一种全波长范围光谱传感器、物质分析的系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种全波长范围光谱传感器、物质分析的系统及方法，传感器解决方案的组件包括：镀金陶瓷基板上的结构、一系列紫外波长区域的金属氧化物发射器、一系列可见光波长区域的有机发射器，近红外波长区域的一系列有机发射器、互补金属氧化物半导体(CMOS)UV

【技术实现步骤摘要】
一种全波长范围光谱传感器、物质分析的系统及方法


[0001]本专利技术涉及传感器领域，具体涉及一种全波长范围光谱传感器、物质分析的系统及方法。

技术介绍

[0002]光谱学广泛用于学术研究、医疗实践和工业环境中，用于分析物质的化学成分和组成。通过获取各类物质与不同能量(波长)的光之间的相互作用模式，可以实时、无创地分析光谱响应或化学指纹。光谱分析技术种类繁多，主要因波长覆盖范围和光学设计的不同而不同，但很少可供消费者级光谱应用的方案。消费级应用的主要限制是缺乏可靠、微型和经济高效的光谱分析解决方案，尤其是以紧凑型传感器的形式。近年来，随着芯片组技术的发展，越来越多的微型和低成本光谱传感器被报道。然而，大多数解决方案都是基于硅基半导体的微机电加工系统(MEMS)技术。硅的性质限制了其对UV
‑
Vis
‑
swNIR区域(200
‑
1000nm)的光子响应，从而限制了其分析的动态灵敏度。在红外区使用GaAs和InP的阵列传感器解决方案也被报道，但是对于消费级应用来说，成本相对过高。一般来说，为了获得可靠的光谱分析结果，需要获得尽可能宽的波长覆盖范围，并尽可能去除环境噪声。特别地，在面向消费者提供完整的解决方案之前，需要解决三个主要问题：1.一种高度紧凑的集成芯片组，允许广泛的波长覆盖范围，从而在UV
‑
Vis
‑
IR区域提供有效的光谱响应；2.一种微型内置控制系统，可为消费类电子设备应用提供合适的小型传感器尺寸；3.一种稳定的信号生成/处理机制，提供可靠、稳定的光谱信号，消除环境噪声，同时允许从调制发射器中检测到光谱信号。
[0003]光谱仪或光谱传感器产生具有不同能量(波长)的光，让光与感兴趣的物质相互作用，并在相互作用后检测不同光(即能量)的响应，产生一系列光谱数据。不同物质的光谱可以通过可视化、对比或使用算法去处理和分析，以获得符合个人需求的分析结果。传统的光谱仪由三个主要部件组成：光源、分光单元和检测单元。这三个单元都组装在一个具有精确位置的光学几何结构中。光学几何结构通常很复杂，占据了很大的体积，由于使用了各种复杂的光学元件，使得传统光谱仪的尺寸很大，成本很高。为了缩小光谱传感器的尺寸和降低成本，人们对光谱传感器进行了许多创新。MEMS技术已被应用于减小光学几何尺寸，然而，基于硅的基板将其敏感波长范围限制在1000nm以下。量子点和纳米棒/线材料已被用于修改硅基光子阵列，取代传统的分光单元(光栅或干涉滤光片)，但微型传感器芯片组仍然受到硅材料波长(300
‑
1000nm)覆盖范围的限制。InGaAs光子转换器已与MEMS技术集成，以提供中近红外覆盖，但光栅和光学布局的使用仍然使解决方案成本高昂。一种有希望的方法是利用专门设计的发光材料(即产生有限能量范围的发射器)提供光分化，这也可以减少复杂光学布局的麻烦。由于可用材料的限制，这种方法通常仅限于几个波长通道和较窄的波长覆盖范围。
[0004]有机发光二极管(通常称为OLED)利用有机发光材料，在两侧通电时从有机发光层(EML)产生发射光。它通常用于制造显示器，提供低能耗和可靠的色彩再现性。OLED材料的
优点是发射光谱稳定、带宽窄、能耗低，是微型光谱传感器的理想材料。更重要的是，有机分子结构可以通过添加或去除化学基团轻松修改其性质，从而可以微调发射光谱以满足需求。例如，在结构中添加更多的芳香环通常会导致发射红移(到更长的波长)，从而使可调谐发射和更好的光敏分辨率成为可能。
[0005]通过提供多个稳定光源和通过减少环境噪声来提供具有准确结果的光谱感测来解决现有问题。与传统的汞/卤素光源相比，电脉冲调制的LED和OLED提供了更好的发射均匀性和再现性。更重要的是，数字调制光源可以编程到不同的频域，通过傅里叶变换信号过滤去除环境噪声，并允许同时从多个光源采集数据。通过重构算法，将经过数字调制的光获取的信号重构为全光谱，为各种不同的应用做好了准备。

技术实现思路

[0006]本专利技术所要解决的技术问题是一种全波长范围光谱传感器、物质分析的系统及方法，传感器既覆盖了硅检测(200
‑
1000nm)的UV
‑
Vis
‑
swNIR区域，也覆盖了InGaAs检测(900
‑
1700nm)的swNIR中近红外区域，其数字调制发射允许快速去除环境噪声，本专利技术可广泛应用于各种日常场景中，为终端用户的生活提供便利和益处。
[0007]本专利技术是通过以下技术方案来实现的：一种全波长范围光谱传感器，包括支持四个功能区的镀金绝缘基板，其包括第一功能区、第二功能区、第三功能区以及第四功能区，其中，第一功能区包括多个紫外发射器，发射波长范围约为200nm
‑
400nm；第二功能区包括多个可见发射器，发射波长范围约为400nm
‑
800nm，第三功能区包括多个近红外发射器，发射波长范围约为800nm1700nm)，第四功能区包括第一检测窗口和第二检测窗口，其中第一检测窗口包括一个或多个CMOS检测器，用于检测约200950nm范围内的波长，第二检测窗口包括一个或多个InGaAs检测器，用于检测约950
‑
1700nm范围内的波长；
[0008]波长范围约200nm
‑
1700nm的阻挡壁，由第一、第二和第三功能区限定，该阻挡壁包围第四功能区；
[0009]UV
‑
NIR透明玻璃，覆盖第一、第二、第三和第四功能区，并充满惰性气体的内部空间；
[0010]还包括用于控制发光/检测的微电路。
[0011]作为优选的技术方案，所述绝缘基板为陶瓷基板，所述陶瓷基板为氮化铝基板。
[0012]作为优选的技术方案，所述第一功能区设置在基板的顶部区域，第二功能区设置在第一功能区下方且在基板的左半边，第三功能区设置在基板的底部区域，第一功能区下方且位于基板的右半边，其中光检测区位于基板的中央位置。
[0013]作为优选的技术方案，所述第一功能区、第二功能区和第三功能区中的每一个分别包括多个隔间。
[0014]作为优选的技术方案，所述第一功能区包括4至16个隔间，或者不少于4个隔间，每个隔间包括多个紫外发射器中的一个或多个。
[0015]作为优选的技术方案，所述第一功能区具有八个单独的隔间，紫外发射器用于在操作期间支持大电流的金属氧化物材料。
[0016]作为优选的技术方案，所述多个紫外发射器包括8个发射器，所述发射器包括250nm、260nm、270nm、280nm、365nm、375nm、383nm和393nm的发射中心，每个发射中心
±
6nm。
[0017]作为优选的技术方案，所述第二功能区包括8
‑
20个隔间，或者不少于8个隔间，每个隔间包括多个可见发射器中的一个或多个。
[0018]作为优选的技术方案，可本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种全波长范围光谱传感器，其特征在于：包括支持四个功能区的镀金绝缘基板，其包括第一功能区、第二功能区、第三功能区以及第四功能区，其中，第一功能区包括多个紫外发射器，发射波长范围约为200nm
‑
400nm；第二功能区包括多个可见发射器，发射波长范围约为400nm
‑
800nm，第三功能区包括多个近红外发射器，发射波长范围约为800nm 1700nm)，第四功能区包括第一检测窗口和第二检测窗口，其中第一检测窗口包括一个或多个CMOS检测器，用于检测约200
‑
950nm范围内的波长，第二检测窗口包括一个或多个InGaAs检测器，用于检测约950
‑
1700nm范围内的波长；波长范围约200nm
‑
1700nm的阻挡壁，由第一、第二和第三功能区限定，该阻挡壁包围第四功能区；UV
‑
NIR透明玻璃，覆盖第一、第二、第三和第四功能区，并充满惰性气体的内部空间；还包括用于控制发光/检测的微电路。2.根据权利要求1所述的全波长范围光谱传感器，其特征在于：所述绝缘基板为陶瓷基板，所述陶瓷基板为氮化铝基板。3.根据权利要求1所述的全波长范围光谱传感器，其特征在于：所述第一功能区设置在基板的顶部区域，第二功能区设置在第一功能区下方且在基板的左半边，第三功能区设置在基板的底部区域，第一功能区下方且位于基板的右半边，其中光检测区位于基板的中央位置。4.根据权利要求1所述的全波长范围光谱传感器，其特征在于：所述第一功能区、第二功能区和第三功能区中的每一个分别包括多个隔间。5.根据权利要求4所述的全波长范围光谱传感器，其特征在于：所述第一功能区包括4至16个隔间，或者不少于4个隔间，每个隔间包括多个紫外发射器中的一个或多个。6.根据权利要求5所述的全波长范围光谱传感器，其特征在于：所述第一功能区具有八个单独的隔间，紫外发射器用于在操作期间支持大电流的金属氧化物材料。7.根据权利要求6所述的全波长范围光谱传感器，其特征在于：所述多个紫外发射器包括8个发射器，所述发射器包括250nm、260nm、270nm、280nm、365nm、375nm、383nm和393nm的发射中心，每个发射中心
±
6nm。8.根据权利要求4所述的全波长范围光谱传感器，其特征在于：所述第二功能区包括8
‑
20个隔间，或者不少于8个隔间，每个隔间包括多个可见发射器中的一个或多个。9.根据权利要求8所述的全波长范围光谱传感器，其特征在于：可见光发射器采用有机发光材料。10.根据权利要求8所述的全波长范围光谱传感器，其特征在于：所述第二功能区具有十二个隔间。11.根据权利要求10所述的全波长范围光谱传感器，其特征在于：多个可见光发射器包括布置在十二个隔间内的十六个发射器，八个为所述多个可见光发射器中的一个的单层布局，并且八个为所述多个可见发射器中的两个的双层布局，可见发射器包括450nm、460nm、515nm、525nm、560nm、570nm、602nm、612nm、625nm、635nm、662nm、672nm、695nm、705nm、798nm和808nm的发射中心，每个
±
6nm。12.根据权利要求4所述的全波长范围光谱传感器，其特征在于：所述第三功能区包括4至16个隔间，或者不少于10个隔间，每个隔间包括所述多个NIR发射器中...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘玮，程建军，张涵，王文港，黄利国，
申请(专利权)人：深圳市威视佰科科技有限公司，
类型：发明
国别省市：