单片集成的图像传感芯片及光谱识别设备制造技术

本发明专利技术涉及成像及光谱识别技术领域，尤其涉及单片集成的图像传感芯片及光谱识别设备。该芯片的光调制层集成在图像传感层的上面，光调制层包括沿其厚度方向设置的至少一层子调制层；每组像素确认模块均包括调制单元和感应单元，光调制层沿其表面分布有至少一组调制单元，图像传感层上分布有至少一组感应单元，每组调制单元分别与至少一组感应单元上下对应设置；信号处理电路层连接在图像传感层的下面，并分别与各个感应单元电连接。该芯片及设备实现了分光部件与晶圆的单片集成，能实现高光谱成像，有利于降低器件失效率，提高器件的成品良率，并且性能稳定，不易受外界环境的影响。

【技术实现步骤摘要】
单片集成的图像传感芯片及光谱识别设备
本专利技术涉及成像及光谱识别
，尤其涉及单片集成的图像传感芯片及光谱识别设备。
技术介绍
高光谱成像技术是一种将光谱探测和成像有机结合的技术，能够对某一物体进行不同光谱下的成像，同时获得被探测物体的几何形状信息和光谱特征。高光谱成像技术已经成为对地观测和深空探测的重要手段，被广泛应用于农牧林生产、矿产资源勘查、文物检测、海洋遥感、环境监测、防灾减灾、军事侦察等领域。随着搭载平台的逐步小型化，如小卫星、无人机等小型平台，以及野外应用的续航需求，对高光谱成像设备小型化、轻量化的需求越来越突出。传统高光谱成像设备分光部件与光探测部分是分立的，入射光经过光栅、棱镜或分束/合束器后，由光探测器阵列探测得到入射光频谱信息。所以传统高光谱成像设备需要对各个分立的部件进行固定、组装、精确对准等操作，这导致了它们结构复杂、体积难以进一步缩小且成本高昂。另外，由于每个分立部件的位置和性能的偏移导致的系统误差会累积，使得现有的高光谱成像设备易受外界环境如温度变化、振动等的干扰，需要严格精确地对准且需要采取各种措施如制冷、减震等保证系统的稳定性。现有技术中，有将多个滤波器单片集成在CMOS图像传感器(英文简称为CIS，即CMOSimagingsensor)上的结构，将分光部件与CIS晶圆集成在一起，其中作为分光部件的多个滤波器对应中心波长不同的法布里-珀罗干涉仪。但该技术能测量的波段数目有限，无法实现高光谱成像，且制备工艺复杂，需要多次光刻、刻蚀/沉积，存在着工艺误差累积，导致器件性能均匀性较差、器件失效等问题。
技术实现思路
(一)专利技术目的本专利技术的目的是提供了一种单片集成的图像传感芯片及光谱识别设备，实现了分光部件与晶圆的单片集成，工艺简单，无需多次光刻、刻蚀/沉积，有利于降低器件失效率，提高器件的成品良率，而且体积、重量和成本远小于传统高光谱成像器件，并且性能稳定，不易受外界环境的影响。(二)技术方案为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种图像传感芯片，包括光调制层、图像传感层、信号处理电路层以及至少两组像素确认模块，所述光调制层集成在所述图像传感层的上面，所述光调制层包括沿其厚度方向设置的至少一层子调制层；每组所述像素确认模块均包括调制单元和感应单元，所述光调制层沿其表面分布有至少一组所述调制单元，所述图像传感层上分布有至少一组所述感应单元，每组所述调制单元分别与至少一组所述感应单元上下对应设置；所述信号处理电路层连接在所述图像传感层的下面，并分别与各个所述感应单元电连接。在部分实施例中，所述图像传感层为CIS晶圆。在部分实施例中，每层所述子调制层上分别分布有沿所述子调制层厚度方向设置的若干个调制孔；所述子调制层为两层或两层以上，且各层的各个所述调制孔上下一一对应设置。在部分实施例中，位于最下层的所述子调制层上的各个所述调制孔均为通孔或均为盲孔，其余所述子调制层上的各个所述调制孔均为通孔。在部分实施例中，所述图像传感层包括沿所述图像传感层厚度方向连接的光探测层和第一信号处理层；所述第一信号处理层连接在所述光调制层与所述光探测层之间，或是所述光探测层连接在所述光调制层与所述第一信号处理层之间。在部分实施例中，所述光调制层直接刻蚀在所述光探测层的上表面。在部分实施例中，每个所述调制单元内分别设有至少一个调制子单元，每个所述调制子单元内分别设有若干个调制孔，同一所述调制子单元内的各个所述调制孔排布成一具有特定排布规律的二维图形结构，所述二维图形结构的特定排布规律包括：同一所述二维图形结构内的所有所述调制孔同时具有相同的特定截面形状，各个所述调制孔按照结构参数大小渐变顺序成阵列排布；和/或同一所述二维图形结构内的各个所述调制孔分别具有特定截面形状，各个所述调制孔按照特定截面形状进行组合排列，并且所述排列的顺序为按照预设周期顺序逐行或逐列排布。在部分实施例中，所述感应单元包括至少一个感应子单元，各个所述感应子单元成矩阵排列，每个所述感应子单元内分别设有至少一个图像传感器，所有的所述感应子单元之间分别通过所述信号处理电路层电连接。在部分实施例中，还包括滤光层，所述滤光层包括若干组依序排列的滤光单元，各个所述滤光单元依序连接在所述光调制层的上面或者连接在所述光调制层与所述图像传感层之间。在部分实施例中，所述滤光单元包括透镜和/或滤光片，并且在所述所述滤光单元包括透镜和滤光片的状态下，所述透镜位于所述滤光片的上面。本专利技术还提供了一种光谱识别设备，包括：如上所述的图像传感芯片，设置在待成像物体的一侧，所述图像传感芯片用于接收来自于所述待成像物体的入射光，并利用各组像素确认模块分别对所述入射光进行光调制以得到至少两个调制后的光谱，并对各个所述调制后的光谱的光强分别进行感应探测，以分别确定各个像素点。(三)有益效果本专利技术的上述技术方案具有以下有益效果：1、本专利技术所述的图像传感芯片中，光调制层集成在图像传感层的上面，每组像素确认模块均包括调制单元和感应单元，光调制层沿其表面分布有至少一组调制单元，图像传感层上分布有至少一组感应单元，每组调制单元分别与至少一组感应单元上下对应设置，信号处理电路层连接在图像传感层的下面，并分别与各个感应单元电连接，从而构成单片集成的晶圆级别的图像传感芯片。该芯片可利用CMOS工艺一次流片制备完成，无需过多步骤的沉积、光刻及刻蚀工艺，极大地降低了高光谱图像传感器的工艺难度，有利于降低器件失效率，提高器件的成品良率，并降低成本，而且体积、重量和成本远小于传统高光谱成像器件，并且性能稳定，不易受外界环境的影响。2、本专利技术所述的图像传感芯片中，光调制层包括沿其厚度方向设置的至少一层子调制层，以增加光调制层对入射光的在频谱上的调制能力，对入射光采样能力更强，有利于提高光谱恢复精度。3、本专利技术所述的图像传感芯片中，利用CIS晶圆作为图像传感层，既能将在晶圆级别上实现分光部件与图像传感部件的单片集成，无需设置分立元件，更有利于设备的稳定性，极大地促进诸如成像光谱仪的物体成像设备的小型化和轻量化，在小型平台如小卫星、无人机等上的应用有广阔的前景；又能利用晶圆结构消除CMOS金属材质的信号处理层对入射光的影响，提高了器件的量子效率；还能最大程度减小感应单元与光调制层之间的距离，有利于缩小调制单元和感应单元的尺寸，实现更高的分辨率并降低封装成本。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例的光谱识别设备的成像原理图；图2为本专利技术实施例一的图像传感芯片的结构示意图；图3为本专利技术实施例一的图像传感芯片的正视剖视图；图4为本专利技术实施例一的光调制层的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种单片集成的图像传感芯片，其特征在于，包括光调制层、图像传感层、信号处理电路层以及至少两组像素确认模块，所述光调制层集成在所述图像传感层的上面，所述光调制层包括沿其厚度方向设置的至少一层子调制层；/n每组所述像素确认模块均包括调制单元和感应单元，所述光调制层沿其表面分布有至少一组所述调制单元，所述图像传感层上分布有至少一组所述感应单元，每组所述调制单元分别与至少一组所述感应单元上下对应设置；/n所述信号处理电路层连接在所述图像传感层的下面，并分别与各个所述感应单元电连接。/n

【技术特征摘要】
20200317 CN 20201018770201.一种单片集成的图像传感芯片，其特征在于，包括光调制层、图像传感层、信号处理电路层以及至少两组像素确认模块，所述光调制层集成在所述图像传感层的上面，所述光调制层包括沿其厚度方向设置的至少一层子调制层；
每组所述像素确认模块均包括调制单元和感应单元，所述光调制层沿其表面分布有至少一组所述调制单元，所述图像传感层上分布有至少一组所述感应单元，每组所述调制单元分别与至少一组所述感应单元上下对应设置；
所述信号处理电路层连接在所述图像传感层的下面，并分别与各个所述感应单元电连接。


2.根据权利要求1所述的单片集成的图像传感芯片，其特征在于，所述图像传感层为CIS晶圆。


3.根据权利要求1所述的单片集成的图像传感芯片，其特征在于，每层所述子调制层上分别分布有沿所述子调制层厚度方向设置的若干个调制孔；所述子调制层为两层或两层以上，且各层的各个所述调制孔上下一一对应设置。


4.根据权利要求3所述的单片集成的图像传感芯片，其特征在于，位于最下层的所述子调制层上的各个所述调制孔均为通孔或均为盲孔，其余所述子调制层上的各个所述调制孔均为通孔。


5.根据权利要求1所述的单片集成的图像传感芯片，其特征在于，所述图像传感层包括沿所述图像传感层厚度方向连接的光探测层和第一信号处理层；所述第一信号处理层连接在所述光调制层与所述光探测层之间，或是所述光探测层连接在所述光调制层与所述第一信号处理层之间。


6.根据权利要求5所述的单片集成的图像传感芯片，其特征在于，所述光调制层直接刻蚀在所述光探测层的上表面。


7.根据权利要求1-6任一项所述的单片集成的图像传感芯片，其特征在于，每个所述调制单元内分别设有至少一个调制子单元，每个...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔开宇，蔡旭升，朱鸿博，熊健，黄翊东，张巍，冯雪，刘仿，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11