阵列式MEMS法珀腔芯片及光电探测器、光谱传感器、光谱仪的制作方法

本发明涉及红外光谱仪，尤其涉及一种阵列式mems法珀腔芯片及光电探测器、光谱传感器、光谱仪。

背景技术：

1、随着微机电技术的发展，近红外光谱仪的微型化是近些年的发展重点，目前最常见的微型化近红外光谱仪的核心元器件是包含单颗mems法珀腔芯片的光谱传感器，mems法珀腔芯片的光学原理是基于法布里-珀罗干涉原理，通过半导体集成电路工艺制成的分光芯片，以不同电压驱动芯片，获得不同窄波光谱，通过不同电压驱动mems法珀腔芯片获取不同窄波光谱的方法，由于需要逐步改变电压值来逐一获取各个波长点的光谱数据，其时间效率较低，尤其是面对时效性要求较高的在线光谱仪领域时，应用严重受限。若基于空间单点mems法珀腔芯片的光谱传感器采集单一波长点光谱数据需要的时间t0，当实际应用中该光谱传感器需要采集m个波长点时，则每次采集待测样品单条光谱数据所需要的时间为m·t0。显然，光谱传感器需要采集的波长点越多，采集单条光谱数据所需时间就越长，时间效率越低。

2、在已经公开的文献中，申请号cn202120577345.9的实用新型提出了一种基于mems体硅工艺完成法珀腔阵列的技术方案，其镜面反射膜为单层薄膜，膜系反射率低，同时，该专利的法珀腔不可调，特征波长点固定，无法解决采集效率低的问题。

3、较低的时间采集效率会严重阻碍微型化光谱分析技术的发展与应用，因此如何提高包含mems法珀腔芯片光谱传感器的采集效率成为必须要解决的问题。

技术实现思路

1、本发明提供了一种阵列式mems法珀腔芯片，用于解决现有技术中光谱仪采集效率低的问题，可以有效提升光谱仪的应用范围，推动光谱分析技术的发展。

2、本发明采用的技术方案是：提供一种阵列式mems法珀腔芯片，包括至少两个单颗mems法珀腔芯片构成的阵列式芯片；所述单颗mems法珀腔芯片包括单个法珀腔及至少一个正极接线柱和至少一个负极接线柱；各单颗mems法珀腔芯片分别连接在相同的正电极与相同的负电极两端；且各单颗mems法珀腔芯片串联有阻值不同的电阻器。

3、进一步的，每个单颗mems法珀腔芯片通过相同的工艺流程一次流片完成。

4、进一步的，所述单颗mems法珀腔芯片结构通过薄膜表面工艺实现，上镜面包含多层dbr介质反射膜，为可调结构，下镜面包含多层dbr介质反射膜，为不可调结构，上、下镜面之间有刻蚀形成的空气腔。

5、本发明还提供一种阵列式mems法珀腔芯片，包括至少两个法珀腔腔长不同的单颗mems法珀腔芯片构成的阵列式芯片；所述单颗mems法珀腔芯片包括单个法珀腔及至少一个正极接线柱和至少一个负极接线柱；各单颗mems法珀腔芯片分别连接在相同的正电极与相同的负电极两端。

6、本发明还提供一种阵列式光电探测器，所述的阵列式光电探测器为与上述的阵列式mems法珀腔芯片相同阵列数目的光电探测器阵列，且空间上与阵列式mems法珀腔芯片具有一一对应关系，所述阵列式光电探测器将单颗mems法珀腔芯片的透射光束正入射到对应单颗光电探测器靶面上的光信号转化为电信号；所述阵列式光电探测器上连接有高速复用开关，通过所述高速复用开关的时序切换，实现阵列式光电探测器全部信号的时序读出。

7、进一步的，所述的阵列式光电探测器中各单颗光电探测器共用一个负极，且与高速复用开关中的负极相连，正极则分别与高速复用开关中的各个正极相连。

8、进一步的，所述高速复用开关的输出端为两个端口。

9、本发明还提供一种光谱传感器，包括自上而下依次设置的封帽、带通滤波片、上述的阵列式mems法珀腔芯片、上述的阵列式光电探测器和高速复用开关、支架、基板、基座以及引脚；所述封帽中部设置有通光孔，所述带通滤波片紧贴封帽内腔上沿；所述阵列式mems法珀腔芯片固定在支架上；所述阵列式光电探测器处于阵列式mems法珀腔芯片正下方，且与高速复用开关、支架固定在基板上；基板固定在基座上；所述引脚固定在基座上；所述封帽下沿与基座端面密封。

10、进一步的，所述支架和基板为硅材质，所述基座为铜材质。

11、进一步的，还包括热敏电阻，所述热敏电阻固定在基板上，所述热敏电阻用于监测光谱传感器内部温度状态，在光谱传感器内部温度超出设定的正常阈值时，对光谱传感器进行温度补偿算法校正。

12、进一步的，所述引脚为to5-8pin引脚，所述to5-8pin引脚中的2pin引脚分别连接阵列式mems法珀腔芯片中的正电极与负电极，为其传输电能；to5-8pin引脚中的2pin引脚连接高速复用开关，与阵列式光电探测器进行电信号传输；to5-8pin引脚中的2pin引脚连接热敏电阻两端，进行电信号传输；to5-8pin引脚中的剩余2pin引脚为备用引脚。

13、本发明还提供一种光谱仪，包括上述的光谱传感器。

14、本发明还提供一种基于上述的光谱传感器的检测方法，包括：

15、接收待测样品携带的样品特征光谱；

16、使所述样品特征光谱依次进入到所述光谱传感器的封帽通光孔、带通滤波片、阵列式mems法珀腔芯片、阵列式光电探测器；

17、控制所述高速复用开关的时序切换实现阵列式光电探测器全部电信号的时序读出；

18、通过所述高速复用开关的引脚将全部电信号传输至光谱仪的信号采集模块进行数据处理和存储。

19、本发明还提供一种阵列式mems法珀腔芯片的制备方法，包括：

20、将至少两个单颗mems法珀腔芯片固定在底板上形成阵列结构；所述单颗mems法珀腔芯片包括单个法珀腔及至少一个正极接线柱和至少一个负极接线柱；

21、将各单颗mems法珀腔芯片串联阻值不同的电阻器；

22、将各单颗mems法珀腔芯片分别连接在相同的正电极与相同的负电极两端。

23、进一步的，所述单颗mems法珀腔芯片的制备方法包括：

24、通过薄膜表面工艺制备单颗mems法珀腔芯片上镜面和下镜面的多层dbr介质反射膜，并在上、下镜面之间刻蚀形成空气腔；每个单颗mems法珀腔芯片通过相同的工艺流程一次流片完成。

25、本发明还提供一种阵列式mems法珀腔芯片的制备方法，包括：

26、将至少两个法珀腔腔长不同的单颗mems法珀腔芯片固定在底板上形成阵列结构；所述单颗mems法珀腔芯片包括单个法珀腔及至少一个正极接线柱和至少一个负极接线柱；

27、将各单颗mems法珀腔芯片分别连接在相同的正电极与相同的负电极两端。

28、本发明还提供一种阵列式光电探测器的制备方法，包括：

29、将与上述的阵列式mems法珀腔芯片的相同阵列数目的单颗光电探测器固定在底板上形成阵列结构，且各单颗光电探测器在空间上与阵列式mems法珀腔芯片具有一一对应关系；

30、将高速复用开关连接在所述阵列式光电探测器上，所述高速复用开关的输出端为两个端口；

31、将所述阵列式光电探测器中各单颗光电探测器共用一个负极，且与高速复用开关中的负极相连，正极则分别与高速复用开关中的各个正极相连。

32、本发明的有益效果是：

33、(1)本发明提出的光谱传感器采用一次流片工艺制备多颗mems法珀腔芯片，工艺实现简单，同时实现了多颗mems法珀腔芯片的并联集成，阵列中每颗mems法珀腔芯片具有良好的一致性。

34、(2)本发明通过不同大小的串联电阻对各个单颗光谱mems法珀腔芯片驱动电压进行调节，从而实现不同法珀腔长的不同特征波长滤波，以便于同时采集多个特征波长点光谱数据，有效提升光谱采集效率。

35、(3)本发明提出的基于阵列式mems法珀腔芯片的光谱传感器采用薄膜表面工艺，无需贴合，mems法珀腔芯片更薄，以便于微型化集成，同时本发明的镜面反射膜为多层薄膜，膜系反射率高，能有效提升法珀腔滤光性能。

36、(4)本发明实现阵列式光电探测器，引入高速复用开关，保证光谱数据的准确性，同时使得阵列式光电探测器进行信号数据传输需要多根引脚缩减为仅需2根引脚，保证了传统to5-8pin封装的可实施性，无需新的封装工艺，有效降低工艺难度及光谱传感器成本。

37、(5)本发明提出的光谱传感器针对特殊样品或特定应用场景，可以通过改变阵列式mems法珀腔芯片两端电压进行特征波长点适配，提升光谱mems传感器的通用性，增加分析准确率。

38、(6)本发明采用硅支架、硅基板用于固定光谱传感器中的各个元器件，保持器件稳定性，同时和mems法珀腔芯片都是硅系材料，可以更好的进行匹配，降低热应力影响。