WO2011134156A1 - 具有锥状狭缝的微型光谱仪的光机模块及其狭缝结构 - Google Patents

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Definitions

  • FIG. 1 and 2 show a front view and a top view, respectively, of a conventional slit structure 300.
  • the slit 310 of the slit structure 300 is manufactured by electrical discharge machining, so that the surface flatness is poor and there are many zigzag patterns. These jagged patterns may affect the incidence of light and have a negative impact on the performance of the spectrometer.
  • the cost of electric discharge machining is high, and the use of electric discharge machining is less suitable for mass production.
  • Figure 5 shows a side view of the miniature spectrometer of Figure 4.
  • the height of the diffraction pattern 42 of the micro-diffraction grating 40 is generally about several tens of micrometers to several hundreds of micrometers.
  • the macroscopic profile of the diffraction pattern 42 of the micro-diffraction grating 40 includes a curved surface as shown in FIG. 4 instead of the plane as shown in the conventional FIG. 3, which functions to pass through the micro-diffraction grating 40.
  • the light is focused onto the front light sensor 50.
  • the photo sensor 50 of Fig. 4 can have a plurality of photosensitive cells 52, such as two, three or more, and the photosensitive cells 52 are arranged in a line.

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Description

具有锥状狭缝的微型光谱仪的光机模块及其狭缝结构 技术领域
本发明涉及一种具有锥状狭缝的微型光谱仪的光机模块及其狭缝结构， 尤其涉及一种利用湿刻蚀制造工艺来形成锥状狭缝以作为微型光谱仪的光机 模块的元件及微型光谱仪的狭缝结构。 背景技术
近辐射源的光度测定 (photometry;)通常利用光谱仪 spectrometer)来进行 量测， 光谱仪的进光处需要使用狭缝结构来控制一定量的光源进入其中。 一 个开口非常平整锐利的狭缝对于感测器端的图像品质与解析度具有重要的效 果， 在光学上称这种非常平整锐利的开口边缘为"刀口边缘" (knife edge：)。 然 而， 因为传统光谱仪的狭缝的开口必须相当长， 以容许足够的进光量， 所以 使用硅或其他半导体材质为基底并以半导体制造工艺来制作的狭缝就显得相 当脆弱而不适合。 因此， 传统的光谱仪所用的狭缝结构， 一般是使用其他非 半导体材质而以放电加工所制造。 图 1与图 2分别显示一种传统的狭缝结构 300的前视图及俯视图。 如图 2所示， 此狭缝结构 300的狭缝 310是由放电 加工所制造出， 故其表面平整性不佳， 有许多锯齿状的图案。 这些锯齿状的 图案可能会影响到光线的入射， 对于光谱仪的效能会有负面的影响。 此外， 放电加工的费用较高， 且利用放电加工较不适合大量生产。
图 3显示一种传统的光谱仪 100的示意图。 如图 3所示， 传统的光谱仪 100包含一光源 110、 一输入部 120、 一准直面镜 130、 一平面光栅 140、 一 聚焦面镜 150及一直线状光感测器 160。 光源 110输出光信号 200通过输入 部 120， 在自由空间里经过准直面镜 130后到达平面光栅 140。 平面光栅 140的绕射图案 142的巨观轮廓为一平面， 这种平面光栅 140比较适合传统 以钻石刀在金属表面刻划绕射图案的加工方式， 但也因此无法将光栅的轮廓 做成具有聚焦作用的曲面， 因此当平面光栅 140将光信号分离成数个光谱分 量之后， 为了将这些光谱分量聚焦于直线状光感测器 160上， 需要加入聚焦 面镜 150才能达成。 因此， 整个光谱仪 100的光路很长， 且体积相对庞大许 多。 但也因为传统光谱仪的这种光机结构与光学路径， 使得传统光谱仪的进 光量可以很大， 杂散光对绕射结果的影响因此较小， 所以传统光谱仪未必需 要去考虑杂散光对待测信号的影响的问题， 对于输入部 120的狭缝 310的平 整度的要求因此比较不高， 已知放电加工做出来的狭缝结构勉强可使用， 但 在进光量相对少很多的微型光谱仪即属无法接受。 发明内容
因此， 本发明的一个目的是提供一种便于量产的狭缝结构， 进而使装配 有此狭缝结构的微型光谱仪或其光机模块的成本可以被降低。
本发明的另一目的是提供一种具有平整狭缝表面的狭缝结构， 进而增强 装配有此狭缝结构的微型光谱仪的效能。
为达上述目的， 本发明提供一种具有锥状狭缝的微型光谱仪的光机模 块， 其包含一输入部以及一微型绕射光栅。 输入部包含一狭缝结构， 其接收 一第一光学信号并输出一第二光学信号沿着一第一光路行进。 狭缝结构包含 一基板及一狭缝， 狭缝贯穿基板， 且狭缝从基板的一第一面到基板的一第二 面具有渐缩的尺寸。 微型绕射光栅设置于第一光路上， 接收第二光学信号并 将第二光学信号分离成多个光谱分量沿着一第二光路行进。
此外， 本发明亦提供一种适用于微型光谱仪的光机模块的狭缝结构， 其 接收一第一光学信号并输出一第二光学信号。 狭缝结构包含一基板及一狭 缝。 狭缝贯穿基板， 且狭缝从基板的一第一面到基板的一第二面具有渐缩的 尺寸。
本发明实施例的微型光谱仪的光机模块及其狭缝结构， 可以利用半导体 制造工艺来大量生产， 降低成本， 并且可使狭缝具有平滑的表面， 以免对于 入射光造成反效果。 附图说明
图 1与图 2分别显示一种传统的狭缝结构的前视图及俯视图； 图 3显示一种传统的光谱仪的示意图；
图 4显示依据本发明较佳实施例的具有锥状狭缝的微型光谱仪的示意 图；
图 5显示图 4的微型光谱仪的侧视图；
图 6是以已知的罗兰圆 (Rowland circle)的理论来解说本发明的微型光谱 仪之所以可以聚焦于一直线的感测器的示意图；
图 7-图 10显示本发明的狭缝结构的制造方法的各歩骤的结构图； 图 11显示本发明的狭缝结构的另一例。
附图标号：
C: 光谱分量
OP1 : 第一光路
OP2: 第二光路
S1 : 第一光学信号
S2: 第二光学信号
RC: 罗兰圆
10： 本体
20： 输入部
30： 狭缝结构
32： 半导体基板
32A: 第一面
32B: 第二面
34A: 周壁
34： 狭缝
36： 光阻层 37： 开口
40： 微型绕射光
40': 微型绕射光
42：
50： 光感测器
52： 感光单元
60：
70： 试样
80： 波导
82： 第一波导片
84： 第二波导片
90： 光通道
100： 光谱仪
110： 光源
120： 输入部
130： 准直面镜
140： 平面光栅
142：
150：
160： 直线状光感
200： 光信号
300： 狭缝结构
310： 具体实施方式
为让本发明的上述内容能更明显易懂， 下文特举一较佳实施例， 并配合 附图， 作详细说明如下。
图 4显示依据本发明较佳实施例的具有锥状狭缝的微型光谱仪的示意 图。 如图 4所示， 本实施例的微型光谱仪包含一本体 10、 一输入部 20以及 一微型绕射光栅 40。 输入部 20及微型绕射光栅 40可以组成一个光机模 块。
在本实施例中， 输入部 20装设于本体 10中， 并包含一狭缝结构 30， 其接收一第一光学信号 S1并输出一第二光学信号 S2沿着一第一光路 OP1 行进。 在一例子中， 输入部 20可以更包含一滤光镜， 其滤除不必要的光学 信号。 此外， 本发明的微型光谱仪可以更包含一发光装置 60， 其发出一光 源经过一试样 70后产生第一光学信号 S1 , 其中试样譬如是试纸。
狭缝结构 30包含一基板 32及一狭缝 34， 狭缝 34贯穿基板 32， 且狭缝 34从基板 32的一第一面 32A到基板 32的一第二面 32B具有渐缩的尺寸。 亦即， 狭缝 34实质上呈锥状构造。 第一面 32A较第二面 32B远离微型绕射 光栅 40。 狭缝 34可具有矩形、 圆形、 椭圆形或其他几何形状的剖面， 在此 不作特别限制。
如图 4所示， 微型绕射光栅 40设置于第一光路 0P1上， 接收第二光学 信号 S2并将第二光学信号 S2分离成多个光谱分量 C沿着一第二光路 0P2 行进。
此外， 为了获得这些光谱分量 C 以便作处理， 微型光谱仪可以更包含 一光感测器 50， 其设置于第二光路 OP2上， 并接收此等光谱分量 C。 值得 注意的是， 微型绕射光栅 40为可以利用微机电制造工艺 (MEMS：)、 半导体 制造工艺、 光刻电铸模造 (LIGA)或其他制造工艺所制造出来的超薄微小零 件， 故可以被称为是微型绕射光栅， 因此本发明的光谱仪可以被称为是微型 光谱仪。 微型绕射光栅 40的绕射图案 42的高度一般约有数十微米至数百微 米。 微型绕射光栅 40的绕射图案 42的巨观轮廓包含图 4所示的一曲面， 而 非如传统的图 3所示的平面， 所述曲面的作用是将经过微型绕射光栅 40的 光线聚焦到前方的光感测器 50上。
图 5显示图 4的微型光谱仪的侧视图。 如图 4与图 5所示， 微型光谱仪 可以更包含一波导 80， 其将通过输入部 20的第二光学信号 S2导引到微型 绕射光栅 40， 使第二光学信号 S2不会在自由空间中发散掉， 如此则微型绕 射光栅 40接收到的信号强度相对于杂讯可以更高， 且抗杂讯能力因此可以 增强。 波导 80可以包含一第一波导片 82及一第二波导片 84， 两者彼此面 对以共同定义出一光通道 90， 光通道 90可以是空腔式 (：没有填有任何固体 或液体， 甚至是气体：)， 也可以填满适当的介质 (例如玻璃、 塑胶、 或压克力 (丙烯酸脂类， acrylics)等：)以供光学信号在当中反复反射而向前传送、 同时 防止落尘或其他污染物累积在波导片之上而影响波导片的平整度与反射率。 微量的光线可在此光通道 90反射传输至微型绕射光栅 40。
图 6是以已知的罗兰圆 (Rowland circle)的理论来解说本发明的微型光谱 仪之所以可以聚焦于一直线的感测器的示意图。 如图 6所示， 依据罗兰圆 (Rowland circle)的理论， 入射光通过狭缝结构 30后， 到达微型绕射光栅 40' 后， 会产生绕射并聚焦成像于罗兰圆 RC上。 因此， 一个与罗兰圆 RC有交 叉的光感测器 50可以接收至少两个光谱成分。 由于适用于罗兰圆的微型绕 射光栅 40'的绕射图案具有固定的节距 (Pitch), 所以仅能将光谱成分聚焦成 像在一直线的两点上。 改变节距可以改变罗兰圆的大小， 所以将绕射图案设 计成具有非固定的节距， 即可将至少三个光谱成分聚焦于一直线上， 也就是 达成图 4的效果。
因此， 图 4的光感测器 50可具有多个感光单元 52， 譬如是两个、 三个 或三个以上， 此等感光单元 52排列成一直线。
不同于传统的金属狭缝结构的是， 本发明的狭缝结构 30是利用半导体 制造工艺的湿刻蚀技术所形成。 图 7-图 10显示本发明的狭缝结构的制造方 法的各歩骤的结构图。 首先， 如图 7所示， 提供一种半导体基板 32， 譬如 是硅基板、 三五族半导体材料所构成的基板或其他半导体材料基板。 然后， 如图 8所示， 在基板 32上涂上一光阻层 36。 接着， 如图 9所示， 在光阻层 36上形成一开口 37， 以露出部分的基板 32。 如图 10所示， 进行湿刻蚀歩 骤， 以形成狭缝 34。 在使用硅基板的情况下， 湿刻蚀歩骤所造成的狭缝 34 的周壁 34A与第二面 32B的夹角 Θ为硅晶格的排列角度， 所述角度实质上 等于 54度， 开口 37边缘的平整度也可达晶格排列的等级， 而且， 狭缝 34 的周壁 34A的表面粗糙度低于 1 纳米 (nm:)， 如此的狭缝构造， 正可做为进 光量非常小的微型光谱仪的进光开口。 开口 37 的形状虽然不必有特殊的限 制， 但较常会被选用的形状为矩形， 在一实施例中， 从图 11 的第二面 32B 量测开口 37的尺寸， 其长宽大致上为 150微米与 25微米。
因此， 狭缝结构 30的基板 32包含半导体材料， 譬如是硅材料、 三五族 半导体材料或其他半导体材料。 值得注意的是， 光阻层 36可以在后续歩骤 中被移除， 亦可以被保留以成为狭缝结构 30的一部分。 或者， 光阻层 36亦 可被移除， 使得最后的狭缝结构 30不包含光阻层 36， 如图 11所示。 通过 本发明的狭缝结构， 可以利用半导体制造工艺来大量生产， 降低成本， 并且 可使狭缝具有平滑的表面， 以免对于入射光造成反效果。
在较佳实施例的详细说明中所提出的具体实施例仅方便说明本发明的技 术内容， 而非将本发明狭义地限制于上述实施例， 在不超出本发明的精神及 权利要求范围的情况下， 所做的种种变化实施， 皆属于本发明的范围。

Claims

权利要求书
1.一种具有锥状狭缝的微型光谱仪的光机模块， 其特征在于， 所述微型 光谱仪的光机模块包含：
一输入部， 包含一狭缝结构， 其接收一第一光学信号并输出一第二光学 信号沿着一第一光路行进， 所述狭缝结构包含一基板及一狭缝， 所述狭缝贯 穿所述基板， 且所述狭缝从所述基板的一第一面到所述基板的一第二面具有 渐缩的尺寸； 以及
一微型绕射光栅， 设置于所述第一光路上， 接收所述第二光学信号并将 所述第二光学信号分离成多个光谱分量沿着一第二光路行进。
2.如权利要求 1所述的微型光谱仪的光机模块， 其特征在于， 所述微型 光谱仪的光机模块更包含一波导， 其将通过所述输入部的所述第二光学信号 导引到所述微型绕射光栅。
3.如权利要求 2所述的微型光谱仪的光机模块， 其特征在于， 所述波导 包含一第一波导片及一第二波导片， 两者彼此面对共同定义出一光通道， 所 述第二光学信号在所述光通道中反射传输至所述微型绕射光栅。
4.如权利要求 3所述的微型光谱仪的光机模块， 其特征在于， 所述光通 道为空腔式。
5.如权利要求 3所述的微型光谱仪的光机模块， 其特征在于， 所述光通 道更以玻璃、 塑胶或压克力填满。
6.如权利要求 1所述的微型光谱仪的光机模块， 其特征在于， 所述微型 光谱仪的光机模块更包含一光感测器， 设置于所述第二光路上， 并接收所述 的多个光谱分量。
7.如权利要求 1所述的微型光谱仪的光机模块， 其特征在于， 所述狭缝 结构的所述基板为一种半导体材料所构成的基板。
8.如权利要求 7所述的微型光谱仪的光机模块， 其特征在于， 所述半导 体材料为硅或三五族半导体材料。
9.如权利要求 1所述的微型光谱仪的光机模块， 其特征在于， 所述狭缝 的一周壁与所述第二面的夹角实质上等于 54度。
10.如权利要求 1所述的微型光谱仪的光机模块， 其特征在于， 所述狭 缝的一周壁的表面粗糙度低于 1纳米。
11.如权利要求 1所述的微型光谱仪的光机模块， 其特征在于， 所述狭 缝结构更包含一光阻层， 位于所述第一面上。
12.如权利要求 1所述的微型光谱仪的光机模块， 其特征在于， 所述第 一面较所述第二面远离所述微型绕射光栅。
13.一种适用于微型光谱仪的狭缝结构， 其接收一第一光学信号并输出 一第二光学信号， 其特征在于， 所述狭缝结构包含：
一基板； 及
一狭缝， 所述狭缝贯穿所述基板 ， 且所述狭缝从所述基板的
所述基板的一第二面具有渐缩的尺寸
14.如权利要求 13所述的狭缝结
基板为一种半导体材料所构成的基板
15.如权利要求 14所述的狭缝结
或三五族半导体材料。
16.如权利要求 13所述的狭缝结
所述第二面的夹角实质上等于 54度。
17.如权利要求 13所述的狭缝结
表面粗糙度低于 1纳米。
18.如权利要求 13所述的狭缝结
一光阻层， 位于所述第一面上。
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