[發明專利]一種芯片級紅外光譜儀

在審

• 申請號: 202210127586.2
• 申請日: 2022-02-11
• 公開（公告）號: CN116625503A
• 公開（公告）日: 2023-08-22
• 發明（設計）人: 汪洋;王建宇;舒嶸;馬艷華
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海技術物理研究所
• 主分類號: G01J3/02
• 分類號: G01J3/02;G01N21/01;G01N21/35
• 代理公司: 上海滬慧律師事務所 31311
• 代理人: 郭英

本發明公開了一種芯片級紅外光譜儀。包括內外兩層封裝結構，內層封裝將光電轉換探測器、分光器件、和探測器驅動與處理集成芯片進行芯片級高集成度封裝，外層封裝結構將內層結構、微透鏡或透鏡、微型照明緊密結合，實現整體結構固化。其中分光器件采用薄膜窄帶濾光片陣列，光電轉換探測器的探測單元之間設計有消除混合光譜的微小間隔，兩者在空間上一一對應，不同探測器單元接收不同波長的信號，實現光譜測量。該芯片級光譜儀的優勢在于整體尺寸不大于1厘米，緊湊穩固抗震動。

技術領域

本發明屬于光譜測量技術領域，涉及一種芯片級的微型光譜儀。

背景技術

光譜探測技術是通過測量目標對不同波長光線的反射和發射差異(反射光譜特征/發射光譜特征)分析其成分、屬性(溫度、表面結構)等的技術。光譜儀器運用光學原理可以無損地對物質的結構和組分進行定性、定量的分析，是目前科學研究與工業中使用最廣泛的分析工具之一。在光譜分析領域，光譜一般分為紫外、可見-近紅外、短波、中波紅外、熱紅外等幾部分，對應不同的物質特征。紅外光譜的光譜特征非常豐富，可用于廣泛應用于物質成分、類型等屬性的分析和檢測，在化學、化工、環保、農業、施工、日常應用等領域都有廣泛性需求和應用，隨著信息技術的應用，光譜測量技術的應用領域迅速擴展，日常生活中也有很大量的應用需求，例如工農業生產檢測普及化、環境與家庭智能化、日常消費電子等方面都有很多應用需求。

常規的具有高光譜分辨率探測儀器體積大、價格高，往往只能用在實驗室等場合，小型化的光譜探測或者分析儀可以用于在線應用和野外應用，其性能低于實驗室應用的設備，目前已經有多個產品，整體尺寸為10厘米以上，10厘米以下的產品相對較少，這種尺寸的光譜儀一般用于工業、商業等領域，而消費電子、智能生活、健康環保、日常生活、銷售行業的普及等方面更是需要光譜測量模塊價格更低廉、體積更小巧，使用更便捷，設計更小體積的光譜儀成為剛性需求。

實現微型堅固、使用方便、成本低廉的紅外光譜測量器件或者模組是光譜技術進入更多場景以及日常生活各個環節和領域的重要途徑，其技術路徑必然是高度的集成化。主要是探測器、分光器件、驅動以及信息處理電路、光學系統的微型化，以及芯片級集成和封裝。相關技術已經有諸多發展，但是微型化乃至器件級、芯片級的光譜儀仍舊是技術難題，尺寸為厘米量級的紅外光譜儀目前相關生產工藝和產品非常少，無法滿足眾多領域對光譜儀小型化的要求。

北京與光科技有限公司2021年提出了一種光譜芯片的制備方法和光譜芯片，獲得發明專利(CN?112510059?B)。所述制備方法包括：提供一轉移件和一光譜芯片半成品，其中，所述轉移件包括硅晶體層和形成于所述硅晶體層上的硅化物層，所述硅晶體層具有規則的晶向結構；在所述光譜芯片半成品的表面形成一可透光介質層；以所述轉移件的所述硅化物層鍵合于所述光譜芯片半成品的所述可透光介質層的方式，將所述轉移件耦接于所述光譜芯片半成品，以形成具有光調制結構的所述光譜芯片。這樣，以如上所述的特定制備方法制得的所述光譜芯片的表面可以形成具有規則晶向結構的光學層結構，所述光學層結構具有對成像光線進行調制的作用。該發明是典型的光譜芯片，在探測器表面加工濾光結構實現光譜測量，其局限性在于采用硅材料，只能測量可見-近紅外波段的信號。

在消費電子和工農業在線檢測領域，面臨不同的檢測需求，需要有更多光譜范圍選擇的光譜儀，例如短波紅外(指波長范圍在950nm-2500nm的光)的光譜特征較可見近紅外波段的光譜特征更加豐富，更具有可識別性，是更常用的物質成分、類型等屬性分析和檢測的波長范圍，該波段的芯片級光譜儀的設計難度更大，成本高，尚沒有相關產品，而大多數現有技術僅局限于光譜芯片部件的制作方法和工藝，需要配備驅動、光學鏡頭等輔助部件才能應用，因此，需要整體功能更加完整的毫米級尺度的微型光譜儀。

有更多可選擇光譜范圍的芯片級光譜儀只有采用芯片級集成的方式，才能實現較低成本批量生產的可能性，而且需要輔助電路和光學元件的集成才能實現整體功能的完整性。本發明利用將紅外光譜儀的微型化推進到芯片級集成的方法，實現一種整體體積只有1cm³或者更小、具有完整功能的光譜儀。

發明內容