一种集成式红外带通滤波器及其制造方法和光谱仪技术

本发明专利技术公开了一种集成式红外带通滤波器及其制造方法和光谱仪。该集成式红外带通滤波器包括一金属层，所述金属层中形成贯通的微米或纳米孔阵列，通过微米或纳米金属孔的光的特征波长λmax满足以下公式：

An integrated infrared bandpass filter and its manufacturing method and spectrometer

The invention discloses an integrated infrared band pass filter, a manufacturing method and a spectrometer. The integrated infrared band pass filter consists of a metal layer, and a micro or nano hole array is formed in the metal layer. The characteristic wavelength of lambda max meets the following formula through micron or nano metal hole.

【技术实现步骤摘要】
一种集成式红外带通滤波器及其制造方法和光谱仪
本专利技术涉及光学领域，特别是涉及一种集成式红外带通滤波器及其制造方法和光谱仪。
技术介绍
物质的光谱含有物质的大量化学信息，每一种物质均有对应的特征光谱，因此探测物质的光谱可以分析物质的化学组分，在地理遥感、污染遥感监测、无创医疗诊断以及军事目标的识别等领域具有广泛的应用前景。然而，目前的光谱分析技术主要依赖光栅分光或者多个分立带通滤波片进行分光，前者体积庞大，速度慢，不能满足小型化、快速化的应用要求；而后者只能探测少数几个波长上的信息。本专利技术提出通过刻蚀技术或剥离技术制备垂直纳米或微米柱体、或纳米或微米孔进而进一步形成垂直的金属孔。本专利技术通过一次性大规模形成直径和周期不同的金属孔阵列，对红外入射光在大量波长上进行分光，从而实现微型的高精度的光谱分光。
技术实现思路
本专利技术针对上述技术问题，提出了一种集成式红外带通滤波器及其制造方法和光谱仪，其可以将大量选通波长不同的微型带通滤波器，通过一次加工大规模集成在很小的芯片上，具有高集成度的优点。本专利技术的一个方面是提供了一种集成式红外带通滤波器，包括一金属层，所述金属层中形成贯通的微米或纳米孔阵列，通过微米或纳米金属孔的光的特征波长λmax满足以下公式：这里，a表示金属孔的排列周期，i和j表示与阵列散射阶次相关的整数，εm和εd分别表示金属和介电材料的介电常数。优选地，具有多个金属孔阵列，各阵列具有不同的金属孔排列周期和/或金属孔形状和/或金属孔排列方式。优选地，所述金属孔为圆柱体或方柱体或横截面为六边形或多边形的柱体。优选地，所述金属孔的排列方式为正方形或蜂窝形，所述蜂窝形为以一个金属孔为中心，与周围的金属孔形成正六边形。优选地，所述金属为Cr、Al、Au和Ag中的任意一种。优选地，金属孔的排列周期a＝2～20微米。本专利技术的另一个方面是提供了前述集成式红外带通滤波器的一种制造方法，包括以下步骤：a.在衬底基板上各向同性地沉积一金属薄膜层，所述衬底基板为不吸收红外线的材料，所述金属层厚度为50纳米至500纳米；b.在所述金属层上形成一光刻胶层或电子束胶层；c.通过光刻技术在所述光刻胶层或通过电子束曝光在所述电子束胶层形成中空的微米或纳米孔阵列，所述微米或纳米孔具有特定形状；d.利用刻蚀技术去除所述微米或纳米孔内暴露的金属层；以及e.通过去胶溶剂去除残留的所述光刻胶或电子束胶，形成微米或纳米金属孔阵列。本专利技术的再一个方面是提供了上述集成式红外带通滤波器的另一种制造方法，包括以下步骤：a.在衬底基板上形成一光刻胶层或电子束胶层；b.通过光刻技术在所述光刻胶层或通过电子束曝光在所述电子束胶层形成微米或纳米柱体阵列，所述微米或纳米柱体具有特定形状，所述微米或纳米柱体之间暴露所述衬底基板；c.在所述暴露的衬底基板的表面和所述微米或纳米柱体的表面各向同性地层积一金属薄膜层；以及d.通过去胶溶剂去除所述微米或纳米柱体及其上的金属薄膜层，形成微米或纳米金属孔阵列。优选地，所述规定形状为圆形或方形或六边形或多边形的对称图形。优选地，步骤b中所述蚀刻技术为干法蚀刻或湿法化学蚀刻。优选地，所述衬底材料为CaF或Ge或光敏芯片。本专利技术的又一个方面是提供了一种光谱仪，包括：根据前述的集成式红外带通滤波器，以及设置在所述红外带通滤波器下方的光电探测器，其中，所述集成式红外带通滤波器的每个金属孔底部均设有一个探测器以将不同波长的红外光转换成电学信号。优选地，将在所述集成式红外带通滤波器的直径或宽度相同的金属孔下面分别设置的多个探测器替换为一个大面积阵列光电探测器。本专利技术具有以下优点：1、本专利技术的集成式红外带通滤波器通过改变金属孔的大小和排布周期，可以将大量选通波长不同的微型红外带通滤波器，通过一次加工的办法大规模集成在很小的芯片上；2、本专利技术的工艺制造方法与CMOS工艺兼容，成本低。3、本专利技术的制造工艺简单、实用性强，可进行大批量生产。4、本专利技术的滤波器阵列对不同波长的红外光进行同时分光，具有速度快的优点。附图说明图1为本专利技术的集成式红外带通滤波器的结构示意图。图2为本专利技术的集成式红外带通滤波器的一种制造方法的示意图。图3为本专利技术的集成式红外带通滤波器的另一种制造方法的示意图。图4(a)为本专利技术的集成式红外带通滤波器芯片的示意图，图4(b)为其中一个滤波器芯片的放大图。图5(a)为本专利技术的滤波器芯片即多光谱分光芯片不同周期孔阵列的透射光谱；图5(b)为仿真及测试得到的孔阵列周期与其透射峰的位置关系对比图；图5(c)～(e)为红外成像图。图6(a)为本专利技术的集成式红外带通滤波器的工作原理示意图；图6(b)以周期为4微米的阵列为例，展示了未放样前的透射光谱以及计算得到的每单位面积入射光子数；图6(c)同样以周期为4微米的阵列为例，展示了放样后的透射光谱以及计算得到的每单位面积入射光子数。图7(a)中曲线为通过傅里叶红外光谱仪所测得的碳酸钙红外光谱，点为计算所得的各个探测器放样后与放样前的光电流比值；图7(b)中曲线为通过傅里叶红外光谱仪所测得的碳酸钾红外光谱，点为计算所得的各个探测器放样后与放样前的光电流比值。图8为本专利技术的一实施例的光谱仪的结构示意图。具体实施方式在下列说明中，为了提供对本专利技术的彻底了解而提出许多具体细节。本专利技术可在不具有部分或所有这些具体细节的情况下实施。在其他情况下，为了不对本专利技术造成不必要的混淆，不详述众所周知的过程操作。虽然本专利技术将结合具体实施例来进行说明，但应当理解的是，这并非旨在将本专利技术限制于这些实施例。图1为本专利技术的集成式带通滤波器的结构示意图。如图1所示，本专利技术的集成式带通滤波器包括一金属薄膜层1，该金属薄膜层1中形成贯通的微米或纳米孔阵列即金属微米或纳米孔阵列2，通过该金属微米或纳米孔(金属孔)2的光的特征波长λmax满足以下公式：这里，a表示金属孔的排列周期，i和j表示与阵列散射阶次相关的整数，εm和εd分别表示金属和介电材料的介电常数。优选地，a＝2～20微米。本专利技术中，所述金属层1中的金属可以为任意金属，比如可以是常见的Cr、Al、Au和Ag中的任意一种。优选金(Au)或银(Ag)，集成式红外带通滤波器的光透过率较高。本实施例中，所述金属孔2为圆柱体。在另外的实施例中，金属孔也可以为方柱体或者横截面为六边形或多边形的柱体。另外，金属微米或纳米孔阵列2与透过孔的光强有关，阵列越密，光强越大。金属孔2的排布方式可以正方形，也可以是蜂窝型。所述蜂窝形为以一个金属孔为中心，周围的金属孔连起来形成正六边形。上述金属微米或纳米孔2的物理尺寸及排布方式等可以通过仿真软件设计来确定。仿真软件例如可采用现有的商业Lumerical的FDTDSolution模块。通过FDTDSolution模块设计金属纳米或微米孔的物理尺寸以及排布方式，可以使其吸收光谱位于所需波长范围之内。具体地，选定仿真区域并设置X、Y方向为周期性边界条件，光源由X、Y方向线偏振光相叠加，以模拟平行光并沿Z方向传播，即可模拟纳米或微米孔的滤波效果并得到透射谱图。通过仿真软件，可获得金属孔2选通的具体波长与单个金属孔2的孔径周期有关，即近似满足前述公式(1)。图2为本专利技术的集成式带通滤波器的一种制造方法的示意图。如图2(a)～(c)所示，制造方法包本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种集成式红外带通滤波器，其特征在于，包括一金属层，所述金属层中形成贯通的微米或纳米孔阵列，通过微米或纳米金属孔的光的特征波长λmax满足以下公式：

【技术特征摘要】
1.一种集成式红外带通滤波器，其特征在于，包括一金属层，所述金属层中形成贯通的微米或纳米孔阵列，通过微米或纳米金属孔的光的特征波长λmax满足以下公式：这里，a表示金属孔的排列周期，i和j表示与阵列散射阶次相关的整数，εm和εd分别表示金属和介电材料的介电常数。2.根据权利要求1所述的集成式红外带通滤波器，其特征在于，具有多个金属孔阵列，各阵列具有不同的金属孔排列周期和/或金属孔形状和/或金属孔排列方式。3.根据权利要求1所述的集成式红外带通滤波器，其特征在于，所述金属孔为圆柱体或方柱体或横截面为六边形或多边形的柱体。4.根据权利要求1所述的集成式红外带通滤波器，其特征在于，所述金属孔的排列方式为正方形或蜂窝形，所述蜂窝形为以一个金属孔为中心，与周围的金属孔形成正六边形。5.根据权利要求1所述的集成式红外带通滤波器，其特征在于，所述金属为Cr、Al、Au和Ag中的任意一种。6.根据权利要求1所述的集成式红外带通滤波器，其特征在于，金属孔的排列周期a＝2～20微米。7.根据权利要去1-6中任一项所述的一种集成式红外带通滤波器的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：a.在衬底基板上各向同性地沉积一金属薄膜层，所述衬底基板为不吸收红外线的材料，所述金属层厚度为50纳米至500纳米；b.在所述金属层上形成一光刻胶层或电子束胶层；c.通过光刻技术在所述光刻胶层或通过电子束曝光在所述电子束胶层形成中空的微米或纳米孔阵列，所述微米或纳米孔具有特定形状；d.利用...

【专利技术属性】
技术研发人员：但亚平，王昂，
申请(专利权)人：扬中市恒海电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32