FP腔与超表面协同调控的多通道滤波芯片及其制备方法与流程

本发明属于光谱分析与微纳制造，具体涉及一种fp腔与超表面协同调控的多通道滤波芯片及其制备方法。

背景技术：

1、随着全球工业检测、科研分析、环境监测等领域对光谱检测设备的小型化、便携化需求持续攀升，微型光谱仪成为近年来学术界与产业界的研究热点。在众多技术路线中，将微纳光学滤波元件与图像传感器芯片级集成的方案备受关注，其中基于法布里-珀罗微腔阵列和超表面阵列的滤波芯片是两大主流方向。

2、法布里-珀罗微腔根据多光束干涉原理，可实现特定波长的高选择性滤波。通过将不同腔长的fp腔阵列集成于图像传感器表面，结合后端重构算法，可从采集到的多通道信号中恢复被测物的完整光谱。该窄带滤波方案理论上可获得较高的光谱分辨率，但其性能高度依赖于fp腔阵列的规模——欲覆盖宽波段范围，需制备足够数量的、具有不同腔长的fp腔单元，这对微纳加工工艺提出了严苛要求。目前主流的fp腔制作技术包括电子束灰度直写、激光直写、灰度光刻以及多次光刻与刻蚀组合等。其中，前两种方法受限于逐点扫描的低效率与高昂的设备成本，难以实现量产；后几种方法则因掩膜精度限制或多步套刻过程中的误差累积，导致腔长精度与均匀性难以把控。上述工艺瓶颈直接制约了fp腔阵列的通道数量，进而限制了光谱仪的分辨率与适用波段范围。

3、超表面作为一种由亚波长纳米结构组成的平面光学元件，可通过调控纳米结构的几何尺寸实现不同的光谱响应特性，同样具备与图像传感器集成的潜力。然而，超表面滤波方案同样面临高分辨率与宽波段难以兼得的困境：窄带滤波型超表面可实现高光谱分辨率，但其适用的波长范围较窄；宽带滤波型超表面虽能覆盖较广波段，但由于不同单元之间的光谱响应相关性较强，加之现有加工精度的限制，难以实现高精度的光谱重构。

4、当前基于微纳光学滤波芯片的微型光谱仪技术主要存在以下核心问题：

5、第一，性能指标难以兼得。无论是单独采用fp腔阵列还是超表面阵列，均面临高光谱分辨率与宽检测波段之间的固有矛盾。窄带滤波方案分辨率高但波段覆盖有限，宽带滤波方案波段覆盖广但分辨率受限，难以同时满足宽波段、高精度的光谱检测需求。

6、第二，工艺复杂性与量产稳定性不足。fp腔阵列对腔长精度和均匀性要求极高，现有加工工艺难以在保证精度的同时实现低成本量产；超表面阵列虽可通过纳米压印等工艺实现，但其光谱响应相关性高，对加工误差敏感，同样制约了最终的光谱重构性能。

7、第三，通道数量与重构精度受限。受制于上述工艺瓶颈，现有滤波芯片的可用光谱通道数量有限，且通道间的光谱响应独立性不足，导致后端重构算法难以从有限维度的测量值中恢复出高保真的完整光谱信息，最终影响了微型光谱仪的整体性能。

8、因此，如何突破单一fp腔阵列或单一超表面阵列各自存在的性能局限，通过fp腔与超表面的结构协同与功能互补，以有限的腔长数量实现宽波段范围内的高分辨率光谱检测，并解决由此带来的工艺兼容性与量产一致性问题，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明的第一个目的在于，针对现有技术中高光谱分辨率与宽检测波段难以兼得、fp腔长加工精度控制难、以及传统微纳加工工艺复杂且成本高等问题，提供一种fp腔与超表面协同调控的多通道滤波芯片。

2、为此，为实现上述目的通过以下技术方案实现：

3、fp腔与超表面协同调控的多通道滤波芯片，由下而上依次堆叠设置透明基底、下反射层、超表面微纳结构、介质层和上反射层，

4、所述超表面微纳结构为阵列分布的亚波长纳米结构，在一个滤波通道对应的区域内，所述亚波长纳米结构的结构参数呈均匀单调变化，且透射波长在对应的子区间内等间距分布，实现不同波段的滤波精调；

5、所述介质层在不同区域具有n种预设厚度，形成n个不同腔长的fp腔单元，分别对应n个滤波通道；上反射层，与所述下反射层及介质层共同构成fp腔结构；

6、所述fp腔与超表面微纳结构协同作用，对入射光谱进行调制：所述介质层的n种预设厚度将目标波段划分为n个子区间，实现全波段的初步筛选；通过调整各自区域对应的亚波长纳米结构的结构参数，使各滤波通道的透射波长在各自子区间内发生连续偏移，从而以有限的腔长数量分别对应不同的预设值，形成覆盖宽波段的窄带滤波通道；各滤波通道的透射响应与入射光谱之间满足以下关系：

7、

8、其中，i表示通道序号，λ表示波长，λ2为工作波段的最长波长，λ1为工作波段的起始波长，ii为第i通道采集的光强信号，s(λ)为入射光谱，ei(λ)为光电探测器的光谱响应函数，ti(λ)为第i通道的透射率函数；通过预先标定获取所有通道的透射率函数ti(λ)，并结合采集到的光强信号ii，即可采用光谱重构算法求解出入射光谱s(λ)。

9、在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用如下技术方案：

10、作为本发明的优选技术方案：所述下反射层和上反射层为金属反射层或分布式布拉格反射镜；

11、所述金属反射层选用au或ag材料；

12、所述分布式布拉格反射镜由高折射率介质材料与低折射率介质材料交替堆叠而成。

13、作为本发明的优选技术方案：所述超表面微纳结构的材料为高折射率介质材料，包括氮化硅、非晶硅或碳化硅；所述超表面微纳结构为纳米柱阵列、纳米孔阵列或纳米鳍阵列，其结构参数包括周期、直径、宽度或高度。

14、作为本发明的优选技术方案：超表面微纳结构为周期性的a-si纳米圆柱阵列，固定周期p=400nm，高度h=200nm，通过使直径d在100-300nm范围内均匀变化，使超表面微纳结构的共振峰在其所属的fp腔子波段内连续偏移，直径增大时共振峰向长波方向偏移。

15、作为本发明的优选技术方案：所述介质层的材料为光刻胶，包括su-8光刻胶。

16、作为本发明的优选技术方案：所述目标波段为900-1700nm近红外波段；所述介质层的预设厚度范围为250-750nm；所述超表面微纳结构为周期性的非晶硅纳米圆柱阵列，周期为400nm，高度为200nm，直径在100-300nm范围内变化。

17、本发明的第二个目的在于，针对现有技术中高光谱分辨率与宽检测波段难以兼得、fp腔长加工精度控制难、以及传统微纳加工工艺复杂且成本高等问题，提供一种fp腔与超表面协同调控的多通道滤波芯片的制备方法 。

18、为此，为实现上述目的通过以下技术方案实现：

19、fp腔与超表面协同调控的多通道滤波芯片的制备方法，包括以下步骤：

20、s1、原始模具制备工序：分别制备超表面原始模具与fp腔原始模具；所述超表面原始模具采用高精度光刻工艺结合干法刻蚀工艺，在硬质衬底上形成亚波长纳米结构；所述fp腔原始模具采用三维微纳加工工艺，在衬底上形成具有多种不同台阶高度的三维结构，每个台阶高度对应一个特定的fp腔长；

21、s2、工作模具复制工序：以步骤s1制得的原始模具为母版，通过纳米压印工艺将图案结构转移到工作模具材料上，得到柔性纳米压印工作模具；

22、s3、下反射层制备工序：在透明基底上，采用薄膜沉积工艺制备下反射层；

23、s4、超表面微纳结构成型工序：通过纳米压印与刻蚀工艺，在所述下反射层上形成介质超表面微纳结构；

24、s5、fp腔介质层成型工序：采用纳米压印工艺，使用所述fp腔工作模具在已成型的超表面微纳结构上一次性形成具有n种预设厚度的介质层，构成多腔长fp腔阵列；

25、s6、上反射层制备工序：在所述介质层表面，采用薄膜沉积工艺制备上反射层。

26、在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用如下技术方案：

27、作为本发明的优选技术方案：所述步骤s4具体包括以下子步骤：

28、s41、功能材料层沉积：在所述下反射层上，沉积用于构成超表面的功能介质材料；

29、s42、纳米压印图形化：在所述功能材料层上涂覆压印胶，使用所述超表面工作模具进行压印、固化、脱模，将超表面纳米结构图形复制至压印胶层；

30、s43、干法刻蚀转移：以固化后的压印胶层为掩模，采用各向异性干法刻蚀工艺，将超表面纳米结构图形转移至下方的功能介质材料层；

31、s44、清洗：去除残留的压印胶掩模，获得洁净的介质超表面微纳结构。

32、作为本发明的优选技术方案：所述步骤s5具体包括：在已成型的超表面微纳结构上涂覆用于构成fp腔中间层的介质材料，使用所述fp腔工作模具进行压印、固化、脱模；所述fp腔工作模具的不同台阶高度使介质材料在不同区域形成预设的多种厚度，直接构成多腔长fp腔的介质层结构。

33、作为本发明的优选技术方案：所述步骤s1中，所述高精度光刻工艺为电子束光刻；所述干法刻蚀工艺包括离子束刻蚀或感应耦合等离子体刻蚀；所述三维微纳加工工艺包括双光子聚合直写或灰度曝光。

34、作为本发明的优选技术方案：所述步骤s2中，所述工作模具材料包括pdms、丙烯酸酯或环氧树脂；所述纳米压印工艺包括紫外固化压印或热固化压印。

35、与现有技术相比，本发明的一种fp腔与超表面协同调控的多通道滤波芯片及其制备方法具有以下有益效果：

36、本发明通过fp腔粗调+超表面精调的双层协同调控机制：首先，介质层的n种预设厚度形成n个不同腔长的fp腔单元，将目标波段划分为n个子区间，实现全波段的初步筛选；然后，在各滤波通道对应的区域内，通过亚波长纳米结构参数的均匀单调变化，使透射波长在各自子区间内等间距分布，实现滤波精调。通过上述双层调控，本发明以有限的腔长数量即可形成覆盖宽波段的多个窄带滤波通道（如49个以上），有效解决了现有fp腔阵列需要大量不同腔长才能覆盖宽波段、以及超表面滤波方案中高分辨率与宽波段难以兼得的技术难题，实现了宽波段覆盖与高光谱分辨率的统一。

37、本发明各滤波通道的透射响应与入射光谱之间满足明确的光谱重构关系。通过预先标定获取各通道的透射率函数，并结合实测的各通道光强信号ii，即可采用光谱重构算法求解出入射光谱s(λ)，在芯片的实际应用中提供了完整的数据处理路径，确保光谱信息的高保真恢复。

38、本发明利用纳米压印技术构建完整的芯片制备工艺，通过原始模具制备、柔性工作模具复制以及一次压印成型实现超表面结构与多腔长fp腔阵列的低成本、高精度制备，有效解决了现有fp腔阵列需要大量不同腔长才能覆盖宽波段、超表面滤波方案中高分辨率与宽波段难以兼得、以及传统微纳加工工艺复杂、精度控制难、量产成本高的三重技术难题，达到了高光谱分辨率与宽检测波段统一、仅用有限腔长获得49个以上窄带通道、工艺流程简化且腔长一致性好、单颗芯片制造成本显著降低的技术效果，为微型光谱仪在环境监测、生物医学检测、材料分析等领域的便携化应用与产业化推广提供了可行的技术路径。

39、本发明的一种fp腔与超表面协同调控的多通道滤波芯片及其制备方法，公开一种基于法布里-珀罗（fp）微腔阵列与超表面协同调控光谱滤波的多通道滤波芯片的设计及制作方法，该方法适用于900-1700nm近红外波段，可满足环境监测、生物医学检测、材料分析等场景下，微型光谱仪的研发与生产需求，极具应用前景。