本发明专利技术公开一种位在一硅晶绝缘体(SOI)晶圆上，以CMOS技术整合的傅立叶转换红外光(FTIR)光谱仪。本发明专利技术完全整合于一精巧、微型、低成本及CMOS制造兼容芯片。本发明专利技术可在1.1μm到15μm范围内的各种红外光区运作，或可一次覆盖1.1μm到15μm的全光谱。所述CMOS-FTIR光谱仪具有高光学分辨率，无可移动部件，无光学镜片，精巧，在恶劣外部环境下不易损坏之特性，以及可用标准CMOS技术制造，使得FTIR光谱仪可大量生产。所述完全整合CMOS-FTIR光谱仪可用电池运作，所需的功能可用标准CMOS技术集成到单一芯片上。本公开发明专利技术的FTIR光谱仪亦可改造成一CMOS-拉曼光谱仪。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】整合CMOS-FTIR测定及拉曼测定的光谱仪及其方法
本专利技术涉及一种光谱测定领域。
技术介绍
互补金属氧化物半导体(ComplementaryMetal Oxide Semiconductor, CMOS)技术已成为一项成熟的，并可大规模生产以降低成本的制造技术。现有傅立叶转换红外光(Fourier Transform Infrared, FTIR)光谱仪因为体积庞大，并包括许多光学装置、镜片及可移动部件，使得成本较高，故仅适合在实验室环境中使用。近年来，微型化FTIR光谱仪已经问市，有些整合微机电系统(Microelectomechanical System, MEMS),有些则使用光纤，这些微型化FTIR光谱仪皆具有盒子(small box)般大小，其成本仍居高不下，且仍使用较易受损的光学组件、透镜以及可移动式镜子。近红外区、中红外区及长波红外区(如1.lum-15um)的FTIR光谱仪均有大量的应用。这些红外光区可以提供不同有机和无机材料的显着特征，所以被称之为“指纹区”，在分析化学、生物化学、材料研究、环境感应、化学生物感应、状态维护及医疗诊断等，均有多样的应用。FTIR光谱仪也可以用来识别化学键类型的最佳工具。现有的FTIR光谱仪为大型水平装置，造价昂贵(数十万美金以上)且只能在实验室或研究机构中使用。尽管近年已有较小型的FTIR光谱仪，但体积仍过于庞大，且造价居高不下。不仅上述光谱仪之中的光学、透镜及可移动部件在容易偏移或故障，此外通过激光以控制致动器(actuator)来调整可移动式镜片速率的控制手段，都会增加传统FTIR光谱仪的复杂度及成本。据我们所知，目前仍然无新专利技术可使FTIR光谱仪不但无需可移动部件、且具有低成本、微型化且低能耗等优点。如有此专利技术，不仅在FTIR光谱分析法市场，更可在消费/商业及工业产品上开拓新市场。
技术实现思路
本专利技术的一实施例提供一光谱仪，其包含:分隔成N个波长间隔A入” i = 1，..，N的宽带红外光信号，使得每一波长间隔仅以其基本模式传播；以及在硅波导中经由调变而产生干涉图的装置。在另一实施例中，所述光谱仪另包含宽带红外光源，用来产生所述宽带红外光信号，所述宽带红外光源集成于所述光谱仪的电路上。在另一实施例中，所述经由调变而产生的干涉图是根据硅的热光效应而产生。在另一实施例中，所述经由调变而产生的干涉图是根据硅的等离子色散效应或是自由载流子吸收效应而产生。在另一实施例中，所述光谱仪另包含经由感应温度以获得高光谱精确度的装置。在另一实施例中，所述光谱仪包含集成于芯片上的采样接口，所述采样接口在所述硅波导中执行衰减全反射法，使得所述光线到达一红外光侦测器时，所述光线不会离开所述波导，而仅会从所述波导衍射或耦合。在另一实施例中，所述光谱仪包含集成于芯片上的采样接口，所述采样接口通过衍射光栅达到外部反射，以调整光线角度。在另一实施例中，所述光谱仪包含热探测微测热辐射计，所述热探测微测热辐射计集成于所述光谱仪的电路上。在另一实施例中，所述光谱仪用来执行包含模拟数字转换的运算，以提升差分差值放大器(differential difference amplifier, DDA)的灵敏度。在另一实施例中，所述光谱仪是整合CMOS-FTIR测定的光谱仪。在另一实施例中，所述光谱仪是整合CMOS-拉曼测定的光谱仪。在另一实施例中，所述光谱仪使用氮化硅使其侦测的波长达到11 U m，以及使用可穿透15 ii m红外光的材料使其侦测的波长达到15 u m。本专利技术提供一种光谱测定的方法，包含:将一宽带红外光信号分割具有N个波长间隔A = 1，..，N，使得每一波长间隔仅以其基本模式传播；以及在硅波导中，经由调变而产生干涉图。在另一实施例中，提供集成一宽带红外光源于一光谱仪的电路上，所述宽带红外光源用来产生所述宽带红外光信号。在另一实施例中，所述经由调变而产生的干涉图是根据硅的热光效应而产生。在另一实施例中，所述经由调变而产生的干涉图是根据硅的等离子色散效应或是自由载流子吸收效应而产生。[0021 ] 在另一实施例中，经由感应温度以获得高光谱精确度。在另一实施例中，提供集成于芯片上的采样接口，所述采样接口在所述硅波导中执行衰减全反射法，使得所述信号与样本相互作用。在另一实施例中，提供集成于芯片上的采样接口，所述采样接口通过衍射光栅达到外部反射，以调整光线角度。提供热探测微测热辐射计用来感应温度，所述热探测微测热辐射计集成于光谱仪的电路上。在另一实施例中，执行包含模拟数字转换的运算，以提升差分差值放大器(differential difference amplifier, DDA)的灵敏度。在另一实施例中，所述方法是应用于一整合CMOS-FTIR光谱仪。所述方法是应用于一整合CMOS-拉曼光谱仪。使用氮化硅使其侦测的波长达到11 U m，以及使用可穿透15um红外光的材料使其侦测的波长达到15 u m。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，下面描述中的附图仅仅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。【附图说明】图1绘示在SOI芯片上发展的整合CMOS-FTIR光谱仪的功能方块图；图2为在SOI芯片上形成聚碳化硅红外光发射器的各制造流程的横截面图；图3为一硅波导结构图，包含(a)结构透视图；(b)在轴与边界情况下，处理TE及TM型式；(c)有效折射率法的第一步骤的波导的二维横截面图；(d)有效折射率法的第二步骤的波导的俯视图，其中所述硅折射率取代(C)的处理法；图4为波导为高度220nm及宽度为600nm at入Q = 1.4um的能量散布率及有效折射率示意图；图5为有各种波导宽度的布拉格滤波器，可转换所述有效折射率；图6为MZI干涉仪的俯视图，其中(a)为使用多模干涉(Multi ModeInterference, MMI)稱合器，(b)为使用Y形分叉管组合器；图7为与输出端耦合之电源图示，当以丽I耦合器作为一给定波长的MZI两臂间的相位差函数时；图8绘示形成MZI的其中一臂的各制造流程横截面图，其中所述MZI受硅热光效应调变；图9为丽I组合器；图10为当两输入端(a)在同相位，(b)在所述相位外时，所述丽I的模拟结果；图11为本实施例的干涉仪；图12为使用ATR法的采样接口俯视示意图；图13为使用ATR法的采样接口横截面示意图；图14为使用折射模式的采样接口横截面示意图；图15为使用于ATR采样接口的非制冷非晶硅微测热辐射计的各制造流程的示意图；图16为外部反射采样接口的非制冷非晶硅微测热辐射计示意图；图17为非晶硅侦测器的直流偏压电路；图18绘示DDA的范例；图19为DDA测量放大器示例，所述放大器可经两个外部电阻器编程，以获得(R1+R2)/R1；图20为波长可达到11 U m的CMOS-FTIR光谱仪延伸示例；图21为本专利技术CMOS-拉曼光谱仪输入波导接口的横截面图；以及图22为一某波长间隔的CMOS-拉曼光谱仪高波导接口俯视示意图。【具体实施方式】本专利技术依规定将详细的实施例揭露如下，然而读者应可本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种光谱仪，其特征在于，包含：(a)分隔成N个波长间隔Δλi,i＝1,..,N的宽带红外光信号，使得每一波长间隔仅以其基本模式传播；以及(b)在硅波导中经由调变而产生干涉图的装置。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.02.15 US 61/442,9791.一种光谱仪，其特征在于，包含: (a)分隔成N个波长间隔AX i, i = 1，..，N的宽带红外光信号,使得每一波长间隔仅以其基本模式传播；以及 (b)在硅波导中经由调变而产生干涉图的装置。2.如权利要求1所述的光谱仪，其特征在于，所述光谱仪另包含宽带红外光源，用来产生所述宽带红外光信号，所述宽带红外光源集成于所述光谱仪的电路上。3.如权利要求1所述的光谱仪，其特征在于，所述经由调变而产生的干涉图是根据硅的热光效应而产生。4.如权利要求1所述的光谱仪，其特征在于，所述经由调变而产生的干涉图是根据硅的等离子色散效应或是自由载流子吸收效应而产生。5.如权利要求1所述的光谱仪，其特征在于，所述光谱仪另包含经由感应温度以获得高光谱精确度的装置。6.如权利要求1所述的光谱仪，其特征在于，包含集成于芯片上的采样接口，所述采样接口在所述硅波导中执行衰减全反射法，使得所述光线到达一红外光侦测器时，所述光线不会离开所述波导，而仅会从所述波导衍射或耦合。7.如权利要求1所述的光谱仪，其特征在于，包含集成于芯片上的采样接口，所述采样接口通过衍射光栅达到外部反射，以调整光线角度。8.如权利要求1所述的光谱仪，其特征在于，包含热探测微测热辐射计，所述热探测微测热辐射计集成于所述光谱仪的电路上。9.如权利要求1所述的光谱仪，其特征在于，所述光谱仪用来执行包含仿真数字转换的运算，以提升差分差值放大器(differential difference amplifier, DDA)的灵敏度。10.如权利要求1所述的光谱仪，其特征在于，所述光谱仪是整合CMOS-FTIR测定的光谱仪。11.如权利要求1所述的光谱仪，其特征在于，所述光谱仪是整合CMOS-拉曼测定的光谱仪。12.如权利要求1所述的光谱仪，其特征在于，所述光谱仪使用氮化硅使其侦测的波长达到11...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨纳森·丹特勒，欧尔理·亚迪德佩科特，
申请(专利权)人：勒克思马克斯科技公司，
类型：
国别省市：
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