專利名稱：使用衍射元件的光學(xué)色彩傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及用于檢測入射光的光學(xué)色彩的電氣裝置。
背景技術(shù)：
檢測入射光的光譜內(nèi)容是個公知問題。該問題的常用解決方案是使用多個硅光電二極管結(jié)合多個濾光器，其中多個濾光器選擇性地讓預(yù)定波長的光通過。
該方案有很多問題。這種傳感器的性能受到濾光器光傳輸特性精度的限制。這種傳感器的選擇性受到濾光材料的可取得性的限制。濾光器材料削弱光，并且不同色彩的濾光器在不同程度上削弱光，這需要額外的校準(zhǔn)。這種傳感器的長期穩(wěn)定性也依賴于所使用的傳感器材料的長期穩(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，利用衍射光柵來制備光電二極管或其它的光敏元件。第一實施例使用帶有集成單頻光柵的光電傳感器。第二實施例使用線性光電傳感器陣列和覆蓋一系列頻率的集成衍射光柵。衍射光柵是使用半導(dǎo)體制造中公知的金屬化(metallization)層形成的?？梢允褂妙~外的金屬層來形成需要的孔徑。


通過參考下文對根據(jù)本發(fā)明的實施例的詳細(xì)說明同時結(jié)合附圖，將能更好地理解本發(fā)明，附圖中圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的第一光學(xué)傳感器；圖2示出了具有處理電子器件的第一光學(xué)傳感器；以及圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的第二光學(xué)傳感器。
具體實施例方式
本發(fā)明涉及檢測入射光的光譜內(nèi)容。提供了下面的說明以使本領(lǐng)域普通技術(shù)人員能夠制造并使用本發(fā)明，并且下述內(nèi)容是以專利申請的形式提出的，因而符合專利申請要求。對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，對所公開實施例的各種修改將是顯而易見的，并且這里的基本原理可以適用于其它實施例。因此，本發(fā)明不限于所示出的實施例，而是與權(quán)利要求和這里描述的原理及特征定義的最寬范圍相一致。
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的第一傳感器。襯底100具有使用半導(dǎo)體與集成電路工藝中公知的制造技術(shù)(例如，光刻法)制造的光電傳感器110、112、114。注意，在襯底100和光電傳感器110、112、114之間可以存在居間層。光電傳感器110、112、114可以是由諸如硅、硅鍺等材料制備的光電二極管、光電晶體管或其它光敏器件。電介質(zhì)層120還通過有用波長的光。此外，在層120和含有光電傳感器110、112、114的層之間還可以存在額外的層。諸如二氧化硅(SiO2)、絕緣材料或本領(lǐng)域公知的其它材料之類的材料可以用作層120。衍射光柵130、132、134形成在電介質(zhì)層120的頂部。衍射光柵130、132、134是由對有用波長的光不透明的材料(例如，金屬)形成的。
圖1示出了本發(fā)明的簡要示圖，其中僅示出了關(guān)鍵的層。光電傳感器110、112、114可以在半導(dǎo)體器件中的任何層上制備。衍射光柵130、132、134在光電傳感器上部形成，且具有任意數(shù)目的居間層120，只要這些居間層能通過有用波長范圍內(nèi)的光。
來自衍射光柵的光的空間分布僅由入射光波長與光柵物理尺寸的關(guān)系控制。光柵結(jié)合光電傳感器的空間布局，將期望波長的光導(dǎo)向光電傳感器。注意，光電傳感器110、112、114和光柵130、132、134的入射光應(yīng)當(dāng)對準(zhǔn)?？梢酝ㄟ^傳統(tǒng)的光學(xué)裝置(例如，狹縫、透鏡等)來實現(xiàn)這種對準(zhǔn)(collimation)。因為光柵130、132、134是利用集成電路光刻技術(shù)制造的，所以它們的光學(xué)屬性非常精確并且是可重復(fù)的。
在圖1所示的實施例中，光柵130、132、134可以被設(shè)計成分別通過紅、綠、藍(lán)光。本發(fā)明的其它實施例可以提供能夠檢測單波長的一個光電傳感器—光柵對、檢測一對波長(例如，紅和藍(lán))的兩個光電傳感器—光柵對、甚至多于三個光電傳感器—光柵對(作為示例檢測紅、藍(lán)、綠、青和品紅光波長)。單波長傳感器可以被制備成響應(yīng)于特定的有用波長，例如激光器產(chǎn)生的光波長。
額外的金屬層或其它不透明層可以用來提供孔徑。該孔徑可以位于光柵130和光電傳感器120之間?？讖?50可以支撐在額外的電介質(zhì)層140上，并且在光柵和光源之間。這種孔徑可以用作對準(zhǔn)元件。此外，這種孔徑可以用來確保器件僅有某些區(qū)域被照亮，或者用來補(bǔ)償光電傳感器對不同波長的響應(yīng)差異。
因此，光柵可以在由居間電介質(zhì)層分隔的多于一個金屬化層上形成，以進(jìn)一步限定入射光的空間分布和波長之間的關(guān)系。此外，光柵不需要僅在一維上有效。例如，通過使用具有彼此完全正交的有效組件的光柵元件，可以實現(xiàn)作為波長函數(shù)的二維空間分布。
由于使用標(biāo)準(zhǔn)集成電路技術(shù)，所以光電傳感器可以方便地包括額外的電路。這在圖2中示出，其中在同一襯底上包括互阻抗放大器。光電二極管110與光柵130一起制備，用來響應(yīng)于特定波長的入射光。放大器140結(jié)合電阻器150和160形成互阻抗放大器，其將來自光電二極管110的光電流轉(zhuǎn)換為電壓輸出170。第二波長由與光柵132耦合的光電二極管112檢測。放大器142結(jié)合電阻器152和162形成互阻抗放大器，其將來自光電二極管112的光電流轉(zhuǎn)換為電壓172。該實施例可以將一個或多個波長傳感器制備到單個芯片上。
圖3示出了本發(fā)明的第二實施例。在該實施例中，N元光電二極管陣列與光柵耦合，光柵可選地具有變化的元件間隔，進(jìn)而提供了一種傳感器，其具有衍射光柵元件的間隔所限定的連續(xù)波譜響應(yīng)。N元光電二極管傳感器陣列110形成在襯底100上。能夠穿過有用波長范圍光的層120支撐衍射光柵130。
在光柵元件130的間隔一致的實施例中，由于光柵130的操作而在光電二極管陣列110中獲得了變化的頻率響應(yīng)。作為波長函數(shù)的光空間分布依賴于光柵元件之間的間隔。一致的光柵間隔產(chǎn)生了與波長成對數(shù)關(guān)系的空間分布。
在光柵130不一致的實施例中，元件132與134以及元件136與138之間的間隔變化。作為示例，如果元件132與134之間的間隔大于136與138之間的間隔，則元件132、134區(qū)域中的光柵130通過的光的波長將大于元件136、138區(qū)域中的光柵通過的光的波長。光柵元件的不一致間隔使得能夠設(shè)計光相對于波長的分布，例如，產(chǎn)生相對于波長的線性分布。應(yīng)當(dāng)注意，該實施例取決于光柵結(jié)構(gòu)的性質(zhì)可以采用一維或二維陣列的形式。
對于前述實施例，可以使用額外的金屬化層或其它的不透明層(未示出)來形成合適尺寸的孔徑以用作對準(zhǔn)器件、遮光器或其它光調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。
其它處理元件也可以集成到襯底100上，例如用來處理光電二極管傳感器陣列110的輸出或控制入射光源的光譜輸出，從而形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。
前面對本發(fā)明的詳細(xì)描述僅用于說明的目的，而不是想要窮盡本發(fā)明或?qū)⒈景l(fā)明限制在所公開的具體實施例中。相應(yīng)地，本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求來確定。
權(quán)利要求
1.一種用于檢測入射光的改進(jìn)的光電傳感器，包括襯底；制備在所述襯底上的一個或多個光電傳感器；以及制備在所述光電傳感器上的衍射光柵，用于將預(yù)定波長的入射光耦合到所述光電傳感器。
2.如權(quán)利要求1所述的改進(jìn)的光電傳感器，還包括在所述光電傳感器和所述光柵之間的至少一個層，其中所述至少一個層通過有用波長的入射光。
3.如權(quán)利要求1所述的改進(jìn)的光電傳感器，其中響應(yīng)于多個波長的多個衍射光柵和多個光電傳感器被制備在單個芯片上。
4.如權(quán)利要求1所述的改進(jìn)的光電傳感器，其中額外的電路元件被制備在所述襯底上。
5.如權(quán)利要求4所述的改進(jìn)的光電傳感器，其中所述額外的電路元件包括連接到所述光電傳感器的互阻抗放大器。
6.如權(quán)利要求1所述的改進(jìn)的光電傳感器，其中所述衍射光柵是通過光刻法對電介質(zhì)上的金屬進(jìn)行限定而形成的。
7.如權(quán)利要求1所述的改進(jìn)的光電傳感器，其中第二金屬層被制備作為孔徑。
8.如權(quán)利要求1所述的改進(jìn)的光電傳感器，其中孔徑被制備在所述光柵和所述光電傳感器之間。
9.如權(quán)利要求7所述的改進(jìn)的光電傳感器，其中孔徑被制備在所述光柵和所述入射光之間。
10.一種用于檢測入射光的改進(jìn)的光電傳感器，包括襯底；制備在所述襯底上的光電二極管陣列；以及制備在光電傳感器上的衍射光柵，用于將一系列波長上的入射光耦合到所述光電二極管陣列。
11.如權(quán)利要求10所述的改進(jìn)的光電傳感器，其中光柵間距是一致的。
12.如權(quán)利要求10所述的改進(jìn)的光電傳感器，其中光柵間距是不一致的。
13.如權(quán)利要求10所述的改進(jìn)的光電傳感器，還包括制備在所述襯底上的額外的電路元件。
14.如權(quán)利要求10所述的改進(jìn)的光電傳感器，其中第二金屬層被制備作為孔徑。
15.如權(quán)利要求14所述的改進(jìn)的光電傳感器，其中孔徑被制備在所述光柵和所述光電二極管陣列之間。
16.如權(quán)利要求14所述的改進(jìn)的光電傳感器，其中孔徑被制備在所述光柵和所述入射光之間。
全文摘要
光學(xué)色彩傳感器使用衍射元件。半導(dǎo)體制造工藝被用來形成衍射光柵作為光電傳感器的一部分。在第一實施例中，諸如光電二極管的光電傳感器被形成在襯底上，并且使用半導(dǎo)體制造技術(shù)公知的金屬化層來形成固定間隔的衍射光柵。在第二實施例中，在襯底上形成線性光電二極管陣列，并且在金屬層中形成具有變化間隔的衍射光柵，進(jìn)而提供連續(xù)色彩傳感器。可以使用在半導(dǎo)體加工技術(shù)中常用的其它金屬層來提供需要的孔徑。
文檔編號G01J3/50GK1766533SQ20051009357
公開日2006年5月3日 申請日期2005年8月26日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月29日
發(fā)明者肯·A·尼詩瑪若 申請人:安捷倫科技有限公司