基于滤光器片上集成多像素传感器的微型光谱仪的制作方法

本发明涉及光电探测，特别是涉及一种基于滤光器片上集成多像素传感器的微型光谱仪及制备方法。

背景技术：

微型光谱仪可以探测识别物体的光谱“指纹”，可广泛应用于环境监测、工业控制、化学分析、食品品质检测、材料分析等领域。

按光谱分光方式，传统的微型光谱仪主要分为衍射光栅型和微机电系统(mems)调谐腔型。前者由于需要制备特征尺寸为百纳米量级的衍射光栅，同时需要光栅与探测器阵列高精度对准，存在体积较大、光学系统装配要求高、制作成本高等缺点；后者通过电驱动mems腔长变化分时分光，存在光谱扫描速度慢、抗震性差、温度适应性较差、寿命较短等缺点。

技术实现要素：

本发明为解决上述问题，提出了一种基于滤光器片上集成多像素传感器的微型光谱仪及制备方法，针对传统的衍射光栅型和mems型微型光谱仪存在的体积较大、光学系统装配要求高、制作成本高或光谱扫描速度慢、抗震性差、温度适应性较差、寿命较短等缺点，本发明在采用滤光器片上集成多像素传感器，在单芯片上同时实现光谱的分光与探测，无需衍射光栅或mems调谐腔等结构部件来辅助分光，具有体积小、光学系统简单、成本低的优点；滤光器片上集成多像素传感器各像素分空间同时探测不同谱段的光学信号，具有光谱扫描速度快的优点；单芯片集成、无可动结构，具有可靠性高、与硅工艺兼容性好、成本低等优点。

根据本发明的一方面，提供一种基于滤光器片上集成多像素传感器的微型光谱仪，包括聚光透镜和固定聚光透镜的管壳，所述管壳由底座和管帽组成，底座靠近聚光透镜侧的面上设置有压焊点，底座远离聚光透镜侧的面上设置有管脚，压焊点和管脚通过底座内部走线联通，

所述底座靠近聚光透镜侧的面上设置有滤光器片上集成多像素传感器，所述滤光器片上集成多像素传感器通过贴片工艺与底座粘接，所述滤光器片上集成多像素传感器的压焊点与底座上对应的压焊点以键合工艺通过金属导线连接；

所述滤光器片上集成多像素传感器的每个像元表面集成有特定的滤光器，不同位置的像元用于探测不同波段入射光，所述滤光器片上集成多像素传感器的特定位置还设置有用于校正由位置不同造成的光谱测试偏差的空间光强校准像元。

根据本发明的另一方面，提供一种基于滤光器片上集成多像素传感器的微型光谱仪的制备方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1，制作滤光器片上集成多像素传感器，在滤光器片上集成多像素传感器的每个像元表面集成有特定的滤光器，不同位置的像元用于探测不同波段入射光，在滤光器片上集成多像素传感器的特定位置设置用于校正由位置不同造成的光谱测试偏差的空间光强校准像元

步骤2，制作聚光透镜和管壳，将聚光透镜固定于管壳上，所述管壳包括底座和管帽，在底座靠近聚光透镜侧的面上设置压焊点，在底座远离聚光透镜侧的面上设置管脚，将压焊点和管脚通过底座内部走线联通；

步骤3，采用贴片工艺将滤光器片上集成多像素传感器粘接在管壳的底座上；

步骤4，采用金属导线键合工艺，将滤光器片上集成多像素传感器压焊点和管壳底座压焊点的对应位置连接起来，通过管脚实现与驱动电路及外围信号处理电路的互连。

本发明的有益效果在于，本发明在采用滤光器片上集成多像素传感器，在单芯片上同时实现光谱的分光与探测，无需衍射光栅或mems调谐腔等结构部件来辅助分光，与衍射光栅型比具有体积小、光学系统要求低、装配简单、成本低的优点；滤光器片上集成多像素传感器各像素分空间同时探测不同谱段的光学信号，与mems型比具有光谱扫描速度快的优点；单芯片集成、无可动结构，与mems型比具有可靠性高、与硅工艺兼容性好、成本低等优点。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种基于滤光器片上集成多像素传感器的微型光谱仪结构示意图；

图2是本发明实施例提供的滤光器片上集成多像素传感器电路结构图；

图3为本发明实施例提供的滤光器片上集成多像素传感器像元分布示意图；

图4为本发明实施例提供的一种基于滤光器片上集成多像素传感器的微型光谱仪的制备方法流程图。

具体实施方式

下面本发明具体的实施方式进行阐述，来进一步说明本发明的出发点以及相应的技术方案。

图1是本发明实施例提供的一种基于滤光器片上集成多像素传感器的微型光谱仪结构示意图。所述微型光谱仪包括聚光透镜和固定聚光透镜的管壳，所述管壳由底座和管帽组成，底座靠近聚光透镜侧的面上设置有压焊点，底座远离聚光透镜侧的面上设置有管脚，压焊点和管脚通过底座内部走线联通；

所述底座靠近聚光透镜侧的面上设置有滤光器片上集成多像素传感器，所述滤光器片上集成多像素传感器通过贴片工艺与底座粘接，所述滤光器片上集成多像素传感器的压焊点与底座上对应的压焊点以键合工艺通过金属导线连接；

所述滤光器片上集成多像素传感器的每个像元表面集成有特定的滤光器，不同位置的像元用于探测不同波段入射光，所述滤光器片上集成多像素传感器的特定位置设置有用于校正由位置不同造成的光谱测试偏差的空间光强校准像元。

对于图1所示的一种基于滤光器片上集成多像素传感器的微型光谱仪的各个组件，做进一步说明如下：

1为聚光透镜，主要起会聚入射光的作用，增加光谱仪的进光效率；

2为滤光器片上集成多像素传感器，用于实现目标的多光谱信息的光电转化与处理；所述滤光器片上集成多像素传感器除光敏区表面像素级滤光器外的底层电路结构，与常规互补金属氧化物cmos图像传感器的电路结构相同；不同之处在于，每个像元表面集成有特定的滤光器，不同位置像元探测不同波段入射光，探测不同波段入射光的像元称为光谱探测像元。另外，在特定位置设置有空间光强校准像元，每个空间光强校准像元的表面滤光薄膜结构完全一样，用于校正由位置不同，入射光强不同造成的光谱测试偏差。

优选的，滤光器采用氧化钛tio2、氟化镁mgf2、氧化铝al2o3、氧化硅sio2、氧化铪hfo2中的至少两种高透过率材料通过堆栈形式制作，所述至少两种高透过率材料包括至少一种高折射率材料和至少一种低折射率材料。比如一层tio2，一层sio2，如此反复循环堆叠10～100层完成滤光器的制作。

优选的，所述滤光器片上集成多像素传感器除光敏区表面像素级滤光器外的底层电路结构，与常规互补金属氧化物cmos图像传感器的电路结构相同。图2是本发明实施例提供的滤光器片上集成多像素传感器电路结构图。

滤光器片上集成多像素传感器的电路结构与常规的cmos图像传感器相同，主要由全局快门像元9、模拟前端处理10、列并行高精度模数转换11、x方向移位寄存器12、低电压差分数据输出接口13、y方向选址14、逻辑与驱动15、串行外设接口16、偏压控制17等电路组成。

滤光器片上集成多像素传感器的电路工作原理如下：当光照射到芯片感光面时，全局快门像元9将光信号转换为电信号；通过y方向选址14、逻辑与驱动15实现地址选择，产生行选信号，将电信号输入到模拟前端处理10进行相关双采样处理；处理后的信号被送到列并行高精度模数转换11，将模拟信号转换为数字信号；转换后的数字信号被x方向移位寄存器12依次选中，然后通过低电压差分数据输出接口13电路输出到芯片外。整个过程由串行外设接口16与外围设备以串行方式进行通讯以交换信息，偏压控制17提供电路偏压。

图3是本发明实施例提供的滤光器片上集成多像素传感器像元分布示意图。图3中标出的3是指滤光器片上集成多像素传感器的压焊点，p()和pe()分别代表用于光谱探测像元，和用于空间光强校准像元，括号里的参数表示像元位置。比如p(1，1)代表位置为(1，1)的光谱探测像元。

优选的，所述空间光强校准像元以周期性设置、或中间和边缘设置等方式设置在滤光器片上集成多像素传感器上。

其中周期性设置为，比如位置为(2n，2n)(n为整数)的像元为光强校正像元，其他为光谱探测像元。这一设置好处就是光强校正准确、简单(光谱探测时可采用临近光强校正单元校正)，缺陷就是压缩了光谱探测像元的个数比例。

其中中间和边缘设置为，比如在四个角和中心位置的像元设置为光强校正像元，其他为光谱探测像元。这一设置好处就是光谱探测单元比例高，缺点就是光强校正可能准确度较稍差。

3为滤光器片上集成多像素传感器的压焊点，主要用于外部输入与输出的电学连接；

4为键合导线，主要起电学连接作用；

5、6、7、8分别为封装管壳压焊点、底座、管帽、管脚，主要起保护与支撑滤光器片上集成多像素传感器芯片，以及提供与外围电路电学连接接口的作用。其中管帽一端与底座相连，另一端与聚光透镜相连；封装管壳压焊点位于底座上，通过底座内部走线与管脚联通；底座靠近聚光透镜侧的面上设置有滤光器片上集成多像素传感器，所述滤光器片上集成多像素传感器通过贴片工艺与底座粘接，所述滤光器片上集成多像素传感器的压焊点与底座上对应的压焊点以键合工艺通过金属导线连接。

优选的，设置聚光透镜的光瞳直径和曲率半径，以及管壳尺寸使得入射光会聚光斑大于或等于滤光器片上集成多像素传感器的光敏区尺寸。

具体设置方式就是：通过调整聚光透镜的光瞳直径、曲率半径、及其与光敏区表面距离，保障入射光会聚光斑完全落入滤光器片上集成多像素传感器的光敏区范围内(会聚光斑可超出光敏区范围)。聚光透镜与光敏区表面的距离可通过管壳尺寸来调整。

图4是本发明实施例提供的一种基于滤光器片上集成多像素传感器的微型光谱仪的制备方法，所述方法包括以下步骤：

步骤401，制作滤光器片上集成多像素传感器，在滤光器片上集成多像素传感器的每个像元表面集成有特定的滤光器，不同位置的像元用于探测不同波段入射光，在滤光器片上集成多像素传感器的特定位置设置用于校正由位置不同造成的光谱测试偏差的空间光强校准像元；

步骤402，制作聚光透镜和管壳，将聚光透镜固定于管壳上，所述管壳包括底座和管帽，在底座靠近聚光透镜侧的面上设置压焊点，在底座远离聚光透镜侧的面上设置管脚，将压焊点和管脚通过底座内部走线联通；

步骤403，采用贴片工艺将滤光器片上集成多像素传感器粘接在管壳的底座上；

步骤404，采用金属导线键合工艺，将滤光器片上集成多像素传感器压焊点和管壳底座压焊点的对应位置连接起来，通过管脚实现与驱动电路及外围信号处理电路的互连。

优选的，所述滤光器片上集成多像素传感器除光敏区表面像素级滤光器外的底层电路结构，与常规互补金属氧化物cmos图像传感器的电路结构相同。

优选的，所述空间光强校准像元以周期性设置、或以中间和边缘设置的方式设置在滤光器片上集成多像素传感器上。具体的设置形式可参考前面的描述，这里不再赘述。

优选的，调整聚光透镜的光瞳直径和曲率半径，以及管壳尺寸使得入射光会聚光斑大于或等于滤光器片上集成多像素传感器的光敏区尺寸。

优选的，滤光器采用氧化钛tio2、氟化镁mgf2、氧化铝al2o3、氧化硅sio2、氧化铪hfo2等中的至少两种高透过率材料通过堆栈形式制作，所述至少两种高透过率材料包括至少一种高折射率材料和至少一种低折射率材料。比如一层tio2，一层sio2，如此反复循环堆叠10～100层完成滤光器的制作。

以上的所述乃是本发明的具体实施例及所运用的技术原理，若依本发明的构想所作的改变，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，仍应属本发明的保护范围。