一种短波红外多通道集成光谱组件制造技术

本发明专利技术公开了一种短波红外多通道集成光谱组件，它包括：高长宽比InGaAs线列光敏芯片、读出电路、过渡电极板、测温电阻、半导体致冷器、多通道数字式分光器、窗口、金属管壳与盖板。多通道数字式分光器作为微型光谱仪的分光元件，通过边缘金属化焊接直接固定在高长宽比InGaAs线列光敏芯片上，集成在探测器组件内部。本发明专利技术优点是：InGaAs线列光敏芯片的光敏元为高长宽比结构，可提高光谱测试的信噪比；多通道数字式分光器可在单个基片上实现光谱的精细调控，并抑制各通道内的光谱噪声、通道间串音、通道外杂散光；在探测器组件实现多个光谱通道探测简化了微型光谱仪的结构，提高仪器的可靠性和稳定性，减轻仪器的重量。

【技术实现步骤摘要】
一种短波红外多通道集成光谱组件
本专利技术一种InGaAs探测器组件，具体涉及一种应用于微型光谱仪的内部集成有多通道数字式分光器的InGaAs探测器组件。
技术介绍
微型光谱仪在农业、食品、工业等领域具有广泛的应用需求，是现场品质快检和在线检测的理想仪器，具有快速、高通量、无损、无污染、高精度、低成本和操作方便等优点。短波红外InGaAs探测器在0.9μm～1.7μm波段具有非制冷室温工作、探测率高、均匀性好等优点，成为微型光谱仪的理想选择。基于短波红外InGaAs探测器的微型光谱仪，通常采用以下两种技术方案：(1)采用InGaAs单元探测器，以及扫描步进装置和光栅、反射镜等，实现光谱测量。其优点是成本低，其缺点是仪器内部有运动部件，影响仪器的长期稳定性和可靠性。(2)采用InGaAs线列焦平面探测器组件和光栅、反射镜等，仪器内部为全固态式分光系统，其稳定性和可靠性大幅提升，仪器的集成度水平有待进一步提升。随着光学设计能力和加工能力的提升，现有技术有可能实现0.9μm～1.7μm波段的单片多通道数字式分光器。针对微型光谱仪的应用需求，将单片多通道数字式分光器集成到InGaAs焦平面探测器组件内部，实现短波红外多通道集成光谱组件，将大幅简化光谱仪的结构，提高仪器的稳定性与长期可靠性，并能抑制杂散光，对微型光谱仪的技术发展具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术提出一种内部集成多通道数字式分光器的短波红外InGaAs线列焦平面探测器组件，应用于微型光谱仪和新型传感物联网光谱感知节点。本专利技术的主要特征在于：为提高微型光谱仪和光谱感知节点的集成度水平与长期可靠性，专利技术一种短波红外多通道集成光谱组件，包括高长宽比InGaAs线列光敏芯片1、读出电路2、过渡电极板3、测温电阻4、半导体致冷器5、多通道数字式分光器6、窗口7、金属管壳8与盖板9。所述的多通道数字式分光器6作为微型光谱仪的分光元件，通过边缘金属化焊接，直接与高长宽比InGaAs线列光敏芯片1耦合，集成到短波红外多通道集成光谱组件中。所述的高长宽比InGaAs线列光敏芯片1的光敏元为长方形结构，长宽比为10:1或者20:1；光敏元长度为500μm～1000μm，光敏元宽度为25μm～50μm，线列规模为256×1或512×1，光谱响应范围0.9μm～1.7μm。所述的多通道数字式分光器6为一个单片多通道短波红外滤光片，光谱通道数为64、128或者256，各通道的光谱连续均匀分布或不连续分布，每个通道的光谱带宽2nm～5nm，中心波长定位精度±1nm，透过率≥50％，单个通道内的光谱噪声小于1％，通道间的串音小于1％，在分光通道以外的区域沉积短波红外波段透过率小于0.1％的光学薄膜，抑制杂散光。所述的高长宽比InGaAs线列光敏芯片1与读出电路2通过倒焊互连，多通道数字式分光器6通过边缘金属化焊接光谱通道以外的区域，直接与高长宽比InGaAs线列光敏芯片1耦合，集成到短波红外多通道集成光谱组件中，密封在一个金属管壳8内部，在微小区域内构成有多个光谱通道的集成光谱组件。本专利技术的技术方案如下：高长宽比InGaAs线列光敏芯片1与读出电路2通过倒焊互连，形成焦平面模块，胶接在过渡电极板3上；在高长宽比InGaAs线列光敏芯片1上对准装配多通道数字式分光器6；在金属管壳8内，焊接半导体致冷器5；半导体致冷器5上胶接过渡电极板3；测温电阻4胶接过渡电极板3上；窗口7焊接在盖板9上；盖板9与金属管壳8进行焊接密封。其中，读出电路2与过渡电极板3通过金属丝实现电学连接，过渡电极板3、测温电阻4与金属管壳8的引脚通过金属丝实现电学连接。本专利技术的优点在于：1.高长宽比InGaAs线列光敏芯片1采用长宽比10:1或20:1的光敏元结构，能有效提高光谱测量的信噪比；2.多通道数字式分光器6可在单个基片上实现光谱的精细调控，并抑制各通道内的光谱噪声、通道间串音、通道外杂散光；3.多通道数字式分光器6直接与高长宽比InGaAs线列光敏芯片1耦合，集成到探测器组件内部，在微小区域内实现多个光谱通道；4.光谱组件大大简化微型光谱仪的分光系统，提高仪器的可靠性和稳定性，减轻仪器的重量。附图说明图1为InGaAs线列芯片的光敏元排布示意图。图2为多通道数字式分光器示意图。图3为短波红外多通道集成光谱组件结构示意图。其中：p1——第1个光敏元；p2——第2个光敏元；p3——第3个光敏元；p255——第255个光敏元；p256——第256个光敏元；f1——第1个光谱通道；f2——第2个光谱通道；f3——第3个光谱通道；f126——第126个光谱通道；f127——第127个光谱通道；f128——第128个光谱通道；1——高长宽比InGaAs线列光敏芯片；2——读出电路；3——过渡电极板；4——测温电阻；5——半导体致冷器；6——多通道数字式分光器；7——窗口；8——金属管壳；9——盖板。具体实施方式以下结合附图对本专利技术的实施作进一步的描述。实施例一：本实施例是128×1短波红外多通道集成光谱组件。按图1所示，背照射InGaAs线列芯片的光敏元长宽比为10:1，p1与p2中心距50μm，光敏元长度500μm，芯片规模为256×1，光谱响应范围是0.9μm～1.7μm。将1条256×1的InGaAs线列芯片1与1条256×1规模的读出电路2通过In柱倒焊互连，形成256×1背照射焦平面模块。按图2所示，多通道数字式分光器6为128×1通道的短波红外分光器，在300μm～500μm厚度的蓝宝石片基片上、0.9μm～1.7μm的光谱范围内，不连续分布了128个光谱通道，f1与f2的中心距为100μm，每个光谱通道的带宽为3nm，透过率为50％～60％，单个通道内的光谱噪声小于1％，通道间的串音小于1％，在分光通道以外的区域沉积了短波红外波段透过率小于0.1％的光学薄膜。按图3所示，在金属管壳8内，采用银浆焊接半导体致冷器5，120℃高温固化6～8小时，然后环氧胶胶接过渡电极板3，60℃固化12～18小时。在过渡电极板3上，采用环氧胶胶接测温电阻4，对中装配背照射256×1焦平面模块，读出电路2与过渡电极板3采用Ф25μm～Ф50μm的Si/Al丝通过超声楔焊进行电学连接。在50倍高精度投影仪下，将128×1通道数字式分光器6与256×1背照射InGaAs线列芯片1对准装配，光谱通道以外的边缘区域进行金属铟焊，f1通道对应p1、p2光敏元，f2通道对应p3、p4光敏元，依次类推，f128通道对应p255、p256光敏元。过渡电极板3与金属管壳8的引脚，采用Ф25μm～Ф50μm的Si/Al丝通过超声楔焊进行电学连接。窗口7的边缘区域与盖板9开孔处进行金属铟焊，盖板9与金属管壳8通过平行缝焊的方式进行密封。实施例二：本实施例是128×1短波红外多通道集成光谱组件。按图1所示，背照射InGaAs线列芯片的光敏元长宽比为20:1，p1与p2中心距50μm，光敏元长度1000μm，芯片规模为256×1，光谱响应范围是0.9μm～1.7μm。将1条256×1的InGaAs线列芯片1与1条256×1规模的读出电路2通过In柱倒焊互连，形成256×1背照射焦平面模块。按图2所示，多通道数字式分光器6为128×1通道本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种短波红外多通道集成光谱组件，包括高长宽比InGaAs线列光敏芯片(1)、读出电路(2)、过渡电极板(3)、测温电阻(4)、半导体致冷器(5)、多通道数字式分光器(6)、窗口(7)、金属管壳(8)与盖板(9)，其特征在于：所述的高长宽比InGaAs线列光敏芯片(1)与读出电路(2)通过倒焊互连，多通道数字式分光器(6)通过边缘金属化焊接光谱通道以外的区域，直接与高长宽比InGaAs线列光敏芯片(1)耦合，集成到短波红外多通道集成光谱组件中，密封在一个金属管壳(8)的内部，在微小区域内构成有多个光谱通道的集成光谱组件。

【技术特征摘要】
2015.07.16 CN 20151041671261.一种短波红外多通道集成光谱组件，包括高长宽比InGaAs线列光敏芯片(1)、读出电路(2)、过渡电极板(3)、测温电阻(4)、半导体致冷器(5)、多通道数字式分光器(6)、窗口(7)、金属管壳(8)与盖板(9)，其特征在于：所述的高长宽比InGaAs线列光敏芯片(1)与读出电路(2)通过倒焊互连，形成焦平面模块，胶接在过渡电极板(3)上；在高长宽比InGaAs线列光敏芯片(1)上对准装配多通道数字式分光器(6)；在金属管壳(8)内，焊接半导体致冷器(5)；半导体致冷器(5)上胶接过渡电极板(3)；测温电阻(4)胶接过渡电极板(3)上；窗口(7)焊接在盖板(9)上；盖板(9)与金属管壳(8)进行焊接密封；其中，读出电路(2)与过渡电极板(3)通过金属丝实现电学连接，过渡电...

【专利技术属性】
技术研发人员：邵秀梅，周东平，方家熊，程吉凤，徐勤飞，黄松垒，陈郁，
申请(专利权)人：中国科学院上海技术物理研究所，上海晶鼎光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31