属孔的光的特征波长λ_max满足以下公式：

这里，a表示金属孔的排列周期，i和j表示与阵列散射阶次相关的整数，ε_m和ε_d分别表示金属和介电材料的介电常数。

优选地，具有多个金属孔阵列，各阵列具有不同的金属孔排列周期和/或金属孔形状和/或金属孔排列方式。

优选地，所述金属孔为圆柱体或方柱体或横截面为六边形或多边形的柱体。

优选地，所述金属孔的排列方式为正方形或蜂窝形，所述蜂窝形为以一个金属孔为中心，与周围的金属孔形成正六边形。

优选地，所述金属为Cr、Al、Au和Ag中的任意一种。

优选地，金属孔的排列周期a＝2～20微米。

本实用新型的另一个方面是提供了一种光谱仪，包括：根据前述的集成式红外带通滤波器，以及设置在所述红外带通滤波器下方的光电探测器，其中，所述集成式红外带通滤波器的每个金属孔底部均设有一个探测器以将不同波长的红外光转换成电学信号。

优选地，将在所述集成式红外带通滤波器的直径或宽度相同的金属孔下面分别设置的多个探测器替换为一个大面积阵列光电探测器。

本实用新型具有以下优点：

1、本实用新型的集成式红外带通滤波器通过改变金属孔的大小和排布周期，可以将大量选通波长不同的微型红外带通滤波器，通过一次加工的办法大规模集成在很小的芯片上；

2、本实用新型的工艺制造方法与CMOS工艺兼容，成本低。

3、本实用新型的制造工艺简单、实用性强，可进行大批量生产。

4、本实用新型的滤波器阵列对不同波长的红外光进行同时分光，具有速度快的优点。

附图说明

图1为本实用新型的集成式红外带通滤波器的结构示意图。

图2为本实用新型的集成式红外带通滤波器的一种制造方法的示意图。

图3为本实用新型的集成式红外带通滤波器的另一种制造方法的示意图。

图4(a)为本实用新型的集成式红外带通滤波器芯片的示意图，图4(b)为其中一个滤波器芯片的放大图。

图5(a)为本实用新型的滤波器芯片即多光谱分光芯片不同周期孔阵列的透射光谱；图5(b)为仿真及测试得到的孔阵列周期与其透射峰的位置关系对比图；图5(c)～(e)为红外成像图。

图6(a)为本实用新型的集成式红外带通滤波器的工作原理示意图；图6(b)以周期为4微米的阵列为例，展示了未放样前的透射光谱以及计算得到的每单位面积入射光子数；图6(c)同样以周期为4微米的阵列为例，展示了放样后的透射光谱以及计算得到的每单位面积入射光子数。

图7(a)中曲线为通过傅里叶红外光谱仪所测得的碳酸钙红外光谱，点为计算所得的各个探测器放样后与放样前的光电流比值；图7(b)中曲线为通过傅里叶红外光谱仪所测得的碳酸钾红外光谱，点为计算所得的各个探测器放样后与放样前的光电流比值。

图8为本实用新型的一实施例的光谱仪的结构示意图。

具体实施方式

在下列说明中，为了提供对本实用新型的彻底了解而提出许多具体细节。本实用新型可在不具有部分或所有这些具体细节的情况下实施。在其他情况下，为了不对本实用新型造成不必要的混淆，不详述众所周知的过程操作。虽然本实用新型将结合具体实施例来进行说明，但应当理解的是，这并非旨在将本实用新型限制于这些实施例。

图1为本实用新型的集成式带通滤波器的结构示意图。如图1所示，本实用新型的集成式带通滤波器包括一金属薄膜层1，该金属薄膜层1中形成贯通的微米或纳米孔阵列即金属微米或纳米孔阵列2，通过该金属微米或纳米孔(金属孔)2的光的特征波长λ_max满足以下公式：

这里，a表示金属孔的排列周期，i和j表示与阵列散射阶次相关的整数，ε_m和ε_d分别表示金属和介电材料的介电常数。优选地，a＝2～20微米。

本实用新型中，所述金属层1中的金属可以为任意金属，比如可以是常见的Cr、Al、Au和Ag中的任意一种。优选金(Au)或银(Ag)，集成式红外带通滤波器的光透过率较高。

本实施例中，所述金属孔2为圆柱体。在另外的实施例中，金属孔也可以为方柱体或者横截面为六边形或多边形的柱体。

另外，金属微米或纳米孔阵列2与透过孔的光强有关，阵列越密，光强越大。金属孔2的排布方式可以正方形，也可以是蜂窝型。所述蜂窝形为以一个金属孔为中心，周围的金属孔连起来形成正六边形。

上述金属微米或纳米孔2的物理尺寸及排布方式等可以通过仿真软件设计来确定。仿真软件例如可采用现有的商业Lumerical的FDTD Solution模块。通过FDTD Solution模块设计金属纳米或微米孔的物理尺寸以及排布方式，可以使其吸收光谱位于所需波长范围之内。具体地，选定仿真区域并设置X、Y方向为周期性边界条件，光源由X、Y方向线偏振光相叠加，以模拟平行光并沿Z方向传播，即可模拟纳米或微米孔的滤波效果并得到透射谱图。通过仿真软件，可获得金属孔2选通的具体波长与单个金属孔2的孔径周期有关，即近似满足前述公式(1)。

图2为本实用新型的集成式带通滤波器的一种制造方法的示意图。如图2(a)～(c)所示，制造方法包括以下步骤a～e。

步骤a.在衬底基板上各向同性地沉积一金属薄膜层(例如铬，Cr)，所述衬底基板为不吸收红外线的材料，所述金属层厚度为50纳米至500纳米。

本步骤中，衬底基板的材料可根据需要选通的波长而定，例如需要选通中红外波长的光，则不吸收特定波长的光的材料可以为锗(Ge)或者氟化钙(CaF₂)，其不吸收中红外波段的光，如图2(a)所示。

步骤b.在所述金属层上形成一光刻胶层或电子束胶层(例如PMMA)。

步骤c.通过光刻技术在所述光刻胶层或通过电子束曝光在所述电子束胶层形成中空的微米或纳米孔阵列，所述微米或纳米孔具有特定形状，孔内暴露金属层。本步骤中，微米或纳米孔的形状可以是圆形或方形或六边形或多边形。例如，通过光刻板上预先形成特定形状，从而使得光刻后微米或纳米孔具有了相应的特定形状。步骤b和步骤c如图2(b)所示。

步骤d.利用刻蚀技术去除所述微米或纳米孔内暴露的金属层。例如通过干法蚀刻(RIE)来去除孔内暴露的金属层。

步骤e.通过去胶溶剂去除残留的所述光刻胶或电子束胶，形成微米或纳米金属孔阵列。步骤d和e如图2(c)所示。

本实用新型还提供了上述集成式带通滤波器的另一种制造方法。本方法与前述的制造方法中相同的部分不再赘述，这里只对不同之处进行详细说明。具体地，参考图3，该制造方法包括如下步骤a～d。

步骤a.在衬底基板上形成一光刻胶层或电子束胶层；衬底基板可以是CaF₂或者是Ge或光敏芯片。

步骤b.通过光刻技术在所述光刻胶层或通过电子束曝光在所述电子束胶层形成微米或纳米柱体阵列，所述微米或纳米柱体具有特定形状，所述微米或纳米柱体之间暴露所述衬底基板。这里的蚀刻技术为干法蚀刻或湿法化学蚀刻。步骤a和步骤b如图3(a)所示。

步骤c.在所述暴露的衬底基板的表面和所述微米或纳米柱体的表面各向同性地层积一金属薄膜层(例如铬，Cr)，如图3(b)所示。

步骤d.通过去胶溶剂去除所述微米或纳米柱体及其上的金属薄膜层，形成微米或纳米金属孔阵列，如图3(c)所示。

下面详细说明本实用新型的集成式带通滤波器的金属孔的形状以及相应的技术效果。

图4(a)为本实用新型的集成式红外带通滤波器芯片的示意图，图中共8个滤波器，每个滤波器可以是不同的，例如具有不同的金属孔排列周期和/或不同的金属孔形状，从而满足不同的选光(滤光)需求，即该芯片上的每个滤波器可以选通不同波长的红外光，并且这些选通不同波长的微型带通滤波器可以通过一次性加工集成在一块很小的芯片上。图4(b)为其中一个滤波器的放大图。从图4可知，获得滤光效果需要一个阵列的小孔，单个小孔不能得到滤光效果。

图5(a)为多光谱分光芯片不同周期孔阵列的透射光谱，其中横轴代表波长，纵轴代表透射率。各条曲线分别表示不同周期孔阵列，金属孔的排列周期P从2um到4.8um，间隔为0.4um。从图中可知，随着周期P增大，选通的波长也相应变长了。对选通的波长的入射光，基本上透射率可以达到40％左右。图5(b)为仿真及测试得到的孔阵列周期与其透射峰的位置关系对比，其中横轴代表孔阵列周期，纵轴代表透射峰位置。从图中可知，仿真结果和测试结果吻合地很好。图5(c)～(e)为红外成像图，展示各个孔阵列在不同波长处的透光量。图5(c)中，选通的波长λ＝4.2μm，8个圆点代表8个芯片，每个芯片下方的数字表示该芯片上的金属孔的排列周期即相邻金属孔之间的中心间距。图右侧的百分比表示光透射率。从图中可知，金属孔周期为2.4μm的芯片的亮度最大，表示光透射率是最高的。相比而言，金属孔周期为4.4μm，4.8μm的芯片的亮度最低，表示光透射率是最低的。图5(d)中，选通的波长λ＝6.1μm，8个圆点代表8个芯片，每个芯片下方的数字表示该芯片上的金属孔的排列周期即相邻金属孔之间的中心间距。图右侧的百分比表示光透射率。从图中可知，金属孔周期为3.6μm的芯片的亮度最大，表示光透射率是最高的。相比而言，金属孔周期为2μm，2.4μm的芯片的亮度最低，表示光透射率是最低的。相应地，图5(e)中，选通的波长λ＝7.8μm，此时金属孔周期为4.8μm的芯片的亮度最大，表示光透射率是最高的。

图6(a)为本实用新型的集成式红外带通滤波器的工作原理示意图。如图，分光芯片由多个周期各不相同的阵列组成，每个阵列对应一个独立的宽带红外探测器。红外光源照射在检测样品上，透过样品后入射到本实用新型的多光谱分光芯片上，由该多光谱成像芯片选通的光被宽带红外探测器阵列探测并转化为电信号输出。图6(b)以周期为4微米的金属孔阵列为例，展示了未放样前的透射光谱以及计算得到的每单位面积入射光子数，阴影部分为每单位面积入射光子总数，其中横轴代表波数，左纵轴代表透射率，右纵轴代表光子个数。图6(c)同样以周期为4微米的阵列为例，展示了放样后的透射光谱以及计算得到的每单位面积入射光子数，阴影部分为每单位面积入射光子总数，其中横轴代表波数，左纵轴代表透射率，右纵轴代表光子个数。对比图6(b)和(c)可以发现，放样后，每个探测器所接收到的光信号会因为样品的在特定红外波段的吸收作用发生改变。将透光率除以不同波长处的光子能量得到每单位面积入射光子数的曲线(如图中虚线所示)，进一步积分得到每单位面积的入射光子总量(即图中阴影部分面积)，与探测器实际光电流为正比关系。将放样前后的入射光子总量相除，即可得到一个光电流比值。将每个探测器的该比值汇总拟合所得到的曲线，即为测试样品的红外光谱。

图7(a)中曲线为通过傅里叶红外光谱仪所测得的碳酸钙红外光谱，点为计算所得的各个探测器放样前后的光电流比值，共计8个点。图7(b)测试样品为碳酸钾，展示内容同图7(a)。从两张图可以看出，虽然该多光谱分光芯片仅设计了8个阵列，但每个点都基本坐落在被测物质的光谱图上，验证了该实用新型的准确性。通过进一步优化分光芯片的设计，针对特定波段设计周期相差很小的多个阵列，将可以更加精确、更有针对性的分析物质的化学结构和检测特定化学成分。

本实用新型还提供了一种光谱仪设计，如图8所示，通过适当的工艺，可以将上述集成式红外带通滤波器(金属孔阵列滤波器)与光电探测器阵列集成在一起，每个金属孔底部均设有一个探测器6。该光谱仪可以将不同红外波长的光转同时换成电学信号。在其它实施例中，也可以在直径(宽度、尺寸)相同的金属孔下面只设置一个面积很大的光电探测器，这样光电探测器接收到的光(同一波长附近的光)的强度会更大，因而也会更灵敏。

本实用新型通过利用集成电路加工技术，可一次性大规模形成直径(尺寸)不同的金属孔阵列，因而可以对红外入射光在大量波长上进行分光，最终实现微型的高精度的光谱分光芯片。进一步地，基于本实用新型的微型的光谱分光芯片可制造微型便携式的光谱仪，其突破了现有技术的限制，具有重大的商业价值。

本实用新型的技术内容及技术特点已揭示如上，然而熟悉本领域的技术人员仍可能基于本实用新型的教示及揭示而作种种不背离本实用新型精神的替换及修饰。因此，本实用新型的保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而应包括各种不背离本实用新型的替换及修饰，并为本专利申请权利要求书所涵盖。

Claims

1.一种集成式红外带通滤波器，其特征在于，包括一金属层，所述金属层中形成贯通的微米或纳米孔阵列，通过微米或纳米金属孔的光的特征波长λ_max满足以下公式：

<mrow> <msub> <mi>&lambda;</mi> <mi>max</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>a</mi> <msqrt> <mrow> <mfrac> <mn>4</mn> <mn>3</mn> </mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <msup> <mi>i</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <mi>i</mi> <mi>j</mi> <mo>+</mo> <msup> <mi>j</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </msqrt> </mfrac> <msqrt> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>s</mi> <mi>m</mi> </msub> <msub> <mi>s</mi> <mi>d</mi> </msub> </mrow> <mrow> <msub> <mi>s</mi> <mi>m</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>s</mi> <mi>d</mi> </msub> </mrow> </mfrac> </msqrt> </mrow>

2.根据权利要求1所述的集成式红外带通滤波器，其特征在于，具有多个金属孔阵列，各阵列具有不同的金属孔排列周期和/或金属孔形状和/或金属孔排列方式。

3.根据权利要求1所述的集成式红外带通滤波器，其特征在于，所述金属孔为圆柱体或方柱体或横截面为六边形或多边形的柱体。

4.根据权利要求1所述的集成式红外带通滤波器，其特征在于，所述金属孔的排列方式为正方形或蜂窝形，所述蜂窝形为以一个金属孔为中心，与周围的金属孔形成正六边形。

5.根据权利要求1所述的集成式红外带通滤波器，其特征在于，所述金属为Cr、Al、Au和Ag中的任意一种。

6.根据权利要求1所述的集成式红外带通滤波器，其特征在于，金属孔的排列周期a＝2～20微米。

7.一种光谱仪，其特征在于，包括：根据权利要求1～6中任一项所述的集成式红外带通滤波器，以及设置在所述红外带通滤波器下方的光电探测器，其中，所述集成式红外带通滤波器的每个金属孔底部均设有一个探测器以将不同波长的红外光转换成电学信号。

8.根据权利要求7所述的光谱仪，其特征在于，将在所述集成式红外带通滤波器的直径或宽度相同的金属孔下面分别设置的多个探测器替换为一个大面积阵列光电探测器。