[实用新型]芯片级红外光谱仪

说明书

本专利公开了一种芯片级红外光谱仪。包括内外两层封装结构，内层封装将光电转换探测器、分光器件、和探测器驱动与处理集成芯片进行芯片级高集成度封装，外层封装结构将内层结构、微透镜或透镜、微型照明紧密结合，实现整体结构固化。其中分光器件采用薄膜窄带滤光片阵列，光电转换探测器的探测单元之间设计有消除混合光谱的微小间隔，两者在空间上一一对应，不同探测器单元接收不同波长的信号，实现光谱测量。该芯片级光谱仪的优势在于整体尺寸不大于1厘米，紧凑稳固抗震动。

技术领域

本专利属于光谱测量技术领域，涉及一种芯片级的微型光谱仪。

背景技术

光谱探测技术是通过测量目标对不同波长光线的反射和发射差异(反射光谱特征/发射光谱特征)分析其成分、属性(温度、表面结构)等的技术。光谱仪器运用光学原理可以无损地对物质的结构和组分进行定性、定量的分析，是目前科学研究与工业中使用最广泛的分析工具之一。在光谱分析领域，光谱一般分为紫外、可见-近红外、短波、中波红外、热红外等几部分，对应不同的物质特征。红外光谱的光谱特征非常丰富，可用于广泛应用于物质成分、类型等属性的分析和检测，在化学、化工、环保、农业、施工、日常应用等领域都有广泛性需求和应用，随着信息技术的应用，光谱测量技术的应用领域迅速扩展，日常生活中也有很大量的应用需求，例如工农业生产检测普及化、环境与家庭智能化、日常消费电子等方面都有很多应用需求。

常规的具有高光谱分辨率探测仪器体积大、价格高，往往只能用在实验室等场合，小型化的光谱探测或者分析仪可以用于在线应用和野外应用，其性能低于实验室应用的设备，目前已经有多个产品，整体尺寸为10厘米以上，10厘米以下的产品相对较少，这种尺寸的光谱仪一般用于工业、商业等领域，而消费电子、智能生活、健康环保、日常生活、销售行业的普及等方面更是需要光谱测量模块价格更低廉、体积更小巧，使用更便捷，设计更小体积的光谱仪成为刚性需求。

实现微型坚固、使用方便、成本低廉的红外光谱测量器件或者模组是光谱技术进入更多场景以及日常生活各个环节和领域的重要途径，其技术路径必然是高度的集成化。主要是探测器、分光器件、驱动以及信息处理电路、光学系统的微型化，以及芯片级集成和封装。相关技术已经有诸多发展，但是微型化乃至器件级、芯片级的光谱仪仍旧是技术难题，尺寸为厘米量级的红外光谱仪目前相关生产工艺和产品非常少，无法满足众多领域对光谱仪小型化的要求。

北京与光科技有限公司2021年提出了一种光谱芯片的制备方法和光谱芯片，获得发明专利(CN 112510059 B)。所述制备方法包括：提供一转移件和一光谱芯片半成品，其中，所述转移件包括硅晶体层和形成于所述硅晶体层上的硅化物层，所述硅晶体层具有规则的晶向结构；在所述光谱芯片半成品的表面形成一可透光介质层；以所述转移件的所述硅化物层键合于所述光谱芯片半成品的所述可透光介质层的方式，将所述转移件耦接于所述光谱芯片半成品，以形成具有光调制结构的所述光谱芯片。这样，以如上所述的特定制备方法制得的所述光谱芯片的表面可以形成具有规则晶向结构的光学层结构，所述光学层结构具有对成像光线进行调制的作用。该发明是典型的光谱芯片，在探测器表面加工滤光结构实现光谱测量，其局限性在于采用硅材料，只能测量可见-近红外波段的信号。

在消费电子和工农业在线检测领域，面临不同的检测需求，需要有更多光谱范围选择的光谱仪，例如短波红外(指波长范围在950nm-2500nm的光)的光谱特征较可见近红外波段的光谱特征更加丰富，更具有可识别性，是更常用的物质成分、类型等属性分析和检测的波长范围，该波段的芯片级光谱仪的设计难度更大，成本高，尚没有相关产品，而大多数现有技术仅局限于光谱芯片部件的制作方法和工艺，需要配备驱动、光学镜头等辅助部件才能应用，因此，需要整体功能更加完整的毫米级尺度的微型光谱仪。

有更多可选择光谱范围的芯片级光谱仪只有采用芯片级集成的方式，才能实现较低成本批量生产的可能性，而且需要辅助电路和光学元件的集成才能实现整体功能的完整性。本专利利用将红外光谱仪的微型化推进到芯片级集成的方法，实现一种整体体积只有1cm³或者更小、具有完整功能的光谱仪。

发明内容