光谱传感器的制作方法

1.本公开属于光谱传感器领域。


背景技术：

2.光谱传感器是众所周知的，并且用于各种应用领域。通常，光谱传感器包括光电检测器和用于选择入射到光电检测器上的光的波长的光学元件。可以随时间逐渐调节光学元件，使得入射到光电检测器上的光的波长随时间逐渐改变。因此，光电检测器提供作为波长的函数的入射到光电检测器上的光的强度作为输出。这可以被称为强度谱。通常，用于选择入射到光电检测器上的光的波长的光学元件是棱镜或衍射光栅。
3.还已知一种光谱传感器，其中光学元件是可调谐法布里-珀罗(fabry-perot)干涉仪。法布里-珀罗干涉仪是众所周知的，并且包括一对平行且彼此面对的反射板。尽管是反射性的，但是板透射少量的光。由法布里-珀罗干涉仪透射的光的波长由板的间隔确定。在常规的可调谐法布里-珀罗干涉仪中，板的间隔是手动可调节的。在法布里-珀罗干涉仪的mem实施方式中，通过调节跨法布里-珀罗干涉仪的板施加的电压来调节透射波长。增加电压向板提供更多的电荷并使它们朝向彼此弯曲。这减小了法布里-珀罗干涉仪的腔透射波长(即，减小了法布里-珀罗干涉仪以其透射光的波长)。具有法布里-珀罗干涉仪的mem实施方式的光谱传感器比使用棱镜或衍射光栅的常规光谱传感器更紧凑。
4.然而，光谱传感器具有如下缺点：如果光谱传感器的温度改变(由于干涉仪的热膨胀)，则由法布里-珀罗干涉仪透射的波长将改变。在现有技术中，该问题在光谱传感器的生产期间通过将光谱传感器放置在温控室中、然后在整个预期的操作温度范围内执行温度扫描来解决。光谱传感器的性能作为温度的函数被记录在形成光谱传感器的一部分的存储器中的查找表中。在光谱传感器的后续使用期间，查找表用于校正温度对光谱传感器的操作的影响。
5.上述方法的缺点是扫描腔室的温度是耗时的，并且必须对每个传感器执行该耗时的过程。此外，温控室是昂贵的。此外，它们体积庞大并且在生产现场占据了相当大的空间。
6.因此，本公开的目的是解决上述问题中的一个或多个或至少提供有用的替代方案。


技术实现要素：

7.一般而言，本公开提出使用电容测量来确定光谱传感器的法布里-珀罗干涉仪的反射器之间的间隔，从而确定将由法布里-珀罗干涉仪透射的光的波长。
8.根据本公开的第一方面，提供了一种光谱传感器，其包括具有一对反射器的法布里-珀罗干涉仪、位于法布里-珀罗干涉仪下方的光电检测器、被配置为测量法布里-珀罗干涉仪的电容的电容测量电路、以及被配置为控制跨法布里-珀罗干涉仪的反射器施加的电压的控制器。
9.所公开的光谱传感器是有利的，因为它不需要在传感器的生产期间在温度范围内
进行耗时且昂贵的校准。而是，当执行光谱测量时，电容测量用于确定法布里-珀罗干涉仪的反射器的间隔。例如，可以在执行光谱测量之前立即提供电容测量。
10.反射器可以是导体。
11.反射器可以是多层结构。
12.控制器可以被配置为接收法布里-珀罗干涉仪的测量的电容，以及使用测量的电容来确定施加到法布里-珀罗干涉仪的电压以便透射期望波长。
13.光谱传感器还可以包括热敏电阻器。
14.法布里-珀罗干涉仪可以包括设置有具有平面底部的凹部的基板，以及在凹部上方延伸的层。
15.所述一对反射器中的一个反射器可以设置在所述平面底部上，并且另一个反射器设置在所述层的面向所述平面底部的表面上。
16.控制器可以被配置为接收测量的电容，考虑测量的温度来修改测量的电容以便提供真实电容，然后使用真实电容来确定要施加到反射器的电压。
17.在实施例中，光谱传感器不包括被配置为执行测量强度值的测量后处理以校正温度相关效应的处理器。
18.根据本公开的第二方面，提供了一种光谱仪，其包括第一方面的光谱传感器，并且还包括光源。
19.根据本公开的第三方面，提供了一种使用法布里-珀罗干涉仪的光谱测量的方法，该法布里-珀罗干涉仪包括一对反射器和位于法布里-珀罗干涉仪下方的光电检测器，该方法包括测量法布里-珀罗干涉仪的电容，跨法布里-珀罗干涉仪的反射器施加电压以选择透射期望波长的反射器的间隔，该电压基于测量的电容来确定，以及测量入射到光电检测器上的光的强度。
20.该方法是有利的，因为它不需要从查找表中取得先前确定的作为温度的函数的波长透射的校准(校准是耗时且昂贵的)。
21.电压可以从最小期望电压扫描到最大期望电压，或者从最大期望电压扫描到最小期望电压，以便获得跨期望波长范围的测量。
22.可以在每次光谱测量之前测量电容。
23.可以在每次光谱测量之后测量电容。
24.可以在每次光谱测量期间测量电容。
25.可以在预定时间之后和/或在光谱传感器的预定温度变化之后测量电容。
26.由法布里-珀罗干涉仪形成的电容器的温度不变常数可以存储在光谱传感器的存储器中，并且可以在确定要跨法布里-珀罗干涉仪的反射器施加的电压时使用。
27.电容器的温度不变常数可以是在光谱传感器的制造之后已经针对该光谱传感器测量的值。
28.可以测量温度，并且考虑测量的温度来修改测量的电容，以便提供真实电容。真实电容可用于选择反射器的间隔。
29.在实施例中，不执行为了校正温度相关效应的测量强度值的测量后处理。
30.本发明的不同方面的特征可以组合在一起。
附图说明
31.现在将参考附图仅通过示例的方式描述本公开的这些和其他方面，在附图中：
32.图1示意性地描绘了根据本公开的实施例的光谱传感器；
33.图2是示出如何控制光谱传感器的控制图；以及
34.图3是指示根据本公开的实施例的光谱感测方法的流程图。
具体实施方式
35.如上所述，本公开提供了一种光谱传感器，其中电容测量用于确定形成光谱传感器的一部分的法布里-珀罗干涉仪的反射器的间隔。这有利地避免了需要在生产期间执行光谱传感器的耗时且昂贵的校准。
36.图1以横截面示意性地描绘了根据本公开的实施例的光谱传感器100。光谱传感器100包括位于法布里-珀罗干涉仪104下方的光电检测器102。光电检测器102可以例如是光电二极管。
37.法布里-珀罗干涉仪104包括设置有具有平面底部的凹部105的基板103(例如，由硅形成)。层107(例如，由硅形成，例如硅晶圆)支撑在基板103的任一侧的支撑件上，并且延伸穿过凹部105。硅层105的最下表面设置有多层反射结构104a(例如，由sio和sin层形成)。这可以被称为第一反射器104a。凹部105的平面表面还设置有多层反射结构104b(例如，由sio和sin层形成)。这可以被称为第二反射器104b。因此，提供彼此面对的两个反射器104a、b。这些反射器104a、b充当法布里-珀罗干涉仪104的一对反射板104a、b。当从上方观察时，基板103和反射器104a、b可以是正方形(或矩形)。
38.基板103由两个细长柱106(例如，由硅形成)支撑。细长柱106沿着基板103的两侧延伸。可以使用其他形式的支撑件106来支撑基板103。支撑件106和基板103可以由相同的材料(例如，硅)形成。
39.热敏电阻器108位于光电检测器102附近并且位于法布里-珀罗干涉仪104下方。光电检测器102、热敏电阻器108和支撑件106都固定到基板112。基板112可以例如是印刷电路板(例如，由fr4形成)。还提供了控制电子器件114。控制电子器件114可以包括处理器、存储器和其他组件。控制电子器件的实施例在图2中描绘并且在下面进一步描述。控制电子器件114可以设置成与光电检测器102相邻并且在法布里-珀罗干涉仪104下方。控制电子器件114可以具有一些其他位置，诸如在基板112下方或在基板内。
40.壳体116在光电检测器102、法布里-珀罗干涉仪104和热敏电阻器108上方延伸。壳体116可以由纤维金属填充的液晶聚合物形成。开口118设置在壳体116中。开口118位于法布里-珀罗干涉仪104上方。光电二极管102可以位于开口118的正下方。有利地，这可以在光电二极管102上提供对称的光分布。
41.提供窗口120以关闭开口118，同时允许光透射。窗口120设置在开口118下方。这使窗被损坏的可能性最小化。然而，窗口120可以设置在开口118上方。窗口120密封封闭其中提供法布里-珀罗干涉仪104的体积。这控制了法布里-珀罗干涉仪104周围的环境(通常是空气)。窗口可以设置有带通滤波器，该带通滤波器限制入射到法布里-珀罗干涉仪104上的光波长的范围。
42.如上所述，法布里-珀罗干涉仪104包括一对反射器104a、b。反射器104a、b具有大
于80％的反射率。反射器104a、b的反射率可以例如是85％或更大。反射率可以是99％或更大(例如99.9％或更大)。法布里-珀罗干涉仪104用作波长滤波器。反射器104a、b的反射率越高，由法布里-珀罗干涉仪104透射的波长带越窄。
43.法布里-珀罗干涉仪104的操作可以理解如下。入射到法布里-珀罗干涉仪104的第一反射器104a上的一些光将穿过第一反射器。光将传播到第二反射器104b并入射到第二反射器104b上。该光中的一些将被第二反射器104b透射，并且一些将被反射。然后，反射光入射到第一反射器104a上，并且该光的一部分再次被反射。将发生光的多个更多部分透射和反射。因此，经历不同反射次数的光被第二反射器104b透射。
44.对于大多数波长的光，当光离开第二反射器104b时发生相消干涉，并且光检测器102看不到那些波长的光。然而，如果法布里-珀罗干涉仪104中的光的光学路径长度(即，穿过反射器104a、b之间的间隙并再次返回)是光的波长的整数倍，则在该波长处发生光的相长干涉。该波长由法布里-珀罗干涉仪透射并由光电检测器102看到。因此，当具有宽波长范围的光入射到法布里-珀罗干涉仪104上时，只有具有特定波长的光将被透射到光电检测器102，该特定波长是反射器间隔的2倍的整数倍。法布里-珀罗干涉仪的操作的进一步细节可以例如在https://en.wikipedia.org/wiki/fabry％e2％80％93p％c3％a9rot_interferometer中找到。
45.可以选择法布里-珀罗干涉仪104上方的开口116的位置和尺寸，使得仅在预定入射角范围内入射的光可以行进通过开口116以入射在法布里-珀罗干涉仪上。这是有利的，因为限制法布里-珀罗干涉仪104上的光的入射角范围意味着法布里-珀罗干涉仪将更准确地透射期望的波长(以大倾斜角入射的光将以比正常入射光更长的波长透射)。开口116可以例如将入射到法布里-珀罗干涉仪104上的光的角度限制为与法线成15度(或某个其他值)。
46.可通过跨反射器104a、b(反射器可为导电的)施加电压来调节由法布里-珀罗干涉仪104透射的光的波长。与反射器104a、b的电连接可以由导线(未示出)提供。控制电子器件114可用于控制经由导线跨反射器104a、b施加的电压。增加跨反射器104a、b施加的电压会使反射器104a、b相互吸引，且因此上反射器104a朝向下反射器104b移动。这减小了反射器104a、b之间的间隙105，并且减小了由法布里-珀罗干涉仪104透射的光的波长。减小跨反射器104a、b施加的电压减小反射器的相互吸引，且允许上反射器104a远离下反射器104b移动。这增加了由法布里-珀罗干涉仪104透射的光的波长。可以实现上反射器104a移动小至1nm。
47.因此，控制电子器件114可以通过选择跨法布里-珀罗干涉仪的反射器104a、b施加的电压来选择要由法布里-珀罗干涉仪104透射的波长。如将理解的，为了能够准确地选择波长，期望准确地控制反射器104a、b之间的间隙。然而，光谱传感器100的温度将对间隙产生影响(较高的温度可能由于热膨胀而增加间隔)。在现有技术系统中，使用热敏电阻器来测量温度，然后使用先前测量的校准查找表来确定反射器之间的间隔。然而，这种方法耗时且昂贵。在本公开中，使用替代方法。
48.根据本公开的实施例，可以通过测量法布里-珀罗干涉仪的电容来选择由法布里-珀罗干涉仪104透射的波长，然后使用测量的电容来确定为了实现该波长的透射所需的电压。该方法可以考虑法布里-珀罗干涉仪的恒定特性(即，不随温度变化的特性)。该方法可
以基于使用以下等式：
49.(1)
50.其中v是跨法布里-珀罗干涉仪104的反射器104a、b施加的电压，b是由反射器形成的电容器的温度不变常数，λ是要透射的光的波长，并且c是由反射器形成的电容器的电容。反射器可以被认为是平行板电容器的板。
51.有利地，本公开的方法避免了在光谱传感器的生产期间需要执行作为温度的函数的法布里-珀罗标准量具的透射的耗时且昂贵的校准。电容的测量可以例如在由光谱传感器执行波长范围内的强度测量(即，光谱测量)之前立即执行。
52.众所周知，由干涉仪104的反射器104a、b形成的电容器上的电荷q为：
53.(2)q＝cv
54.从组合等式1和等式2可以看出，由法布里-珀罗干涉仪104透射的光的波长与由干涉仪104的反射器104a、b形成的电容器上的电荷q的平方成比例。
55.以下从物理第一原理提供了为什么可以使用电容测量来确定由法布里-珀罗干涉仪104透射的波长的解释：
56.法布里-珀罗干涉仪104的反射器104a、b可以被认为是平坦的并且彼此分开一间隙。法布里-珀罗干涉仪的反射器104a、b形成平行板电容器。跨反射器104a、b施加的电压使相反的电荷流到反射器，并且相反的电荷将反射器朝向彼此吸引。上反射器104a设置在具有一定柔性的硅层107上(该层可以例如具有1-5微米的厚度)。因此，上反射器104a具有一些柔性并且可以朝向下反射器104b弯曲。
57.当反射器不移动时，即它们处于平衡状态时，每个板的恢复弹簧力等于膜上的电荷的静电力：
58.(3)
59.仅需要考虑一个维度，即垂直于反射器平面的方向。在一个维度上表达(3)：
60.(4)fs fe＝0
61.弹簧力可以表示为：
62.(5)fs＝-kx
63.其中k是胡克常数，x是板从其松弛位置的位移(x是垂直于板平面的方向)。
64.电容器的反射器之间的力可以表示如下：
65.(6)
66.其中ε0是真空介电常数，εa是(例如空气的)相对静态介电常数，a是相等平行反射器的面积，v是施加在电极之间的电压，并且x是电容器的反射器的位移。等式(6)适用于mems平行板电容器，如例如在doi:10.1557/proc-782-a5.86中所解释的。
67.等式(6)的参数t可以表示为：
68.(7)
69.其中g是没有施加电压时反射器之间的间隙，并且td是设置在电极上的多层反射器104a、b的厚度，具有εb的相对静态介电常数。
70.将(6)和(5)组合成(4)提供：
71.(8)
72.电容器(对于由两个多层反射器形成的平行板电容器)的电容可以表示为：
73.(9)
74.可以假设电容c是已知的(其可以通过使用振荡器、电容耦合或其他方法来测量)。将(9)代入(8)提供：
75.(10)
76.反射器之间的间隙g与法布里-珀罗干涉仪的透射波长之间的关系具有线性比例关系：
77.(11)g＝aλ
78.参数a可以是1/2、1、2、3等(这可以被称为法布里-珀罗干涉仪的腔的阶数)。将(9)代入(8)提供：
79.(12)
80.在等式(12)中，参数k、a、介电常数和反射器的面积不随温度变化(或者它们变化如此小的程度，使得它们的变化不会显著影响测量准确度)。这些参数可以定义为常数：
81.(13)b2＝2kaε0εaa
82.其与温度无关。
83.这意味着，如果已经针对法布里-珀罗干涉仪104获得了电容c的测量，并且期望透射波长λ，则应当被施加以透射该波长的电压是：
84.(1)
85.重要的是，这与法布里-珀罗干涉仪104的温度无关。例如，如果法布里-珀罗干涉仪104的温度增加，并且这导致法布里-珀罗干涉仪的反射器104a、b进一步远离彼此移动，则这将由法布里-珀罗干涉仪的测量电容c捕获。在确定向法布里-珀罗干涉仪104施加什么电压v时使用测量的电容c自动补偿温度变化的影响。
86.一旦已经制造了光谱传感器100，就可以执行校准测量，以便确定常数b的值。这是否进行可以取决于光谱传感器100的期望波长准确度。例如，在一些应用中， /-5nm的准确度可能就足够了。在这种情况下，可以假设针对代表性光谱传感器100确定的b的值对于具有相同构造的所有光谱传感器是相同的。可以对该代表性光谱传感器执行校准，然后可以将值b用于具有相同构造的其他光谱传感器。如果期望更高的准确度(例如，达到 /-1nm)，则可以对每个光谱传感器100执行校准以确定b。
87.图2是描绘光谱传感器的电组件200的图。电组件可以被提供为一个或多个集成电路。微控制器202包括一个或多个中央处理单元(处理器核)、存储器以及输入和输出。来自微控制器202的输出经由数模转换器204连接到法布里-珀罗干涉仪104。可以被称为升压转换器的电压源(未示出)提供将经由数模转换器204供应给法布里-珀罗干涉仪104的电压。施加到法布里-珀罗干涉仪104的电压的范围可以例如是0-100v。可以施加其他电压。
88.电容测量电路205(其可以被称为电容读出器)连接到法布里-珀罗干涉仪104并且还连接到微控制器202。电容测量电路205可以例如包括振荡器，该振荡器将调制应用于电容器并测量电容器对调制的影响。电容测量电路205测量法布里-珀罗干涉仪104的电容，并将测量的电容提供给微控制器202。
89.热敏电阻器108经由第一放大器206连接到微控制器202。热敏电阻器108提供指示光谱传感器100的温度的电阻值。这经由第一放大器206传递到微控制器202。
90.考虑到由热敏电阻器108测量的温度，微控制器202可以对测量的电容的值应用修改。这是因为电容测量本身可能受到光谱传感器的温度的影响。在一个示例中，当振荡器用于测量电容时，对于给定的“已知”电感l，谐振频率将漂移，因为(除了电容器之外)电感具有不可忽略的温度系数。应用于测量的电容的值的修改可以将测量的电容校正为法布里-珀罗干涉仪的真实电容。微控制器202使用该电容来确定要跨法布里-珀罗干涉仪104的反射器104a、b施加什么电压以便透射期望的波长(或波长范围)。
91.对应于该电压的信号被提供给数模转换器204，数模转换器204输出期望的电压(即，跨法布里-珀罗干涉仪104的反射器施加期望的电压)。可以施加单个电压以便检测特定波长。可替代地，可以施加对电压范围的扫描，以便检测波长范围。
92.光电二极管102经由第二放大器208连接到微控制器202。光电二极管102提供与入射到其上的光的强度成比例的输出。输出由第二放大器208放大并传递到微控制器202。
93.在一些实施例中，微控制器202还可以经由驱动器210连接到光发射器212。光发射器212可以例如是白炽灯泡或其他宽带光源。在这种情况下，光谱传感器100与光发射器212一起可以被认为形成光谱仪。光发射器212可以例如用于将光引导到样本中，并且光谱传感器100可以用于检测由样本透射的光(吸收光谱)、由样本荧光发射的光(荧光光谱)或样本的其他光学特性。
94.如上所述，可以考虑测量的温度来修改测量的电容，以便提供真实电容。真实电容可用于选择反射器的间隔。
95.尽管法布里-珀罗干涉仪的温度变化可能影响法布里-珀罗干涉仪的特性，但是本发明的实施例能够在确定要施加到反射器的电压以便透射期望波长时补偿这些变化。因此，可以不需要为了校正温度相关效应的测量强度值的测量后处理。
96.图3是示出根据本公开的光谱传感器的操作的流程图。要执行的光谱测量的最小波长和最大波长是已知的(它们可以例如由用户提供并存储在微控制器202的存储器中)。该方法的开始是步骤300。这包括将期望的初始透射波长设置为最小波长。在提供光发射器的实施例中，该步骤可以包括接通光发射器。
97.在步骤302处，测量法布里-珀罗干涉仪104的电容。
98.在步骤304处，使用测量的电容来确定需要施加到法布里-珀罗干涉仪以在期望的最小透射波长下进行透射的初始电压。
99.在步骤306处，跨法布里-珀罗干涉仪104的反射器施加初始电压。
100.在步骤308，由微控制器202测量并存储入射到光电检测器102上的光的强度。同时，在步骤310处，跨反射器的电压斜升，直到其达到与期望的最大透射波长相对应的电压。由此测量并存储作为波长的函数的光强度(执行光谱测量)。
101.然后，该方法在步骤312结束。
102.在一些实施例中，可以在光谱测量结束时再次测量电容。如果测量的电容与在测量开始时测量的电容不同，则当记录作为波长的函数的检测的光强度时，可以考虑该差异(可以对记录的波长应用调整)。
103.在一些实施例中，可以在光谱测量期间测量电容。可以在光谱测量期间执行多于一次电容测量。再次，如果测量的电容与在测量开始时(和/或在测量结束时)测量的电容不同，则当记录作为波长的函数的检测的光强度时，可以考虑该差异(可以对记录的波长应用调整)。
104.当接下来期望使用光谱传感器执行后续测量时，可以在执行测量之前再次测量电容。然而，如果预期电容没有显著变化(例如因为光谱传感器的温度没有变化)，则可以省略电容测量。
105.通常，考虑到期望的测量准确度和光谱传感器的温度的变化，当看起来需要执行电容测量时，可以执行电容测量。例如，可以每天执行一次光谱测量以防止由于温度变化引起的漂移，或者以某个其他时间间隔执行光谱测量。
106.作为波长的函数的光强度的测量可以存储在微控制器202的存储器中。
107.在上述示例中，波长被向上扫描。然而，波长可以被向下扫描。可替代地，可以执行离散波长的一个或多个测量。
108.在所描述的实施例中，反射器104a、b是导电的。然而，反射器不需要是导电的。如果反射器不导电，则可以为每个反射器提供一层导体(例如，在反射器和支撑反射器的基板或其他结构之间)。在这种情况下，法布里-珀罗干涉仪的电容来自导体层而不是来自反射器。
109.本发明的实施例可以被配置为在红外波长下进行测量。例如，1350nm至1650nm、或1550nm至1850nm的测量范围。通常，可以执行1300nm和1900nm之间的测量。本发明的实施例可以被配置为在其他波长下进行测量。
110.尽管所描述的实施例涉及微控制器，但这仅仅是示例。可以使用任何形式的控制器。
111.结合本发明的一个实施例公开的特征可以与本发明的其他实施例一起使用。
112.附图标记列表：
113.100-光谱传感器
114.102-光电检测器
115.103-基板
116.104-法布里-珀罗干涉仪
117.104a-第一反射器
118.104b
–
第二反射器
119.105-凹部
120.106-支撑件
121.107-层
122.108-热敏电阻器
123.112-基板
124.114-控制电子器件
125.116-壳体
126.118-开口
127.120-窗口
128.200-电组件
129.202-微控制器
130.204-数模转换器
131.205-电容测量电路
132.206-第一放大器
133.208-第二放大器
134.300-开始(设置初始透射波长)
135.302-电容测量
136.304-确定初始电压
137.306-施加初始电压
138.308-测量并存储光强度
139.310-跨反射器的斜升电压
140.312-结束
141.本领域技术人员将理解，在前面的描述和所附权利要求中，诸如“上方”、“沿着”、“侧面”等的位置术语是参考诸如附图中所示的概念性图示而做出的。使用这些术语是为了便于参考，但不旨在具有限制特性。因此，这些术语应被理解为是指当处于如附图中所示的取向时的对象。
142.尽管已经根据如上所述的优选实施例描述了本公开，但是应当理解，这些实施例仅是说明性的，并且权利要求不限于那些实施例。鉴于本公开内容，本领域技术人员将能够进行修改和替代，这些修改和替代被认为落入所附权利要求的范围内。本说明书中公开或示出的每个特征可以结合在任何实施例中，无论是单独地还是与本文公开或示出的任何其他特征进行任何适当组合。