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干涉滤波器简化半导体集成电路的复杂光学功能

时间:2017-04-02 作者:Mike King 阅读:
光电传感器一般会将响应限制在光谱上的一个或多个特定范围。 环境光传感器会抑制对可见光谱外波长的响应,而红外线(IR)传感器则会抑制对可见光和较短波长的响应。
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干涉滤波器具有高带通透射(high band pass transmission)、低阻带透射(low stop band transmission)和锐跃迁(sharp transition)等高值特性,是限制对特定波长范围响应的极佳工具。

干涉滤波器是由介电材料的薄层所构成,例如表1:

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表1:不同材料的折射率。

通过选择适当的折射率和薄层的厚度,特定的波长就能透射通过滤波器以产生通带区域,或是反射产生阻带区域。由于阻带低透射率是反射的结果,所以吸收的光能量很小。

堆栈多个薄层以产生从通带到阻带区域的更尖锐的跃迁(transition)。

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图1:不同层数薄层的透射率。

Transmission: 透射率

Wavength: 波长

长通、短通和陷波滤波器(notch filter)一般使用100层以上的薄层来形成尖锐的跃迁(transition)。 即使薄层的数量庞大,通带波长能保持超过90%的高透射率,而阻带波长的透射率则小于1%。 滤波器跃迁可以低至10nm。图2所示为可通过可见光波长和阻挡红外波长的干涉滤波器。

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图2:可通过可见光波长和阻挡红外波长的干涉滤波器特性。

通过减少层数并引入额外的折射率,干涉滤波器也能产生跃迁较慢的加权响应(weighted response)。 增加加权响应能为传感器设计带来许多好处,能让传感器复制特定的光学功能,并能针对被监测对象或来源提供更多信息。 关于滤波器复制光学功能的一个好例子,就是用于颜色分析的三色刺激功能(Tristimulus function)。

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图3:滤波器复制光学功能的实例。

不使用滤波器复制光学功能,则需要使用更复杂和昂贵的光谱扫描来获取相同的信息。半导体上的多层滤波层沉积和蚀刻工艺让设计者能为半导体晶圆上的每个独立通道指定独有的加权光学功能,如此能在单一封装中创建多功能传感器,可节省成本、空间和提高系统可靠性。图4所示为一个多通道传感器,其中两个IR通道具有窄带滤波器(近白反射near-white reflextion),其余通道则有三色刺激功能滤波器(色彩反射colered reflection)。

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图4:多通道传感器。

设计中需考虑的干扰滤波器特性之一是传感器的接收角度。 随着照度光源入射角增大,干涉滤波器的特性也将随之改变。 阻带透射将增加,且跃迁波长将随着光源入射角增加而改变。

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图5:不同的传感器接收角度的干扰滤波器特性。

限制传感器的视野就能自然而然地最小化这种效应。 如果视野需要加大,则可以将漫射器(diffuser)合并至光学堆栈中。漫射器能以随机方向重新定向光能,这方向与光源角度无关。 通过漫射器开孔、传感器有效面积,以及传感器和扩散器之间距离的几何关系,可以限定系统的接收角度。

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图6:漫射器开孔、传感器有效面积,以及传感器和扩散器之间距离的几何关系。

Sensor active Area: 传感器有效面积

Diffusor aperture: 漫射器开孔

Air gap: 空气间隙

漫射器不会消除传感器上的入射角效应,但是它能使与光源入射角度相关的系统响应更稳定。如此一来,较简单的系统级设计也能容纳与较大光源入射角相关的偏斜光谱响应(skewed spectral response)。

有机滤波器是有别于干涉滤波器的另一选项,它没有干涉滤波器对于光源入射角度的那种灵敏度, 然而有机滤波器并不具有干涉滤光器那种匹配光学功能和效率能力,且有机滤波器确实具有比干涉滤波器更低的操作和储存温度。

低温溅射工艺和掀离(lift-off)技术使得干涉滤波器对温度变化和暴露于高湿度具有低灵敏度。先进的沉积处理技术确保滤波器的高质量且能在恶劣环境中良好运作。最佳的制造商会在工艺内整合控制监视器,以达成薄层厚度和材料的均匀性,进而确保维持低公差。结合光学快速反馈的等离子体溅射工艺会产生严密控制的膜化学计量结构。

软件可用来仿真干扰滤波器的设计,并优化形状以匹配预期的透射特性。传感器设计优化的其他考虑包括补偿硅光谱响应和光学堆栈的影响。在滤波器分析中纳入制造商的工艺公差,这对于稳定可靠的设计而言至关重要。

滤波器的透射形状和传感器通道增益是满足光学功能设计需求的关键,可以实现简单、可靠和成本效益佳的解决方案。与具有以下经验的半导体制造商合作是一大优势,可以确保成功产出基于光学功能的传感器设计和产品。

• 干扰滤波器的设计工程工具和经验

• 封装和系统级光学分析,用于调整滤波器以优化系统性能

• 直接在半导体上进行多个过滤器沉积的工艺,以及避免该工艺该相关问题的专有知识和技术。

• 容纳大量相关光电传感器的高产能

• 整合至工艺的设备,能精密监控介电层厚度和材料均匀性

• 垂直整合,能提供包括光学组件在内的电子组件封装

本文来自《电子工程专辑》2017年4月刊,版权所有,谢绝转载

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