CN104236714B - 一种探测目标波段强度的光谱传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种探测目标波段强度的光谱传感器，包括波段选择模块、光电传感模块、电信号连接模块及封装防护、支架和连接线。所述波段选择模块位于入射光的一侧，光电传感模块位于波段选择模块出射光的一侧，电信号处理模块与光电传感模块电连接，所述波段选择模块、光电传感模块、电信号连接模块以半导体封装工艺封装在一起组成独立光电器件。本发明便于测定目标波段范围光谱强度，具有较高的选择性和灵敏度，可用于光源特征光谱快速测定和物质性质分析。本发明器件体积小，集成度高，具有较高的可靠性，结构简单，配置灵活，适应范围广。
Description
技术领域
本发明涉及光电技术，具体涉及光谱传感器技术，特别是探测可见光谱中特定光谱波长范围的强度。该装置用于测定目标波段范围光谱强度，具有较高的选择性和灵敏度，可用于光源特征光谱快速测定和物质性质分析。
背景技术
以LED为代表的新一代半导体发光作为光源的照明技术日益受到各国政府和民间的关注。相比较传统的光源，半导体光源既能大幅降低能耗，又能减少传统节能灯中汞等有害物质带来的环境污染。随着各国政府绿色照明政策的落实和半导体照明产业链的完善所带来的成本降低，半导体作为新一代光源必将在各种需要光源的场合得到更多的应用和关注。在人们关注半导体光源节能环保优点以取代传统光源的同时，却对半导体光源的另一个特性却比较少地研究：半导体光源具有非常窄的光谱分布，是人类历史上除了激光之外颜色特性最为纯净的光源，通常其半高峰宽（Full-WidthHalf-Maxium,简称FWHM，即光谱波长强度分布图中，光谱强度相当于最大值一半处所对应的光谱波长全部宽度）小于20nm，具有极强的单色性。这种单色性为开发半导体光源新的应用提供了可能。然而，目前的光电探测器其频谱响应范围都比较宽，通常的光谱分析都是经过实验室专业设备和专业技术人员才能完成，费时费力。因此开发一种能简单方便地用于这种单色性比较强的光源的光谱探测器，即满足应用于半导体发光具有较窄光谱响应的光电探测器能为研究开发半导体发光器件新应用提供基础。为区别传统宽频谱相应范围光电传感器，以下以光谱传感器简称这种具有窄带响应的光电传感器加以区别。
本发明在研究半导体光源特性基础上，结合光学和半导体传感器制造技术，发明了具有窄频谱响应的光谱传感装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种探测目标波段强度的光谱传感器，用于探测目标波段强度，以便使用者及时了解所处环境中该目标波段组分，以便为后续器件和处理提供信息。
为了达到上述目的，本发明有如下技术方案：
本发明的一种探测目标波段强度的光谱传感器，包括波段选择模块、光电传感模块、电信号处理模块、封装防护机构、支架和连接线；
波段选择模块用于将要测量的目标波段范围从宽波段入射光中选择出来；
光电传感模块用于将光信号转换为电信号，以测定光谱强度；
电信号处理模块用于将由光电传感模块检出的电信号转换成能为后续器件使用或识别的电信号；
电连接线将光电传感模块、电信号处理模块、支架电连接；
支架承载光电传感模块和电信号处理模块，并提供电信号通道；
封装防护机构为上述部件提供机械支撑、光和电的连接或隔离、以及通过隔离和保护不受环境中有害因素的损害；
所述波段选择模块位于入射光的一侧，光电传感模块位于波段选择模块出射光的一侧，电信号处理模块与光电传感模块电连接。
其中，所述波段选择模块包括光子晶体、光学带通滤波器、晶体单色器、光栅单色器或者棱栅单色器。
其中，所述光子晶体为一维或者二维结构，光子晶体允许通过的光波长处于所述的目标波段内。
其中，所述光学带通滤波器为折射系数不同的两种材料构成的若干层薄膜结构，通过调节薄膜厚度使若干层薄膜结构允许通过的光波长范围处于所述的目标波段范围内。所述薄膜结构为透明介电材料所组成，如SiO2和TiO2；所述透明介电材料构成彼此相间的薄膜或者立体结构，薄膜或者立体结构间的距离随着所述目标波段的改变而调整。
其中，所述光学带通滤波器允许通过的光谱半高峰宽波长范围不大于所述目标波段的波长范围。
其中，所述光电传感模块使用的材料特征是其电参数如电阻、电流、电压、电容、电感会随着光信号强度的改变而发生变化。
其中，所述光电传感模块包括光电二极管、光电三极管、光敏电阻、光电倍增器、光电池、CMOS、CCD或者电荷注入传感器。所述光电传感模块采用集成电路工艺加工成光电器件。这里所述的集成电路工艺是通过光刻、薄膜、刻蚀、离子注入、扩散等工艺组合，在一块半导体材料上同时生产若干个具有一定功能的半导体器件的生产工艺。
其中，所述光电传感模块包括单质基半导体光电传感器或化合物基光电传感器。单质基半导体如Si，Ge光电传感器，化合物基半导体如GaAs，CdS，GaN光电传感器。
其中，所述光电传感模块为集成电路工艺生产的硅基半导体光电器件，该硅基半导体光电器件中光电转换活性层的厚度为0.2um-3um。所述光电传感模块活性层由掺杂的或本征的半导体构成，其浓度和厚度随所述的目标波段中心波长在所述材料中的吸收而调整，以提高器件的光电转化效率，降低杂散信号的影响。
其中，所述波段选择模块、光电传感模块、电信号处理模块由半导体光电器件封装工艺封装在一起，构成独立整体的光电器件。半导体封装工艺是通过减薄、划片、扩晶、固晶、打线、包封等工艺过程将相关器件固定在一起，并实现光电的连接或隔离。
其中，为增强目标波段光谱信号强度，进一步提高光谱传感器的信号噪音比，所述波段选择模块入射光方向添加一个或一组在封装工艺过程中一次成型的集成凸透镜，或者分立凸透镜，以便让更多光线投射在光电传感模块的活性区，该透镜可以是封装工艺过程中一次成型的集成透镜，也可以采用分立透镜并通过半导体光电封装工艺与波段选择模块、光电传感模块、电信号处理模块、封装防护机构、支架、连接线封装在一起，构成独立整体的光电器件。
其中，所述的封装保护机构具有对所述目标波段透明的窗口，可以采用预先成形的陶瓷或者金属材料构成的开口圆柱形或者方形结构，也可以采用透明树脂、塑料、硅胶等在封装工艺中一次性整体成型的包封结构。
其中，所述的支架是由金属薄片材料组成，并在该金属薄片上设有用于电连接的若干条沟槽或凸起，在封装工艺中对光电传感模块提供机械支持，并通过连接线形成与光电传感模块的电连接。
由于采取了以上技术方案，本发明有如下优点：
1）本发明采用波段选择模块可以简单地得到目标波段光谱信号。
2）本发明采用光子晶体或者带通滤波器实现波段选择功能，减小了装置的空间体积，提高了对光谱带宽的选择性，增加了被选择光谱的透过率。
3）本发明采用经过优化PN结结深的光电传感模块，提高了器件光电转换的灵敏度和选择性，降低了器件的噪音。
4）本发明采用半导体集成电路工艺生产的光电传感器作为光电传感模块可以使装置易于实现小型化。
5）本发明的光谱传感器将波段选择模块、光电传感模块、电信号处理模块封装在一起，体积小、结构简单、配置灵活，适应范围广。
附图说明
图1：本发明的结构方框图；
图2：本发明的结构图和实施例一；
图3：波段选择模块结构示意图。
图4：光电传感模块结构示意图。
图5：本发明实施例二
图6：本发明实施例三
图中：1波段选择模块；2光电传感模块；3电信号处理模块；4电连接线；5支架；6封装防护；7凸透镜；11透明衬底；12高折射TiO2膜；13低折射SiO2膜；14中心低折射SiO2膜；21N区；22P区；23外延层；24Si衬底。
具体实施方式
本发明就基于单晶硅集成电路生产工艺生产的光电传感模块和多层膜带通滤波器作为波段选择模块的光谱传感器来说明本发明的实施方式。
如图2所示为本发明的探测单一波段强度的光谱传感器，包括一组波段选择模块、一组光电传感模块、电信号处理模块及封装防护机构、支架和连接线，所述波段选择模块位于入射光的一侧，一组光电传感模块位于波段选择模块出射光的一侧，电信号处理模块与光电传感模块电连接；电连接线将光电模块、电信号处理模块以及支架电连接；支架承载光电传感模块和电信号处理模块，并提供电信号通道；封装防护机构为所有部件提供机械支持、光和电的连接和隔离、以及通过隔离和保护不受环境中有害因素的损害。
波段选择模块是从入射光中将需要检测的目标波段选择出来，波段选择模块可以采用但不限于以下几种形式：光子晶体、Fabry-Perot带通滤波器，比如蓝光通常的波段范围在450nm左右，该模块作用就是将450nm的目标波段范围的光谱选择出来，并投射给光电传感模块。如采用光子晶体作为波段选择模块，两种不同折射率材料排列构成的光子晶体带宽的中心波长为450nm;如采用Fabry-Perot带通滤波器作为波段选择模块，其多层膜厚度和中心膜厚度被调整到允许中心波长为450nm光通过。为了提高分辨率和选择性，通过波段选择模块波谱的半高峰宽不超过30nm。一个典型的以TiO2材料和SiO2材料组成的带通滤波器，如图3所示，在对所述目标波段透明衬底上，高折射TiO2膜和低折射SiO2膜分别依次以相同厚度对称排列在一个中心低折射SiO2膜两侧，组成带通滤波器。
光电传感模块是利用光电效应将光信号转换为电信号电子器件，可供选择的光电传感模块有以下但不限于以下几种：光电二极管，光电三极管，光敏电阻、光电倍增器、光电池、CMOS、CCD、或者电荷注入传感器CID（ChargeInjectionDevice）。为提高光电转换效率和信噪比，光电传感模块活性层，即PN结的结深随所述目标波段光谱的中心波长和半导体材料、生产工艺等因素进行适当调整。对短450nm范围的光谱，光电传感模块PN结结深被调整为0.2um左右，对长波长700nm左右的光谱，其PN结的结深可以设置在3um左右，以利于光波的充分吸收和转换。典型的光电传感模块如图4所示。
电信号处理模块再将由光电传感模块出来的电信号通过电路进一步转换成能被后续装置处理或使用的电信号后，并通过有线或无线的方式传送至后续装置。电信号处理模块通常实现但不限于以下功能：信号采集、放大、反相、模数转换、比较器、接口、信号调制和无线发射。电信号处理模块可通过集成电路生产工艺与光电传感模块同时生产成集成模块，也可以分开生产成独立模块。
封装工艺通过将光电传感模块和电信号处理模块置于支架上，并通过封装将其于波段选择模块的空间位置固定。电连接线将电信号引出。
封装工艺可以将透镜和上述光谱传感器封装在一起。所述的透镜可以是在封装工艺过程中通过与包封工艺与透明防护机构一起一次成型的，也可以是独立的组件。凸透镜可以将更多的光会聚在光电转换模块的窗口上，以增加目标波段光谱度，可以提高光谱传感器的信号噪音比、灵敏度和检出限。
本发明中的各模块数量根据需要进行灵活配置。例如要同时测定多个波段的强度，可以配置多个波段选择器及相应的光电传感模块。
实施例一
图2本发明的光谱传感器用于单一波段强度探测。本实施例为一个波段选择模块和光电传感模块。波段选择模块采用带通滤波器，该带通滤波器对440-470nm范围的光有较强的通过，达到95%以上，而对其它波段则几乎不通过。选择光谱440-470nm范围为人体较为敏感而且LED白光器件中通常最强的一段波谱。这样LED白光通过该波段选择模块后，只留下440-470nm范围的光波。那么位于其正下方位置的光电传感器检测到的就是此范围光波谱强度。电信号处理模块实现电信号的采集功能。
实施例二
图5是本发明采用集成电路生产工艺制作的高度集成多波段相强度探测的光谱传感器。三组波段选择模块分别采用中心波长在450nm,540nm,700nm带通滤波器,位于三组波段选择模块正下方的光电传感模块分别测定这三个中心波长附近波段强度。其中，光电传感器采用集成电路生产工艺生产，由三个通道组成并被集成在同一芯片上，三个通道的PN结结深依据其对应检测波长而优化成0.3um、1um和3um，三个通道之间采用有效的光、电隔离。电信号处理模块也被集成在同一硅片上，完成电信号收集和处理功能，并将这些强度信号输出待进一步处理。在封装工艺中，三个通道分别在空间位置对应各自的带通滤波器，各个通道之间也被光、电隔离。
实施例三
图6为组装有透镜的光谱传感器。一个凸透镜被封装工艺置于波段选择器入射光方向的上方，其焦点位于光电检测单元窗口之内。通过这种透镜的配置，增强了投射在光电检测单元的目标光谱的强度，整个光谱传感器的信号噪音比、灵敏度和检出限等性能都随着提高了。
从本发明的装置和方法以及实例的说明可以看出，本发明提供了基于波段选择模块和光电探测模块来测定光谱强度的装置，本方法和装置具有简单，灵活，应用范围广等特点。但以上说明也不能限定本发明可实施的范围，凡是专业人士在本发明基础上所作的明显或不明显的变化，修饰或改良，均应视为不脱离本发明的精神实质。
Claims (10)
1.一种探测目标波段强度的光谱传感器，其特征在于：包括波段选择模块、光电传感模块、电信号处理模块、封装防护机构、支架和连接线；
波段选择模块用于将要测量的目标波段范围从宽波段入射光中选择出来；
光电传感模块用于将光信号转换为电信号，以测定光谱强度；
电信号处理模块用于将由光电传感模块检出的电信号转换成能为后续器件使用或识别的电信号；
电连接线将光电传感模块、电信号处理模块、支架电连接；
支架承载光电传感模块和电信号处理模块，并提供电信号通道；
封装防护机构为上述部件提供机械支撑、光和电的连接与隔离、以及通过隔离和保护使上述部件不受环境中有害因素的损害；
所述波段选择模块位于入射光的一侧，光电传感模块位于波段选择模块出射光的一侧，电信号处理模块与光电传感模块电连接；
为提高光电转换效率和信噪比，光电传感模块PN结的结深随所述目标波段光谱的中心波长和半导体材料、生产工艺因素进行适当调整，对短波长450nm范围的光谱，光电传感模块PN结结深被调整为0.2um，对长波长700nm左右的光谱，其PN结的结深能设置在3um，以利于光波的充分吸收和转换。
2.如权利要求1所述的一种探测目标波段强度的光谱传感器，其特征在于：所述波段选择模块包括光子晶体、光学带通滤波器、晶体单色器、光栅单色器或者棱栅单色器。
3.如权利要求2所述的一种探测目标波段强度的光谱传感器，其特征在于：所述光子晶体为一维或者二维结构，光子晶体允许通过的光波长处于所述的目标波段内。
4.如权利要求2所述的一种探测目标波段强度的光谱传感器，其特征在于：所述光学带通滤波器为折射系数不同的两种材料构成的若干层薄膜结构，通过调节薄膜厚度使若干层薄膜结构允许通过的光波长范围处于所述的目标波段范围内。
5.如权利要求2所述的一种探测目标波段强度的光谱传感器，其特征在于：所述光学带通滤波器允许通过的光谱半高峰宽波长范围不大于所述的目标波段的波长范围。
6.如权利要求1所述的一种探测目标波段强度的光谱传感器，其特征在于：所述光电传感模块包括光电二极管、光电三极管、光敏电阻、光电倍增器、光电池、CMOS、CCD或者电荷注入传感器。
7.如权利要求1所述的一种探测目标波段强度的光谱传感器，其特征在于：所述光电传感模块包括单质基半导体光电传感器或化合物基光电传感器。
8.如权利要求1所述的一种探测目标波段强度的光谱传感器，其特征在于：所述光电传感模块为集成电路工艺生产的硅基半导体光电器件，该硅基半导体光电器件中光电转换活性层厚度为0.2um-3um。
9.如权利要求1所述的一种探测目标波段强度的光谱传感器，其特征在于：所述波段选择模块、光电传感模块、电信号处理模块由半导体光电器件封装工艺封装在一起，构成独立整体的光电器件。
10.如权利要求1所述的一种探测目标波段强度的光谱传感器，其特征在于：所述波段选择模块入射光方向添加一个或一组在封装工艺过程中一次成型的集成凸透镜，或者分立凸透镜，并通过半导体光电封装工艺与波段选择模块、光电传感模块、电信号处理模块、封装防护机构、支架、连接线封装在一起，构成独立整体的光电器件。
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