[发明专利]一种集成式红外带通滤波器及其制造方法和光谱仪

说明书

技术领域

本发明涉及光学领域，特别是涉及一种集成式红外带通滤波器及其制造方法和光谱仪。

背景技术

物质的光谱含有物质的大量化学信息，每一种物质均有对应的特征光谱，因此探测物质的光谱可以分析物质的化学组分，在地理遥感、污染遥感监测、无创医疗诊断以及军事目标的识别等领域具有广泛的应用前景。然而，目前的光谱分析技术主要依赖光栅分光或者多个分立带通滤波片进行分光，前者体积庞大，速度慢，不能满足小型化、快速化的应用要求；而后者只能探测少数几个波长上的信息。本发明提出通过刻蚀技术或剥离技术制备垂直纳米或微米柱体、或纳米或微米孔进而进一步形成垂直的金属孔。本发明通过一次性大规模形成直径和周期不同的金属孔阵列，对红外入射光在大量波长上进行分光，从而实现微型的高精度的光谱分光。

发明内容

本发明针对上述技术问题，提出了一种集成式红外带通滤波器及其制造方法和光谱仪，其可以将大量选通波长不同的微型带通滤波器，通过一次加工大规模集成在很小的芯片上，具有高集成度的优点。

本发明的一个方面是提供了一种集成式红外带通滤波器，包括一金属层，所述金属层中形成贯通的微米或纳米孔阵列，通过微米或纳米金属孔的光的特征波长λ_max满足以下公式：

这里，a表示金属孔的排列周期，i和j表示与阵列散射阶次相关的整数，ε_m和ε_d分别表示金属和介电材料的介电常数。

优选地，具有多个金属孔阵列，各阵列具有不同的金属孔排列周期和/或金属孔形状和/或金属孔排列方式。

优选地，所述金属孔为圆柱体或方柱体或横截面为六边形或多边形的柱体。

优选地，所述金属孔的排列方式为正方形或蜂窝形，所述蜂窝形为以一个金属孔为中心，与周围的金属孔形成正六边形。

优选地，所述金属为Cr、Al、Au和Ag中的任意一种。

优选地，金属孔的排列周期a＝2～20微米。

本发明的另一个方面是提供了前述集成式红外带通滤波器的一种制造方法，包括以下步骤：

a.在衬底基板上各向同性地沉积一金属薄膜层，所述衬底基板为不吸收红外线的材料，所述金属层厚度为50纳米至500纳米；

b.在所述金属层上形成一光刻胶层或电子束胶层；

c.通过光刻技术在所述光刻胶层或通过电子束曝光在所述电子束胶层形成中空的微米或纳米孔阵列，所述微米或纳米孔具有特定形状；

d.利用刻蚀技术去除所述微米或纳米孔内暴露的金属层；以及

e.通过去胶溶剂去除残留的所述光刻胶或电子束胶，形成微米或纳米金属孔阵列。

本发明的再一个方面是提供了上述集成式红外带通滤波器的另一种制造方法，包括以下步骤：

a.在衬底基板上形成一光刻胶层或电子束胶层；

b.通过光刻技术在所述光刻胶层或通过电子束曝光在所述电子束胶层形成微米或纳米柱体阵列，所述微米或纳米柱体具有特定形状，所述微米或纳米柱体之间暴露所述衬底基板；

c.在所述暴露的衬底基板的表面和所述微米或纳米柱体的表面各向同性地层积一金属薄膜层；以及

d.通过去胶溶剂去除所述微米或纳米柱体及其上的金属薄膜层，形成微米或纳米金属孔阵列。

优选地，所述规定形状为圆形或方形或六边形或多边形的对称图形。

优选地，步骤b中所述蚀刻技术为干法蚀刻或湿法化学蚀刻。

优选地，所述衬底材料为CaF或Ge或光敏芯片。

本发明的又一个方面是提供了一种光谱仪，包括：根据前述的集成式红外带通滤波器，以及设置在所述红外带通滤波器下方的光电探测器，其中，所述集成式红外带通滤波器的每个金属孔底部均设有一个探测器以将不同波长的红外光转换成电学信号。

优选地，将在所述集成式红外带通滤波器的直径或宽度相同的金属孔下面分别设置的多个探测器替换为一个大面积阵列光电探测器。

本发明具有以下优点：

1、本发明的集成式红外带通滤波器通过改变金属孔的大小和排布周期，可以将大量选通波长不同的微型红外带通滤波器，通过一次加工的办法大规模集成在很小的芯片上；

2、本发明的工艺制造方法与CMOS工艺兼容，成本低。

3、本发明的制造工艺简单、实用性强，可进行大批量生产。

4、本发明的滤波器阵列对不同波长的红外光进行同时分光，具有速度快的优点。

附图说明