CN108831898A - 一种固态多光谱传感器 - Google Patents

Abstract

本发明是一种固态多光谱传感器，涉及光学传感器领域，包括：硅芯片、光敏单元阵列、行驱动器、列驱动器、时序控制逻辑电路、数模转换器和数据总线输出接口等模块；所述光敏单元阵列选用固态纳米线阵列；固态纳米线阵列通过深反应离子刻蚀技术直接集成于所述硅芯片上；固态纳米线阵列由纳米线排列而成；纳米线定向垂直于硅芯片表面；入射光照射固态纳米线阵列并引发光电效应，特定几何参数特性的固态纳米线阵列过滤并增强提取入射光信息中特定波长的光信息。利用MEMS技术在硅晶片上精密刻制定制设计的纳米线阵列，建构出以硅晶片为基础、与主流半导体生产工艺相兼容的滤光结构，配合高性能商用CMOS图像传感器基础光检测及信号处理芯片。

Description

一种固态多光谱传感器

技术领域

本发明涉及光学传感器领域，特别是涉及一种固态多光谱传感器。

背景技术

多光谱成像仪虽然工作方式、组成、结构不同，但其基本组成通常包括以下几个部分：

1、光学会聚单元。它由透镜、反射镜或扫描镜等部件组成。它采集来自地面目标和背景的辐射或反射电磁波。

2、分光单元。它把前一单元采集的混合光分解为若干较窄波段，从而实现多光谱探测。

3、探测与信号预处理单元。它常用做探测器材的有相机中的胶片、线列或面阵CCD、红外焦平面阵列等光电探测器件。它实现光电转换，由敏感元分别将分光后聚焦的场景各点相应波段的电磁波强弱转换为对应大小的电信号。信号预处理器对电信号进行放大、修正及其他处理后，转换成图像信号或其他形式的信号。

4、信息记录或传输单元。它将经初步处理后的图像信息用适当的介质记录下来。常用记录介质有存储器、磁盘等，本专利中会应用存储器作为存储介质。为了尽快得到遥感信息，对各种数字式的信号可通过传输单元将其从空中传输到地面进行记录或实时图像显示。

传统多光谱仪绝大多数使用复杂、成本昂贵、体积笨重、功耗大、高精准度的测量只能在几十厘米内进行，需要专业人士进行操作，无法在移动端进行集成，例如： Resonon公司的高品质的多光谱相机，Pixelteq公司的色轮多光谱相机，Texas Instruments公司的数字光处理技术光谱仪。

当前主流的CMOS图像传感器技术是背照式传感器。其中典型的产品就是索尼的红绿蓝（RGB）Exmor RS IMX230(像素尺寸为1.12μm)。外界光透过微型的正弯月形微透镜阵列，被汇聚增强，照射红/绿/蓝染色的聚合物滤光器阵列，入射光线中的红、蓝、绿三个波段的信息被滤光器阵列分别过滤，射入相应的光电二极管，发生光电效应，电信号被收集并由配套电路进行一系列信号处理，从而复原出入射光所含的图像信息。传统CMOS图像传感器中的滤色器将红/绿/蓝人造彩色染料（聚合物）放置在像素的表面。这些滤色器与人眼的滤色***存在匹配偏差，所以需要使用软件来校准在不同光照射下所观察到的颜色，也就是所谓的白平衡。

许多人尝试使用红绿蓝三色滤波器CMOS图像传感器来构造多光谱相机，但是只能达到真正的多光谱传感器的近似效果，同时只能提取红绿蓝三色可见光的信息。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是提供一种固态多光谱传感器，包括两个核心部分：一个过滤并分光的固态纳米线阵列和一个探测光的CMOS图像传感器。使用了固态纳米线结构阵列替代了微透镜阵列和人工染色的聚合物滤光器阵列，从而强化对入射光信息中更多波段信息的增强和提取，由红、蓝、绿三个波段的检测扩大到了一定范围内的任意多波段。基于传统成熟CMOS图像传感器工艺相结合，从而成功检测入射光中的不同的光谱信息，进而分析出被照物体的不同组成成分。纳米线技术可以与常规CMOS传感器或背照式CMOS图像传感器相结合，达到同样滤光效果。

本固态多光谱传感器具体包括硅芯片、光敏单元阵列、行驱动器、列驱动器、时序控制逻辑电路、数模转换器和数据总线输出接口；所述光敏单元阵列选用固态纳米线阵列；固态纳米线阵列通过深反应离子刻蚀技术直接集成于所述硅芯片上；固态纳米线阵列由纳米线排列而成；纳米线定向垂直于硅芯片表面；入射光照射固态纳米线阵列并引发光电效应，特定几何参数特性的固态纳米线阵列过滤并增强提取入射光信息中特定波长的光信息。

优选的是，纳米线的半径对应特定的波长，而纳米线的其他阵列参数：高度、密度、排列周期、截面形状等都与滤光效果相关。

优选的是，通过设计不同半径纳米线阵列的组合，纳米线阵列能够过滤出混合波段的信息。

优选的是，固态纳米线阵列、行驱动器、列驱动器、时序控制逻辑电路、数模转换器和数据总线输出接口均集成于同一块硅芯片上。

优选的是，所述纳米线由半导体材质制成，其包括硅、锗和砷化镓。

优选的是，硅质地的固态纳米线阵列适用于350纳米至800纳米的光谱。

优选的是，锗质地的固态纳米线阵列适用于600纳米至1400纳米的光谱。

一种固态多光谱传感器的制备工艺，其包括以下步骤：

a、传统CMOS图像传感器晶圆预处理：选用配套电路相匹配的传统商用CMOS图像传感器芯片晶圆，经过预处理，去除微透镜阵列和滤色器阵列，或者直接使用还没有覆盖微透镜阵列和滤色器阵列的商用CMOS图像传感器芯片的半成品晶圆，以此为基础制造固态多光谱传感器芯片；

b、 半导体层制备：在预处理芯片表面利用键合或外延的方法制备半导体层；

c、纳米线阵列结构晶圆级光刻：根据应用场景，设计相应波长和密度的滤色阵列；根据物理原理选取合适的纳米线基底材料于晶圆表面，将设计转化成为相应几何参数的纳米线阵列晶圆级光刻掩模版，并将图形转移到晶圆表面；

d、纳米级精度刻蚀；使用深反应离子刻蚀技术和MEMS刻蚀技术，在晶圆片上刻蚀出精密的光学纳米线结构，并确保刻蚀后的纳米线符合设计的几何形貌；

e、晶圆级测试：对晶圆上的多光谱传感器芯片单元进行各项性能参数的测试；

f、封装：在检测合格的晶圆上外加透明的平坦化保护层进行封装；随后，进行圆片级封装并切割成单个的多光谱传感器芯片。

本发明的有益效果是：提供一种固态多光谱传感器，利用MEMS技术在硅晶片上精密刻制定制设计的纳米线阵列，建构出以硅晶片为基础、与主流半导体生产工艺相兼容的滤光结构，配合高性能商用CMOS图像传感器基础光检测及信号处理芯片。产品性能可与国际一线厂商相媲美，实现超小型、高分辨率、超低成本、高稳定性的创新微型光谱传感器。

同时，固态多光谱传感器的单芯片光学解决方案在尺寸、成本、可靠性上优势明显。半导体圆片的生产加工特点极大提高了产能、降低了成本。将所有光学元件集成在一个芯片上可使光学***更加可靠，更好地避免冲击或振动带来的负面影响。最后，尺寸的大幅度减小创造了新的应用机会，这些应用是以前更大的、分立的光学***不能实现的。由于可以在150℃以下制造，因此能以单片的形式集成进其它检测器，比如光检测器，从而实现非常紧凑和高性价比、能够满足消费类应用要求的超光谱成像解决方案。

附图说明

图1是SNMSense技术的固态多光谱传感器典型结构示意图；

图2是晶圆切片上的垂直纳米线阵列。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

作为光传感器的重要应用大类--光谱仪(光谱传感器)也在逐渐崭露头角。传统多光谱仪绝大多数使用复杂、成本昂贵、体积笨重、功耗大、高精准度的测量只能在几十厘米内进行，需要专业人士进行操作，无法在移动端进行集成，例如：Resonon公司的高品质的多光谱相机，Pixelteq公司的色轮多光谱相机，Texas Instruments公司的数字光处理技术光谱仪

本团队使用纳米光子学和材料科学，成功开发出全世界最小、具有竞争力的新型固态多光谱半导体传感器（solid-state nanowire multispectral sensor, SNMSense）。这种传感器能在宽广的光谱范围(从紫外到红外波段)内提供极佳的分辨率，对被测样本进行分类、特征辨识和定量测量，从而获取更多准确信息以便做出最佳决策。

此外，SNMSense技术不但能够拍摄信息量更大的多光谱图片，还能够拍摄同样具备大信息量的视频，这是传统多光谱仪器所不能实现的功能。这使得该技术能够被应用到更多需要实时或者动态信息获取的应用中去。

SNMSense技术获取的光谱信息可通过蓝牙发送到用户的数据接收终端（或者利用iOS或Android手持设备上的SNMSense智能光谱应用程序App点击拍照），并将拍摄数据上传至云端大数据平台，在云服务器上完成特征光谱数据的分析处理，并可由人工智能辅助提供解决方案，分析结果和方案几乎瞬间便可在手机或平板上显示。

本发明的一种固态多光谱传感器就是基于SNMSense技术，包括两个核心部分：一个过滤并分光的固态纳米线阵列和一个探测光的CMOS图像传感器。将纳米线阵列与商用的CMOS图像传感器相整合，将纳米线彩色滤光片直接构建在商用的CMOS硅芯片上。

本固态多光谱传感器的具体结构通常包括集成于同一块硅芯片上的：硅芯片、光敏单元阵列、行驱动器、列驱动器、时序控制逻辑电路、数模转换器和数据总线输出接口。

光敏单元阵列选用固态纳米线阵列，固态纳米线阵列通过深反应离子刻蚀技术直接集成于硅芯片上。固态纳米线阵列由纳米线排列而成，纳米线定向垂直于硅芯片表面，入射光照射固态纳米线阵列并引发光电效应，固态纳米线阵列增强入射光信息中波段信息的提取。垂直的半导体纳米线能够精准地过滤（即选择）不同的波长并增强光信号。因此，可以利用不同的半导体材料来优化对不同波长区段的光谱探测。纳米线可以由不同的半导体材质制成，包括：硅、锗和砷化镓。不同的材料应用于不同的光谱区域。例如，硅适用于350纳米至800纳米的光谱，锗适用于600纳米至1400纳米的波长。使用硅垂直纳米线的SNMSense光谱仪，可以扩展多光谱传感器在可见光波段和近红外的探测功能。使用近红外波段的探测信息，我们可以看到肉眼无法识别的、被黑色布隐藏的物件。

纳米线的半径对应特定的波长，而纳米线的其他阵列参数，例如：高度、密度、排列周期、截面形状等都与滤光效果相关。一般情况下，纳米线阵列的参数值选用：高度1.67微米、间距1微米、半径45纳米、80纳米等等，该组参数为比较突出的纳米线阵列数据，其工作效果也比较显著。而我们从理论计算和实验比较中发现，55纳米半径的纳米线阵列对应600纳米波长的光时，其处理效果最佳。因此，通过设计不同半径纳米线阵列的组合，纳米线阵列能够过滤出混合波段的信息。

固态多光谱传感器芯片的制造工艺和流程：

SNMSense技术的固态多光谱传感器是基于硅晶圆的硅集成微光学***技术，利用经过验证的MEMS元件来制造单片集成光学***。使用深反应离子刻蚀（DRIE）技术，可在SOI圆片上设计并制造严格设计的光学MEMS结构，随后对这些结构进行圆片级封装并切割成单芯片光学***。

该制造工艺的核心是在传统商用图像传感器的每个像素的表面直接构建纳米线滤光阵列，其包括以下步骤：

a、传统CMOS图像传感器晶圆预处理：选用配套电路相匹配的传统商用CMOS图像传感器芯片晶圆，经过预处理，去除微透镜阵列和滤色器阵列，或者直接使用还没有覆盖微透镜阵列和滤色器阵列的商用CMOS图像传感器芯片的半成品晶圆，以此为基础制造固态多光谱传感器芯片；

b、半导体层制备：在预处理芯片表面利用键合或外延的方法制备半导体层；

c、纳米线阵列结构晶圆级光刻：根据应用场景，设计相应波长和密度的滤色阵列；根据物理原理选取合适的纳米线基底材料于晶圆表面，将设计转化成为相应几何参数的纳米线阵列晶圆级光刻掩模版，并将图形转移到晶圆表面；

d、纳米级精度刻蚀；使用深反应离子刻蚀技术和MEMS刻蚀技术，在晶圆片上刻蚀出精密的光学纳米线结构，并确保刻蚀后的纳米线符合设计的几何形貌；

e、晶圆级测试：对晶圆上的多光谱传感器芯片单元进行各项性能参数的测试；

f、封装：在检测合格的晶圆上外加透明的平坦化保护层进行封装；随后，进行圆片级封装并切割成单个的多光谱传感器芯片

上述的制造工艺，其核心是利用MEMS干法刻蚀技术形成让光通过到精心设计的固态纳米线阵列从而被按照设计的特定波长被过滤到各“像素”通道中去，并与传统成熟CMOS图像传感器工艺相结合，从而成功检测入射光中的不同的光谱信息，进而分析出被照物体的不同组成成分。基于光学元件由半导体加工技术在单芯片上制造，而分立光学***必须经由精确对准，导致装配及封装的高成本。我们将能够直接在所有的传感器晶圆上构建过滤***，而不是制造我们自己的传感器和电子结构。这种过程允许我们使用不同公司所制造的图像传感器半成品来制造我们自己的多光谱传感器，从而降低制造成本，具有价格竞争力，并生产适合不同应用的多光谱传感器。

在此提供一个本制备工艺所生产的固态多光谱传感器为例，其具体的实验参数如下：

用不同直径的纳米线制造了一个“超级像素”，由3x3彩色滤光片，取代了传统的2x2 RGB彩色滤光片。在实验中证明了使用九种不同直径的硅纳米线可以精准地选定颜色。在下 面的表格中展示了通过光学显微镜捕捉到的SNMSense滤色器像素阵列的放大图色彩统计， 每组由9种颜色组成，可以捕获9种不同波段的光信息。

红色

波长：660nm

蓝色

波长：450nm

绿色

波长：550nm

黄色

波长：570nm

白色

全通量白光

深绿

深绿色（混合光）

深绿2

湖绿色（混合光）

土黄

土黄色（混合光）

玫红

玫红色（混合光）

将这九个不同的纳米线制备在传统的CMOS图像传感器的光电二级管上，我们就构建了一个非常小的低功率多光谱传感器。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种固态多光谱传感器，其特征在于：包括硅芯片、光敏单元阵列、行驱动器、列驱动器、时序控制逻辑电路、数模转换器和数据总线输出接口；所述光敏单元阵列选用固态纳米线阵列；固态纳米线阵列通过深反应离子刻蚀技术直接集成于所述硅芯片上；固态纳米线阵列由纳米线排列而成；纳米线定向垂直于硅芯片表面；入射光照射固态纳米线阵列并引发光电效应，固态纳米线阵列过滤并增强提取入射光信息中的光信息。

2.根据权利要求1所述的一种固态多光谱传感器，其特征在于：固态纳米线阵列、行驱动器、列驱动器、时序控制逻辑电路、数模转换器和数据总线输出接口等模块均集成于同一块硅芯片上。

3.根据权利要求1所述的一种固态多光谱传感器，其特征在于：固态纳米线阵列由竖直纳米线阵列构成，纳米线的几何特征包括高度、密度、排列周期、截面形状；组合的纳米线阵列能够过滤出具有混合波段的光信息。

4.根据权利要求1所述的一种固态多光谱传感器，其特征在于：所述纳米线由半导体材质制成，其包括硅、锗和砷化镓等材料。

5.根据权利要求3所述的一种固态多光谱传感器，其特征在于：硅质地的固态纳米线阵列适用于350纳米至800纳米的光谱。

6.根据权利要求3所述的一种固态多光谱传感器，其特征在于：锗质地的固态纳米线阵列适用于600纳米至1400纳米的光谱。

7.一种固态多光谱传感器的制备工艺，其特征在于：其包括以下步骤：

传统CMOS图像传感器晶圆预处理：选用配套电路相匹配的传统商用CMOS图像传感器芯片晶圆，经过预处理，去除微透镜阵列和滤色器阵列，或者直接使用还没有覆盖微透镜阵列和滤色器阵列的商用CMOS图像传感器芯片的半成品晶圆，以此为基础制造固态多光谱传感器芯片；

半导体层制备：在预处理芯片表面利用键合或外延的方法制备半导体层；

纳米线阵列结构晶圆级光刻：根据应用场景，设计相应波长和密度的滤色阵列；根据物理原理选取合适的纳米线基底材料于晶圆表面，将设计转化成为相应几何参数的纳米线阵列晶圆级光刻掩模版，并将图形转移到晶圆表面；

d、纳米级精度刻蚀；使用深反应离子刻蚀技术和MEMS刻蚀技术，在晶圆片上刻蚀出精密的光学纳米线结构，并确保刻蚀后的纳米线符合设计的几何形貌；

e、晶圆级测试：对晶圆上的多光谱传感器芯片单元进行各项性能参数的测试；

f、封装：在检测合格的晶圆上外加透明的平坦化保护层进行封装；随后，进行圆片级封装并切割成单个的多光谱传感器芯片。