TWI473981B - 具有錐狀狹縫之微型光譜儀之光機模組及其狹縫結構 - Google Patents

Description

具有錐狀狹縫之微型光譜儀之光機模組及其狹縫結構

本發明係關於一種具有錐狀狹縫之微型光譜儀之光機模組及其狹縫結構，尤其關於一種利用濕蝕刻製程來形成錐狀狹縫以作為微型光譜儀之光機模組之元件及微型光譜儀之狹縫結構。

輻射源的光度測定(photometry)通常利用光譜儀(spectrometer)來進行量測，光譜儀的進光處需要使用狹縫結構來控制一定量的光源進入其中。一個開口非常平整銳利的狹縫對於感測器端的影像品質與解析度具有重要的效果，在光學上稱這種非常平整銳利的開口邊緣為「刀口邊緣」(knife edge)。然而，因為傳統光譜儀之狹縫的開口必須相當長，以容許足夠的進光量，所以使用矽或其他半導體材質為基底並以半導體製程來製作的狹縫就顯得相當脆弱而不適合。因此，傳統之光譜儀所用的狹縫結構，一般是使用其他非半導體材質而以放電加工所製造。圖1與2分別顯示一種傳統的狹縫結構300之前視圖及俯視圖。如圖2所示，此狹縫結構300之狹縫310係由放電加工所製造出，故其表面平整性不佳，有許多鋸齒狀的圖案。這些鋸齒狀的圖案可能會影響到光線的入射，對於光譜儀的效能會有負面的影響。此外，放電加工的費用較高，且利用放電加工較不適合大量生產。

圖3顯示一種傳統之光譜儀100之示意圖。如圖3所示，傳統之光譜儀100包含一光源110、一輸入部120、一準直面鏡130、一平面光柵140、一聚焦面鏡150及一直線狀光感測器160。光源110輸出光訊號200通過輸入部120，在自由空間裡經過準直面鏡130後到達平面光柵140。平面光柵140之繞射圖案142的巨觀輪廓為一平面，這種平面光柵140比較適合傳統以鑽石刀在金屬表面刻劃繞射圖案的加工方式，但也因此無法將光柵之輪廓做成具有聚焦作用的曲面，因此當平面光柵140將光訊號分離成數個光譜分量之後，為了將這些光譜分量聚焦於直線狀光感測器160上，需要加入聚焦面鏡150才能達成。因此，整個光譜儀100的光路很長，且體積相對龐大許多。但也因為傳統光譜儀的這種光機結構與光學路徑，使得傳統光譜儀之進光量可以很大，雜散光對繞射結果的影響因此較小，所以傳統光譜儀未必需要去考慮雜散光對待測訊號的影響的問題，對於輸入部120之狹縫310的平整度的要求因此比較不高，習知放電加工做出來的狹縫結構勉強可使用，但在進光量相對少很多的微型光譜儀即屬無法接受。

因此，本發明之一個目的係提供一種便於量產之狹縫結構，進而使裝配有此狹縫結構之微型光譜儀或其光機模組的成本可以被降低。

本發明之另一目的係提供一種具有平整狹縫表面之狹縫結構，進而增強裝配有此狹縫結構之微型光譜儀的效能。

為達上述目的，本發明提供一種具有錐狀狹縫之微型光譜儀之光機模組，其包含一輸入部以及一微型繞射光柵。輸入部包含一狹縫結構，用以接收一第一光學訊號並輸出一第二光學訊號沿著一第一光路行進。狹縫結構包含一基板及一狹縫，狹縫貫穿基板，且狹縫從基板之一第一面到基板之一第二面具有漸縮的尺寸。微型繞射光柵設置於第一光路上，用以接收第二光學訊號並用以將第二光學訊號分離成複數個光譜分量沿著一第二光路行進。

此外，本發明亦提供一種適用於微型光譜儀之光機模組之狹縫結構，用以接收一第一光學訊號並輸出一第二光學訊號。狹縫結構包含一基板及一狹縫。狹縫貫穿基板，且狹縫從基板之一第一面到基板之一第二面具有漸縮的尺寸。

為讓本發明之上述內容能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

圖4顯示依據本發明較佳實施例之具有錐狀狹縫之微型光譜儀之示意圖。如圖4所示，本實施例之微型光譜儀包含一本體10、一輸入部20以及一微型繞射光柵40。輸入部20及微型繞射光柵40可以組成一個光機模組。

於本實施例中，輸入部20裝設於本體10中，並包含一狹縫結構30，用以接收一第一光學訊號S1並輸出一第二光學訊號S2沿著一第一光路OP1行進。於一例子中，輸入部20可以更包含一濾光鏡，用以濾除不必要的光學訊號。此外，本發明之微型光譜儀可以更包含一發光裝置60，用以發出一光源經過一試樣70後產生第一光學訊號S1，其中試樣譬如是試紙。

狹縫結構30包含一基板32及一狹縫34，狹縫34貫穿基板32，且狹縫34從基板32之一第一面32A到基板32之一第二面32B具有漸縮的尺寸。亦即，狹縫34實質上呈錐狀構造。第一面32A較第二面32B遠離微型繞射光柵40。狹縫34可具有矩形、圓形、橢圓形或其他幾何形狀之剖面，於此不作特別限制。

如圖4所示，微型繞射光柵40係設置於第一光路OP1上，用以接收第二光學訊號S2並用以將第二光學訊號S2分離成複數個光譜分量C沿著一第二光路OP2行進。

此外，為了獲得這些光譜分量C以便作處理，微型光譜儀可以更包含一光感測器50，其設置於第二光路(OP2)上，用以接收此等光譜分量C。值得注意的是，微型繞射光柵40係為可以利用微機電製程(MEMS)、半導體製程、光刻電鑄模造(LIGA)或其他製程所製造出來的超薄微小零件，故可以被稱為是微型繞射光柵，因此本發明之光譜儀可以被稱為是微型光譜儀。微型繞射光柵40的繞射圖案42的高度一般約有數十微米至數百微米。微型繞射光柵40之繞射圖案42的巨觀輪廓包含圖4所部20的第二光學訊號S2導引到微型繞射光柵40，使第二光學訊號S2不會在自由空間中發散掉，如此則微型繞射光柵40接收到的訊號強度相對於雜訊可以更高，且抗雜訊能力因此可以增強。波導80可以包含一第一波導片82及一第二波導片84，兩者彼此面對以共同定義出一光通道90，該光通道90可以是空腔式(沒有填有任何固體或液體，甚至是氣體)，也可以填滿適當的介質(例如玻璃、塑膠、或壓克力等)以供光學訊號在當中反覆反射而向前傳送、同時防止落塵或其他污染物累積在波導片之上而影響波導片之平整度與反射率。微量的光線可在此光通道90反射傳輸至微型繞射光柵40。此外，圖5所示的圖面是與波導80延伸平面垂直的截面，而從圖5可以得知，在與波導80延伸平面垂直的截面方向上，狹縫34從第一面32A到第二面32B具有漸縮的尺寸，且狹縫34從第一面32A到第二面32B為止的尺寸變化是漸縮。

圖6係以習知的羅蘭圓(Rowland circle)的理論來解說本發明之微型光譜儀之所以可以聚焦於一直線的感測器的示意圖。如圖6所示，依據羅蘭圓(Rowland circle)的理論，入射光通過狹縫結構30後，到達微型繞射光柵40'後，會產生繞射並聚焦成像於羅蘭圓RC上。因此，一個與羅蘭圓RC有交叉的光感測器50可以接收至少兩個光譜成分。由於適用於羅蘭圓之微型繞射光柵40'的繞射圖案具有固定之節距(Pitch)，所以僅能將光譜成分聚焦成像於一直線的兩點上。改變節距可以改變羅蘭圓的大小，所以將繞射圖案設計成具有非固定的節距，即可將至少三個 光譜成分聚焦於一直線上，也就是達成圖4的效果。

因此，圖4之光感測器50可具有複數個感光單元52，譬如是兩個、三個或三個以上，此等感光單元52排列成一直線。

不同於傳統的金屬狹縫結構的是，本發明的狹縫結構30係利用半導體製程的濕蝕刻技術所形成。圖7-10顯示本發明之狹縫結構之製造方法之各步驟之結構圖。首先，如圖7所示，提供一種半導體基板32，譬如是矽基板、三五族半導體材料所構成之基板或其他半導體材料基板。然後，如圖8所示，在基板32上塗上一光阻層36。接著，如圖9所示，在光阻層36上形成一開口37，以露出部分之基板32。如圖10所示，進行濕蝕刻步驟，以形成狹縫34。在使用矽基板的情況下，濕蝕刻步驟所造成的狹縫34之周壁34A與第二面32B之夾角θ係為矽晶格的排列角度，該角度實質上等於54度，開口37邊緣的平整度也可達晶格排列的等級，而且，狹縫34之周壁34A之表面粗糙度低於1奈米(nm)，如此的狹縫構造，正可做為進光量非常小的微型光譜儀的進光開口。開口37的形狀雖然不必有特殊的限制，但較常會被選用的形狀為矩形，於一實施例中，從圖11之第二面32B量測開口37的尺寸，其長寬大致上為150微米與25微米。

因此，狹縫結構30之基板32包含半導體材料，譬如是矽材料、三五族半導體材料或其他半導體材料。值得注意的是，光阻層36可以在後續步驟中被移除，亦可以被保留以成為狹縫結構30之一部分。或者，光阻層36亦可 被移除，使得最後的狹縫結構30不包含光阻層36，如圖11所示。藉由本發明之狹縫結構，可以利用半導體製程來大量生產，降低成本，並且可使狹縫具有平滑的表面，以免對於入射光造成反效果。

在較佳實施例之詳細說明中所提出之具體實施例僅用以方便說明本發明之技術內容，而非將本發明狹義地限制於上述實施例，在不超出本發明之精神及以下申請專利範圍之情況，所做之種種變化實施，皆屬於本發明之範圍。

C．．．光譜分量

OP1．．．第一光路

OP2．．．第二光路

S1．．．第一光學訊號

S2．．．第二光學訊號

RC．．．羅蘭圓

10．．．本體

20．．．輸入部

30．．．狹縫結構

32．．．半導體基板

32A．．．第一面

32B．．．第二面

34A．．．周壁

34．．．狹縫

36．．．光阻層

37．．．開口

40．．．微型繞射光柵

40'．．．微型繞射光柵

42．．．繞射圖案

50．．．光感測器

52．．．感光單元

60．．．發光裝置

70．．．試樣

80．．．波導

82．．．第一波導片

84．．．第二波導片

90．．．光通道

100．．．光譜儀

110．．．光源

120．．．輸入部

130．．．準直面鏡

140．．．平面光柵

142．．．繞射圖案

150．．．聚焦面鏡

160．．．直線狀光感測器

200．．．光訊號

300．．．狹縫結構

310．．．狹縫

圖1與2分別顯示一種傳統的狹縫結構之前視圖及俯視圖。

圖3顯示一種傳統之光譜儀之示意圖。

圖4顯示依據本發明較佳實施例之具有錐狀狹縫之微型光譜儀之示意圖。

圖5顯示圖4之微型光譜儀之側視圖。

圖6係以習知的羅蘭圓(Rowland circle)的理論來解說本發明之微型光譜儀之所以可以聚焦於一直線的感測器的示意圖。

圖7-10顯示本發明之狹縫結構之製造方法之各步驟之結構圖。

圖11顯示本發明之狹縫結構之另一例。

C．．．光譜分量

OP1．．．第一光路

OP2．．．第二光路

S1．．．第一光學訊號

S2．．．第二光學訊號

10．．．本體

20．．．輸入部

30．．．狹縫結構

32．．．半導體基板

32A．．．第一面

32B．．．第二面

34．．．狹縫

36．．．光阻層

40．．．微型繞射光柵

50．．．光感測器

52．．．感光單元

60．．．發光裝置

70．．．試樣

Claims (18)

1. 一種具有錐狀狹縫之微型光譜儀之光機模組，包含：一輸入部，包含一狹縫結構，用以接收一第一光學訊號並輸出一第二光學訊號沿著一第一光路行進；一微型繞射光柵，設置於該第一光路上，用以接收該第二光學訊號並用以將該第二光學訊號分離成複數個光譜分量沿著一第二光路行進；以及一波導，用以將通過該輸入部的該第二光學訊號導引到該微型繞射光柵；其中，該狹縫結構包含一基板及一狹縫，該狹縫貫穿該基板，且在與該波導延伸平面垂直的截面方向上，該狹縫從該基板之一第一面到該基板之一第二面具有漸縮的尺寸，該第一面較該第二面遠離該微型繞射光柵。
2. 如申請專利範圍第1項所述之微型光譜儀之光機模組，該波導包含一第一波導片及一第二波導片，兩者彼此面對共同定義出一光通道，該第二光學訊號係在該光通道中反射傳輸至該微型繞射光柵。
3. 如申請專利範圍第2項所述之微型光譜儀之光機模組，其中該光通道係為空腔式。
4. 如申請專利範圍第2項所述之微型光譜儀之光機模組，其中該光通道更以玻璃、塑膠、或壓克力填滿。
5. 如申請專利範圍第1項所述之微型光譜儀之光機模組，更包含一光感測器，設置於該第二光路上，用以接收該等光譜分量。
6. 如申請專利範圍第1項所述之微型光譜儀之光機模組，其中該狹縫結構之該基板係為一種半導體材料所構成之基板。
7. 如申請專利範圍第6項所述之微型光譜儀之光機模組，其中該半導體材料係為矽或三五族半導體材料。
8. 如申請專利範圍第1項所述之微型光譜儀之光機模組，其中該狹縫之一周壁與該第二面之夾角實質上等於54度。
9. 如申請專利範圍第1項所述之微型光譜儀之光機模組，其中該狹縫之一周壁之表面粗糙度低於1奈米(nm)。
10. 如申請專利範圍第1項所述之微型光譜儀之光機模組，其中該狹縫結構更包含一光阻層，位於該第一面上。
11. 如申請專利範圍第1項所述之微型光譜儀之光機模組，其中在與該波導延伸平面垂直的截面方向上，該狹縫從該第一面到該第二面為止的尺寸變化是漸縮。
12. 一種適用於微型光譜儀之狹縫結構，該微型光譜儀包括一微型繞射光柵以及一波導，該狹縫結構用以接收一第一光學訊號並輸出一第二光學訊號，該狹縫結構包含：一基板；及一狹縫，該狹縫貫穿該基板，且在與該波導延伸平面垂直的截面方向上，該狹縫從該基板之一第一面到該基板之一第二面具有漸縮的尺寸，其中該狹縫結構用於該微型光譜儀時，該第一面較該第二面遠離該微型繞射光柵。
13. 如申請專利範圍第12項所述之狹縫結構，其中該狹縫結構之該基板係為一種半導體材料所構成之基板。
14. 如申請專利範圍第13項所述之狹縫結構，其中該半導體材料係為矽或三五族半導體材料。
15. 如申請專利範圍第12項所述之狹縫結構，其中該狹縫之一周壁與該第二面之夾角實質上等於54度。
16. 如申請專利範圍第12項所述之狹縫結構，其中該狹縫之一周壁之表面粗糙度低於1奈米(nm)。
17. 如申請專利範圍第12項所述之狹縫結構，更包含一光阻層，位於該第一面上。
18. 如申請專利範圍第12項所述之狹縫結構，其中在與該波導延伸平面垂直的截面方向上，該狹縫從該第一面到該第二面為止的尺寸變化為漸縮。