CN105954833A - 一种分光芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种分光芯片，以蓝宝石或者石英为基片，所述基片的一侧设置有截次峰膜系，所述基片另一侧设置有第一反射膜，所述第一反射膜上设置有复数个通道，相邻通道之间被黑铬隔开。同时公开了该芯片的制作方法步骤(1)在基片上光刻通道和对准标记；(2)基片上镀制第一反射膜；(3)镀制中间层；(4)镀制第二反射膜；(5)基片的背面镀制截次峰膜系。本分光芯片的工作波段在900～2500nm范围内，而且尺寸还可以根据实际需要进行调整，非常方便集成和家用，大大优于目前国内外同类型微型光谱仪的光谱分辨率的性能；实现真正的微型化；可提高仪器的可靠性、稳定性、和光学效率。
Description
技术领域
本发明公开了一种分光芯片，特别涉及一种可以根据要求设计工作波段的分光芯片及其制备方法。
背景技术
近红外光谱技术在化工、食品安全、健康等领域有着非常重要的领域，主要是通过光谱仪来对成分进行识别和分析，对光谱仪的便携性和工作速度的要求越来越高。目前在制作光谱仪时，主要通过光栅来实现光谱分光功能，但通过光栅分光时，光谱仪体积较大且扫描时间较长，难以实现真正的微型化。传统的集成滤光片需要对每个通道单独镀膜，且每次镀制需要特定的掩膜来完成，如果为64通道，则至少需64次光刻，过程非常繁琐，如果对其尺寸要求高的话，则其累计误差可能会非常大，其成品率会降低；另外，传统的集成滤光片的尺寸大。
发明内容
为了克服现有技术中的不足，本发明提供了可以设计工作波段的的分光芯片及其制备方法。
为达到目的，本发明通过如下的技术方案来实现：
一种分光芯片，以蓝宝石或者石英为基片，所述基片的一侧设置有截次峰膜系，所述基片另一侧设置有第一反射膜，所述第一反射膜上设置有复数个通道，相邻通道之间被黑铬隔开，每个通道的宽度为0.01-2mm，带宽为3.1-5.5nm，所述黑铬的宽度为0.001-1mm.。
进一步的，所述通道选自第一反射膜、中间层与第二反射膜共同组成中的一种。
进一步的，所述第一反射膜和第二反射膜由硅和二氧化硅或五氧化二铌和二氧化硅交替组成。
进一步的，所述中间层由二氧化硅组成。
进一步的，所述分光芯片的工作波长为900-2500nm进一步的，所述复数个通道为64通道、128通道、192通道、256通道或者320通道。
进一步的，从0通道到最后一个通道的中心波长逐渐增大，且中心波长的精度可以达到±1nm。
一种上述分光芯片的制作方法，包括如下步骤：
(1)在基片上光刻通道和对准标记，其中光刻包含以下步骤：
a)预处理：甩胶和前烘，在干净的基片上旋涂光刻胶，80℃-100℃烘烤10min以上；
b)曝光：把预处理好的基片置于掩膜板下进行紫外曝光；
c)显影和后烘：将曝光后的基片使用显影液进行显影，光刻胶遮挡通道，露出标记区域和通光通道。在烘箱中60℃-100℃烘干残留在基片表面的水分；
d)用真空镀膜方式镀制黑铬；
e)使用浓度为5％的NaOH溶液或丙酮去除光刻胶，留下通道分隔线和对准标记。
(2)在步骤(1)制备的基片上镀制第一反射膜；
(3)镀制中间层，根据需要在第一反射膜上重复光刻和去光刻胶的步骤，直至制备出想要的通道为止；
(4)在所说中间层上镀制第二反射膜；
(5)在所述基片的背面镀制截次峰膜系。
进一步的，所述镀制膜的方法为真空镀膜法。
本发明的有益效果如下：
1.分光芯片对光选择性通过，不同的位置透过不同的光谱，接收不同位置的光实现分光功能；
2.本分光芯片的工作波段在900～2500nm范围内，具体的工作波段可以调整和选择，分光芯片的工作范围基本覆盖了整个近红外光谱，分光通道达到了320个；分光芯片各通道的宽可以设计为0.188mm，通道之间的隔离区宽度为10μm宽，精度高，而且尺寸还可以根据实际需要进行调整，非常方便集成和家用，
3.实现相对带宽0.33％的光谱分辨率，大大优于目前国内外同类型微型光谱仪的光谱分辨率的性能；
4.分光芯片的尺寸远远小于传统的光谱分光器件，实现真正的微型化；
5.可以简化微型光谱仪的光路结构，减小光谱仪的体积，工作时，根据探测器不同位置接收到的信号即可得到其光谱，非常适用于微型光谱仪的制作；
6.可提高仪器的可靠性、稳定性、和光学效率；
7.采用组合镀膜法减少镀膜次数，降低成本，提高成品率。
附图说明
图1是本发明一具体实施例中的分光芯片的侧剖面结构示意图；
图2是本发明一具体实施例中的分光芯片的俯视图；
图3是本发明具体实施例一中制备的分光芯片的光谱图；
图4是本发明具体实施例二中制备的分光芯片的光谱图；
图5是本发明具体实施例三中制备的分光芯片的光谱图；
图6是本发明具体实施例四中制备的分光芯片的光谱图；
图7是本发明具体实施例五中制备的分光芯片的光谱图；
图8是本发明具体实施例六中的分光芯片的俯视图。
附图标记
101-截次峰膜系；102-基片；103-第一反射膜；104-第二反射膜；105-中间层。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
参阅图1-2，一种分光芯片，以蓝宝石或者石英为基片，所述基片的一侧设置有截次峰膜系，所述基片另一侧设置有第一反射膜103，所述第一反射膜103上设置有复数个通道，相邻通道之间被黑铬隔开，每个通道的宽度为0.01-2mm，带宽为3.1-5.5nm，所述黑铬的宽度为0.001-1mm.。
所述通道选自第一反射膜103、中间层105与第二反射膜104共同组成中的一种。
所述第一反射膜103和第二反射膜104由硅和二氧化硅或五氧化二铌和二氧化硅交替组成。所示中间层由二氧化硅组成。
所述分光芯片的工作波长为900-2500nm。
所述复数个通道为64通道、128通道、192通道、256通道或320通道。
从0通道到最后一个通道的中心波长逐渐增大，且中心波长的精度可以达到±1nm。
一种上述分光芯片的制作方法，包括如下步骤：
(1)在蓝宝石或者石英基片102上光刻通道和对准标记，其中光刻包含以下步骤：
a)预处理：甩胶和前烘，在干净的基片102上旋涂光刻胶，80℃-100℃烘烤10min以上；
b)曝光：把预处理好的基片置于掩膜板下进行紫外曝光；
c)显影和后烘：将曝光后的基片使用显影液进行显影，光刻胶遮挡通道，露出标记区域和通光通道。在烘箱中60℃-100℃烘干残留在基片表面的水分；
d)用真空镀膜方式镀制黑铬；
e)使用浓度为5％的NaOH溶液或丙酮去除光刻胶，留下通道分隔线和对准标记。
(2)在步骤(1)制备的基片上镀制第一反射膜103；
(3)镀制中间层105，根据需要在第一反射膜103上重复光刻和去光刻胶的步骤，直至制备出想要的通道为止；
(4)在所说中间层上镀制第二反射膜104；
(5)在所述基片102的背面镀制截次峰膜系101。
所述镀制膜的方法为真空镀膜法。
制备出的分光芯片的结构示意图如图1、2和8所示。
实施例一：
工作波长为900-1100nm共64个通道的分光芯片，分别编号为0-63通道，带宽为3.1±1nm，中心波长精度为±1nm。从0通道到63通道的中心波长逐渐增大。各通道的宽度范围为0.01-2mm，相邻通道被黑铬隔开，铬线宽度范围为0.001-1mm。
分光芯片具体制作步骤为：
1.在蓝宝石基片上光刻通道和对准标记；其中光刻包含以下步骤：
a)预处理：甩胶和前烘，在干净的基片102上旋涂光刻胶，80℃-100℃烘烤10min以上；
b)曝光：把预处理好的基片置于掩膜板下进行紫外曝光；
c)显影和后烘：将曝光后的基片使用显影液进行显影，光刻胶遮挡通道，露出标记区域和通光通道。在烘箱中60℃-100℃烘干残留在基片表面的水分；
d)用真空镀膜方式镀制黑铬；
e)使用浓度为5％的NaOH溶液或丙酮去除光刻胶，留下通道分隔线和对准标记。
2.第一反射膜的结构为：λ＝1000nm，H-Nb2O5，L-SiO2，H L H LH L H 3L。
3.利用组合镀膜法镀制中间层的制作步骤如下：
(a)光刻，露出1,3,5，...63单数通道；在1,3,5，...63单数通道镀2.58nm SiO2，去除光刻胶。
(b)光刻，露出：2，3，6，7，10，11，14，15，18，19，22，23，26，27，30，31，34，35，38，39，42，43，46，47，50，51，54，55，58，59，62，63通道，在以上通道镀制2.58*2nm SiO2，去除光刻胶。
(c)光刻，露出：4，5，6，7，12，13，14，15，20，21，22，23，28，29，30，31，36，37，38，39，44，45，46，47，52，53，54，55，60，61，62，63通道，在以上通道镀制2.58*4nm SiO2，去除光刻胶。
(d)光刻，露出：8，9，10，11，12，13，14，15，24，25，26，27，28，29，30，31，40，41，42，43，44，45，46，47，56，57，58，59，60，61，62，63通道，在以上通道镀制2.5*8nm SiO2，去除光刻胶。
(e)光刻，露出：16，17，18，19，20，21，22，23，24，25，26，27，28，29，30，31，48，49，50，51，52，53，54，55，56，57，58，59，60，61，62，63通道，在以上通道镀制2.58*16nm SiO2，去除光刻胶。
(f)光刻，露出：32，33，34，35，36，37，38，39,40，41，42，43，44，45，46，47，48，49，50，51，52，53，54，55，56，57，58，59，60，61，62，63通道，在以上通道镀制2.58*32nm SiO2，去除光刻胶。
4.镀制第二反射膜，第二反射膜的的膜系结构为：λ＝1000nm，H-Nb2O5，L-SiO2，H L H L H L H 2L。
5.镀制截次峰膜系。
镀制膜的方法为真空镀膜法。
将上述方法设计出的芯片进行计算，得到其光谱图如图3所示，证明本分光芯片工作波长为900-1100nm。
实施例二：
工作波长为1100-1400nm共64个通道的分光芯片，分别编号为0-63，带宽为4.5±1nm，中心波长精度为±1nm。从0通道到63通道的中心波长逐渐增大。各通道的宽度范围为0.01-2mm，相邻通道被黑铬隔开，铬线宽度范围为0.001-1mm，。
分光芯片具体制作步骤：
在蓝宝石基片上光刻通道和对准标记、镀制第一反射膜、镀制第二反射膜和镀制截次峰膜系的步骤与实施例一相同；
其中，第一反射膜的结构为：λ＝1200nm，H-Nb2O5，L-SiO2，HL H L H L H 3L。
第二反射膜的的膜系结构为：λ＝1200nm，H-Nb2O5，L-SiO2，HL H L H L H 2L。
利用组合镀膜法镀制中间层的制作步骤如下：
(a)光刻，露出1,3,5，...63单数通道；在1,3,5，...63单数通道镀3.75nm SiO2，去除光刻胶。
(b)光刻，露出：2，3，6，7，10，11，14，15，18，19，22，23，26，27，30，31，34，35，38，39，42，43，46，47，50，51，54，55，58，59，62，63通道，在以上通道镀制3.75*2nm SiO2，去除光刻胶。
(c)光刻，露出：4，5，6，7，12，13，14，15，20，21，22，23，28，29，30，31，36，37，38，39，44，45，46，47，52，53，54，55，60，61，62，63通道，在以上通道镀制3.75*4nm SiO2，去除光刻胶。
(d)光刻，露出：8，9，10，11，12，13，14，15，24，25，26，27，28，29，30，31，40，41，42，43，44，45，46，47，56，57，58，59，60，61，62，63通道，在以上通道镀制3.75*8nm SiO2，去除光刻胶。
(e)光刻，露出：16，17，18，19，20，21，22，23，24，25，26，27，28，29，30，31，48，49，50，51，52，53，54，55，56，57，58，59，60，61，62，63通道，在以上通道镀制3.75*16nm SiO2，去除光刻胶。
(f)光刻，露出：32，33，34，35，36，37，38，39,40，41，42，43，44，45，46，47，48，49，50，51，52，53，54，55，56，57，58，59，60，61，62，63通道，在以上通道镀制3.75*32nm SiO2，去除光刻胶。
将上述方法设计出的芯片进行计算，，得到其光谱图如图4所示，证明本分光芯片工作波长为1100-1400nm。
实施例三：
工作波长为1400-1700nm共64个通道的分光芯片，分别编号为0-63，带宽为4.5±1nm，中心波长精度为±1nm。从0通道到63通道的中心波长逐渐增大。各通道的宽度范围为0.01-2mm，相邻通道被黑铬隔开，铬线宽度范围为0.001-1mm。
分光芯片具体制作步骤：
在蓝宝石基片上光刻通道和对准标记、镀制第一反射膜、镀制第二反射膜和镀制截次峰膜系的步骤与实施例一相同；
其中，第一反射膜的结构为：λ＝1400nm，H-Nb2O5，L-SiO2，HL H L H L H 3L。
第二反射膜的的膜系结构为：λ＝1400nm，H-Nb2O5，L-SiO2，HL H L H L H 2L。
利用组合镀膜法镀制镀制中间层步骤如下：
(a)光刻，露出1,3,5，...63单数通道；在1,3,5，...63单数通道镀3.75nm SiO2，去除光刻胶。
(b)光刻，露出：2，3，6，7，10，11，14，15，18，19，22，23，26，27，30，31，34，35，38，39，42，43，46，47，50，51，54，55，58，59，62，63通道，在以上通道镀制3.75*2nm SiO2，去除光刻胶。
(c)光刻，露出：4，5，6，7，12，13，14，15，20，21，22，23，28，29，30，31，36，37，38，39，44，45，46，47，52，53，54，55，60，61，62，63通道，在以上通道镀制3.75*4nm SiO2，去除光刻胶。
(d)光刻，露出：8，9，10，11，12，13，14，15，24，25，26，27，28，29，30，31，40，41，42，43，44，45，46，47，56，57，58，59，60，61，62，63通道，在以上通道镀制3.75*8nm SiO2，去除光刻胶。
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镀制截次峰膜系。
将上述方法设计出的芯片进行计算，，得到其光谱图如图5所示，证明本分光芯片工作波长为1400-1700nm。
实施例四：
工作波长为1700-2100nm共64个通道的分光芯片，分别编号为0-63，带宽为5.5±1nm，中心波长精度为±1nm。从0通道到63通道的中心波长逐渐增大。各通道的宽度范围为0.01-2mm，相邻通道被黑铬隔开，铬线宽度范围为0.001-1mm。
分光芯片具体制作步骤：
在蓝宝石基片上光刻通道和对准标记、镀制第一反射膜、镀制第二反射膜和镀制截次峰膜系的步骤与实施例一相同；
其中，第一反射膜的结构为：λ＝1900nm，H-Si，L-SiO2，H L HL H L H 3L。
第二反射膜的的膜系结构为：λ＝1900nm，H-Si，L-SiO2，H L HL H L H 2L。
利用组合镀膜法镀制中间层的制作步骤如下：
(a)光刻，露出1,3,5，...63单数通道；在1,3,5，...63单数通道镀5.2nm SiO2，去除光刻胶。
(b)光刻，露出2，3，6，7，10，11，14，15，18，19，22，23，26，27，30，31，34，35，38，39，42，43，46，47，50，51，54，55，58，59，62，63通道，在以上通道镀制5.2*2nm SiO2，去除光刻胶。
(c)光刻，露出：4，5，6，7，12，13，14，15，20，21，22，23，28，29，30，31，36，37，38，39，44，45，46，47，52，53，54，55，60，61，62，63通道，在以上通道镀制5.2*4nm SiO2，去除光刻胶。
(d)光刻，露出：8，9，10，11，12，13，14，15，24，25，26，27，28，29，30，31，40，41，42，43，44，45，46，47，56，57，58，59，60，61，62，63通道，在以上通道镀制5.2*8nm SiO2，去除光刻胶。
(e)光刻，露出：16，17，18，19，20，21，22，23，24，25，26，27，28，29，30，31，48，49，50，51，52，53，54，55，56，57，58，59，60，61，62，63通道，在以上通道镀制5.2*16nm SiO2，去除光刻胶。
(f)光刻，露出：32，33，34，35，36，37，38，39,40，41，42，43，44，45，46，47，48，49，50，51，52，53，54，55，56，57，58，59，60，61，62，63通道，在以上通道镀制5.2*32nm SiO2，去除光刻胶。
将上述方法设计出的芯片进行计算，，得到其光谱图如图6所示，证明本分光芯片工作波长为1700-2100nm。
实施例五：
工作波长为2100-2500nm共64个通道的分光芯片，分别编号为0-63，带宽为5.5±1nm，中心波长精度为±1nm。从0通道到63通道的中心波长逐渐增大。各通道的宽度范围为0.01-2mm，相邻通道被黑铬隔开，铬线宽度范围为0.001-1mm。
分光芯片具体制作步骤：
在蓝宝石基片上光刻通道和对准标记、镀制第一反射膜、镀制第二反射膜和镀制截次峰膜系的步骤与实施例一相同；
其中，第一反射膜的结构为：λ＝2300nm，H-Si，L-SiO2，H L HL H L H 3L。
第二反射膜的的膜系结构为：λ＝2300nm，H-Si，L-SiO2，H L HL H L H 2L。
利用组合镀膜法镀制中间层的步骤如下：
(a)光刻，露出1,3,5，...63单数通道；在1,3,5，...63单数通道镀6.35nm SiO2，去除光刻胶。
(b)光刻，露出：2，3，6，7，10，11，14，15，18，19，22，23，26，27，30，31，34，35，38，39，42，43，46，47，50，51，54，55，58，59，62，63通道，在以上通道镀制6.35*2nm SiO2，去除光刻胶。
(c)光刻，露出：4，5，6，7，12，13，14，15，20，21，22，23，28，29，30，31，36，37，38，39，44，45，46，47，52，53，54，55，60，61，62，63通道，在以上通道镀制6.35*4nm SiO2，去除光刻胶。
(d)光刻，露出：8，9，10，11，12，13，14，15，24，25，26，27，28，29，30，31，40，41，42，43，44，45，46，47，56，57，58，59，60，61，62，63通道，在以上通道镀制6.35*8nm SiO2，去除光刻胶。
(e)光刻，露出：16，17，18，19，20，21，22，23，24，25，26，27，28，29，30，31，48，49，50，51，52，53，54，55，56，57，58，59，60，61，62，63通道，在以上通道镀制6.35*16nm SiO2，去除光刻胶。
(f)光刻，露出：32，33，34，35，36，37，38，39,40，41，42，43，44，45，46，47，48，49，50，51，52，53，54，55，56，57，58，59，60，61，62，63通道，在以上通道镀制6.35*32nm SiO2，去除光刻胶。
将上述方法设计出的芯片进行计算，，得到其光谱图如图7所示，证明本分光芯片工作波长为2100-2500nm。
实施例六
可以选择以上两种或多种分光芯片进行组合，从而成为新的分光芯片，在特定的位置选择性透过特定波长的光。图8为工作波段为900-2500nm的分光芯片。其中，不同波段的分光芯片的排列有多种形式，芯片不同位置的工作波段可以根据需要进行调整组合，本实施例将上述实施例1-5中制备的分光芯片设计于一个基片上。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (9)
1.一种分光芯片，其特征在于，以蓝宝石或者石英为基片，所述基片的一侧设置有截次峰膜系，所述基片另一侧设置有第一反射膜，所述第一反射膜上设置有复数个通道，相邻通道之间被黑铬隔开，每个通道的宽度为0.01-2mm，带宽为3.1-5.5nm，所述黑铬的宽度为0.001-1mm.。
2.根据权利要求1所述的分光芯片，其特征在于所述通道选自第一反射膜、中间层与第二反射膜共同组成中的一种。
3.根据权利要求2所述的分光芯片，其特征在于所述第一反射膜和第二反射膜由硅和二氧化硅或五氧化二铌和二氧化硅交替组成。
4.根据权利要求2所述的分光芯片，其特征在于所述中间层由二氧化硅组成。
5.根据权利要求1所述的分光芯片，其特征在于所述分光芯片的工作波长为900-2500nm。
6.根据权利要求1所述的分光芯片，其特征在于所述复数个通道为64通道、128通道、192通道、256通道或者320通道。
7.根据权利要求6所述的分光芯片，其特征在于从0通道到最后一个通道的中心波长逐渐增大，且中心波长的精度可以达到±1nm。
8.一种权利要求1所述的分光芯片的制作方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)在基片上光刻通道和对准标记，其中光刻包含以下步骤：
a)预处理：甩胶和前烘，在干净的基片上旋涂光刻胶，80℃-100℃烘烤10min以上；
b)曝光：把预处理好的基片置于掩膜板下进行紫外曝光；
c)显影和后烘：将曝光后的基片使用显影液进行显影，光刻胶遮挡通道，露出标记区域和通光通道。在烘箱中60℃-100℃烘干残留在基片表面的水分；
d)用真空镀膜方式镀制黑铬；
e)使用浓度为5％的NaOH溶液或丙酮去除光刻胶，留下通道分隔线和对准标记。
(2)在步骤(1)制备的基片上镀制第一反射膜；
(3)镀制中间层，根据需要在第一反射膜上重复光刻和去光刻胶的步骤，直至制备出想要的通道为止；
(4)在所说中间层上镀制第二反射膜；
(5)在所述基片的背面镀制截次峰膜系。
9.根据权利要求8所述的分光芯片的制作方法，其特征在于所述镀制膜的方法为真空镀膜法。
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