專利名稱：光學微型光譜儀的制作方法
光學鵬光譜儀本申請要求2005年5月17日提交的美國臨時申請No. 60/681,776的權(quán)益。 本申請要求2006年3月15日提交的美國臨時申請No.60/743,486的權(quán)益。 美國政府可具有本發(fā)明的某些權(quán)利。
技術(shù)背景本發(fā)明與光譜儀并且特別是與微型光譜儀有關(guān)。更特別地，本發(fā)明與用于 流體分析的' 光譜儀有關(guān)。由U. Bonne等人于2006年5月16日提交的、代理人案巻號為H0009333 (1100.1410101)的、題目為"用于流體分析器的化學阻抗檢測器(Chemical Impedance Detectors for Fluid Analyzers)"的美國專利申請No. 11/383,728特此被 引入作為參考。由U.Bonne等人于2006年5月16日提交的、代理人案巻號為 H0010160 (1100.1412101)、題目為"熱力泵(AThermal Pump)"的美國專利申 請No.11/383,663特此被引入作為參考。由N. Iwamoto等人于2006年5月16 日提交的、代理人案巻號為H0010503 (1100.1411101)的、題目為"用于微幽 流體分析器的固定相(Stationary Phase for a Micro Fluid Analyzer)"的美國專利 申請No. 11/383,650特此被引入作為參考。由U Bonne等人于2006年5月16 日提交的、代理人案巻號為H0012008 (1100.1413101)的、題目為"用于流體 分析器的三晶片fflit結(jié)構(gòu)(A Three Wafer Channel Structure for a Fluid Analyzer)" 的美國專利申請No.ll/383,738特此被引入作為參考。2005年5月17日提交的 美國臨時申請No.60/681,776特此被引入作為參考。2006年3月15日提交的美 國臨時申請No.60/743,486特此被引入作為參考。2004年7月30日提交的美國 專利申請No. 10/909,071特此被引入作為參考。2002年5月28日授權(quán)的美國專 利No. 6,393,894特此被引入作為參考。2005年1月4日授權(quán)的美國專利No. 6，837,118特此被引入作為參考。2006年2月21日授權(quán)的美國專利No. 7,000,452 特此被引入作為參考。這些申請和專利可能公開了與流體分析器相關(guān)的結(jié)構(gòu)和 過程方面。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明是一種{頓光柵和緊湊光源的光學 光譜儀，該光學 光譜儀 適用于流體組分分析。


圖la和lb示出多晶片光譜儀的說明性例子的邊視圖和頂視亂圖2示出用在小型光譜儀中的光柵的例子；圖3具有用于監(jiān)控和量化內(nèi)燃機廢氣中的某些組分的IR、可見和UV波長 中的波長鄉(xiāng)帶的表；圖4示出具有光譜儀設(shè)計的規(guī)格的表；圖5a和5b是多晶片光譜儀的另一個說明性例子的側(cè)橫截面和頂視亂圖6是具有外部光源的光譜儀的一個說明性例子的橫截面?zhèn)膳瀬y圖7示出多種模擬物的普通色譜洗脫時間的圖表；圖8a和8b示出用于制造凹面光柵的方法的橫截面視圖；圖9示出 拉曼光譜儀的說吸性例子；圖10示出了一些拉曼光譜線的圖表；圖11和12示出表面增強的拉曼光譜儀的說吸性例子；禾口圖13—16示出可以與光譜儀結(jié)合使用的流體分析器的說掛性例子。
具體實施方式
圖la和lb示出兩晶片光譜儀、裝置或配置10的邊視圖和頂視圖。 圖la是圖lb中的光譜儀或裝置10在線18處的橫截面。底部晶片11是襯 底，該襯底具有位于其上的頂部晶片12。頂部晶片12具有^U13I道13。光譜 儀可以基于接近于圓15、諸如典型的羅蘭圓(Rowland circle)安裝的凹面衍射 光柵14或其它對以的對波長敏感的反射機構(gòu)。可以由例如M放電錢(MDD) 的光源17發(fā)出光16。光16可以M31^M3I道13的一部分前進到光柵14。光 柵14可以朝向光電二極管陣列和/或CCD檢測器19以一定角度沿著^U1M道 13的另一部分礎(chǔ)光16。該檢測器可以是陣列。光源17和檢測器19可以位于 羅蘭圓15附近。因此光路可以從光源17到光柵14并從光柵14到檢測器19。 所有三個零件17、 14和19都可以位于圓15附近或上。光柵或反射器14可以是凹面衍射光柵、全息凹面反射光柵、或聚焦 光 柵。光源17可以是M放電裝置或激光的亮面MI寸，其中激光被聚焦到該面上。 在羅蘭圓上特定波長入的位置可以由等式n人=d(sin e + sin 5)給出，其中n是級數(shù)，g是光柵間隔，e是光在光柵上的入射角，而s是離開光柵的反射角。如果入射角為零，貝U等式可以是n^g.sin5。圖2示出示例光柵14、槽23、入 射和反射光16、以及一些相關(guān)參數(shù)。光譜儀10的特性可在于它的晶片級(11， 12)制造(光柵的晶片和光檢測 器陣列19 (圖像增強器陣列、CCD或電荷注入檢測器(CID)的晶片)，該晶 片級(11， 12)制造將與流體分析器、例如定相加熱器陣列增強檢測結(jié)構(gòu) (PHASED)m^氣體分析器(MGA)兼容。為了M來自MM電裝置(MDD) 17的光譜化學，，光譜儀10可以提供比利用干涉濾光器或商業(yè)小型光譜儀可 育號供的緊湊性、承受能力、靈活性和響應(yīng)ffi卓越的緊湊性(l-60mmO、承 受能力、靈活性和響應(yīng)速度。術(shù)詞"流體"可以指氣體或液體或兩者。本發(fā)明可以為基于PHASED、 y拉曼、MDD的NOx/02/NH3/S02傳自和 其它類似的傳感器、以及為MDD 17在工業(yè)和政府中的用于監(jiān)控C1、 F、 P、 Hg、 Cd (包含具有在ppb"Ppm范圍內(nèi)的特定MDL的化合物)等的濃度的其它應(yīng)用 提供清楚的分析能力。1tM5文電裝置(MDD) 17光鄉(xiāng)的目前可用分析可能需 要多個分立的、窄帶通光濾波器、可拙劣地再現(xiàn)的滑動透射帶通濾波器、或昂 貴和復(fù)雜的芯片級，但仍相對體積大的光譜儀。沒有一個看來適合于簡單地集 成到基于MDD的NOx傳SI或PHASED MGA中。本發(fā)明的光譜儀可以影響(leverage) NOx傳感器中或例如PHASED MGA 的晶片與晶片結(jié)合的MEMS (微電機機電系統(tǒng)(micromachined electro mechanical system))結(jié)構(gòu)中的可用樣品氣體流M道以支持MDD光源17、單個反射面(光 柵)14、和耦合到CCD陣列的光檢測器(二極管或晶體管)陣列19。它可以 支持合理的1/5的數(shù)值 L徑并且特征在于具有5nm/像素以下的光譜分辨率的標 準CCD輸出。本發(fā)明使包括顯微機械加工(即t蟲刻) 一組具有0.250-1 u m的 光柵常數(shù)的光柵槽14以及在與MDD 17電極21和22相同的芯片11、 12上具 有光檢測器CCD陣列19的制造成為可能。光譜儀10可以被視作實用的、低成 本的、(汽車的和固定的)燃燒廢氣的NOx-02-NH3-COrS02的MDD17傳, 以湖于PHASED ^M氣體分析器的檢測器?？赏ㄟ^在拋光的光纖的末端處或在各光電二極管上所沉積的分立的干涉濾 光器為5-10個波長帶提供多個檢測器通道。這可以是低成本光譜儀的替代方案。 小的、口歡寸的光譜儀和芯片級光譜儀可能是可用的。然而，相關(guān)技術(shù)的"集成"光譜儀可能需要被布置在距離MDD為35cm的地方的CCD相機。相關(guān)技術(shù)的光柵光譜儀可具有3個像素/nm的^f摔，但不具有已知的好 的色散(以nm/um為單位)。要利用本，實現(xiàn)的其它特征和要求可包括例如 大孔徑以使信噪比最大化。光譜分辨率可以是A人《5腦半寬度，以便入/A入 》300/5=60。(在光柵14中)可存在足夠的多個、即N個光柵槽，以實現(xiàn)入/ △入《n* N的分辨率，該分辨率大于由CCD像素上的狹縫(slit)十MDD+光纖 的圖像所給定的^fjf率，其中n慰見察至啲光柵光譜的級數(shù)。槽的閃耀(blazing) 可以與預(yù)期的觀察級數(shù)一致。可以提供觀察級數(shù)以及光譜和檢測器范圍以最小 化在檢測器陣列19處不同級數(shù)之間的干涉。在PD (光電二極管)上可以有衍射限制的^f摔和聚焦。總的小體積可允許晶片級的、大量的和低成本的制造。 光譜MDD發(fā)射的檢測可以在20(M00nm范圍內(nèi)。光柵光譜儀可具有3個像素/nm的分辨率(nm可被用于指定所j吏用的波長 的尺寸，而mm可用于檢測器陣列的空間尺寸)，但不具有己知的好的色散(以 nm/mm為單位)?？珊?本裝置實現(xiàn)的其它項可包括例如大孔徑以最大化信噪 比。光譜分辨率可以是DP5nm半寬度，以便1/01*300/5=60。(在光柵14中) 可以有足夠的多個、即N^fc柵槽，以實現(xiàn)l/Dl^N的分辨率(其中n:光柵 色散級數(shù))，該分辨率大于由CCD像素上的狹縫+MDm光纖的圖像所給定的分 辨率，其中n ^H察至啲光柵光譜的級數(shù)。用于檢測器19的具有CCD的相機和PD (光電二極管)陣歹啲來源可以 包括具有像素尺寸6.8 u m的柯達KAF1401E CCD相機、具有8 x 9.5 u m的768 x494個像素的索尼DXC-107 CCD相機、具有15.0 p m的像素的馬可尼CCD37 相機、和具有44 u m正方像素和帶有100 u m厚Gadox (Gd202S)閃爍物的456 x 684 u m像素圖像區(qū)域的E2V Technologies model CCD38-20的CCD。所采用的用于實現(xiàn)令人滿意的操作和滿足上面列出的要求的方法可在圖 la、 lb、 5a、 5b、 6禾Q9中被示出。圖la和lb示出在雙晶片(11， 12) PHASED 結(jié)構(gòu)中制造光譜儀的可行性。圖5a是具有圖5b中示出的在大約線24處的頂視 圖的光譜儀、體或配置20的側(cè)視圖，包括光柵14和檢測器19的視圖。特征 是亞 、平滑和凹光柵槽(通過DR正制超恍柵晶片31中)和PD-CCD陣 列(光電檢測器電荷耦合器件)19的制造至幅片32中的集成。裝置20的尺寸 可保持在可接受的lxlxlmm體積內(nèi)，假設(shè)MDD源17的尺寸(《電極(21，22)間隙8um)和該MDD源在PD-CCD陣列(11.3um)) 19上的圖像的尺 寸足夠小以實現(xiàn)期望的^fj率。圖5a和5b示出通過允許分離的晶片31和32分別容納具有槽23和凹面的 光柵14、和PD-CCD陣列19來解決集成問題的方案。結(jié)合具有更大數(shù)量的晶片(包括分別作為通道晶片和加熱器晶片的晶片33 和34的堆棧與光柵晶片31和檢測器晶片32是一種用于將小尺寸光譜儀集成到 MGA中的方法。，20的體積要求看來與圖la和lb中示出的裝置10的那些 體積要求類似，再次假設(shè)MDD源的尺寸(《電極間隙二8um)和該MDD源 在PD-CCD陣列(11.3um)上的圖像的尺寸足夠小以實現(xiàn)期望的分辨率。光柵 14和檢測器或接收器19之間的焦距26可以是大約1000微米。圖6可以保持圖5a和5b的具有光譜儀、，或配置30的配置以允許分別 制造光柵14和PD-CCD 19并且此外克服MDD 17的尺寸限制，該尺寸限制可 以被放寬到30 u m尺寸間隙，導(dǎo)致42.43 " m的圖象尺寸和f =7500 u m (7.5mm)的光柵到PD-CCD陣列的距離25。總的^f只尺寸可以從這里提至鵬 lmm3增大到 18mm3。在圖5a和6中所表示的裝置20和30之間的主要幾何/ 制體異可能是圖6中分別在"光柵"和"通道晶片"31和32之間的額外的"間 隔晶片"35。圖6中的"間隔"35可以在支承MDD或光源17的晶片36的頂 部上具有大約6mm的厚度，其中晶片36可以具有sfl.5mm的厚度37。層35 也可以位于肖,在加熱器晶片34上的ffl3t晶片33上。晶片33和34可以一起 具有大約與晶片36相同的厚度。從一組特定特征，可以得出用于構(gòu)造本低成本光譜儀IO、 20和/或30的下 面一般的逐步指導(dǎo)方針，如圖4的第1中的規(guī)格所示，該第一表具有用虛線 框包圍的輸入。最初步驟可以是定標。這里，可以確定光柵14和PD-CCD陣列 19之間的(和如羅蘭圓15的直fe^f規(guī)定的)^^巨或焦距d (25， 26)，從而使 (光源的有限圖像實現(xiàn)期望的光譜分辨率A入所需的)色散D,等于由光柵所產(chǎn) 生的Dg。 A可以由將源(狹縫或MDD 17)成像到PD-CCD陣列19上的總長 度p' Np的幾何光學器件決定，以覆蓋入范圍入2-入1:D！=(、-入,)/p' Np =(入2 -入')/(p.(入2 -入!)/A入)=M/p ， 其中Np-(入2一、) /A「 (400-200)/3 =200/3 =67;并且p二以um為單位的 像素尺寸。另一方面，Dg可以通過光柵槽寬度g、光譜級數(shù)n、衍射角S、和焦距f來給定Dg = (、 _ 、)/(s2 _ s)=(X2 - 、)/{f (sin 52 - sin5)} = g/(f - n) 其中& =對應(yīng)于波長入12的在PD-CCD陣列19焦平面上的距離，而 sin5u=n.、2/g。因此，在g^l342腦，p=42.4"m， n=2禾口 A入=3.79nm的 情況下，可以實現(xiàn)，f 2g-p/n-AX = 7500|nm 。下一步驟可以是光柵14。以g=850nm相間隔的光柵槽23的制造(見圖4 中的第一表)可能加重制造能力的負擔。為了便于制造更寬的槽23，圖4中的 第z:^基于g=1342nm，其可以導(dǎo)致如這里示出的f=7500 u m的焦距。附加的步驟可以是與期望的觀察級數(shù)一致的槽23的閃耀。對于圖la、 lb、 5a和5b的裝置10和20來說，這可能意味著45/2=22.5°的角度。對于圖6的 裝置30來說，閃耀角可能必須是5/2=13.3°。進一步的步驟可以是孔徑?？紤]到光柵14的中心入射光束16，孑L徑可以 是A = (g'N /々2)/'(f /々2> = g'N / f。對于圖6的裝置30來說，為了實現(xiàn)A4/5，可能需要N:A.f/g: (1/5)' 7500/1 =1118個槽。另一個步驟可以是衍射限制的^f辛率和在PD 19上的聚焦。這可通過以下 方式來實現(xiàn)，即檢查由Ld=0.61 X/A=915nm=0.915um給定的衍射限制不 艦可由像素尺寸表示的本PD-CCD陣列19的光學^fjf率或定義，ll《p《43 lim，以覆蓋從圖la、 lb、 5a和5b中的分辨率到圖6的分辨率的分辨率范圍。隨后的步驟可以是光柵級的分離。通過在第二級(n=2)觀察200400nrn MDD鄉(xiāng)光譜，也可以覆蓋第一級中的777腿0線，假定這兩級被保持儲， 這可以通過用例如玻璃的UV阻擋濾光器覆蓋用于777nm線的PD-CCD像素來 實現(xiàn)，以il^光譜儀檢測范圍不需要被擴展到第二級中的 800nm。用于制造圖6中的裝置30的過程可以被修改以使得能夠輸入期望的孑L徑和 MDD 17位置(以um為單位從PD-CCD 32晶片向上并且在羅蘭圓15上)并 且記錄在圖4中的第二表中，其中用虛線框突出顯示輸入?？梢暂斎牍鈻?4和 PD-CCD陣列19之間的孔徑和距離25， f，并計算W?？梢暂斎隡DD支承晶 片36的厚度37， sw，并計算衍射角S、和在PD-CCD陣列19上的波長位置s、 以及相應(yīng)的以nm/um為單位的色散?？梢暂斎隡DD17間隙尺寸并計算MDD 圖像尺寸(假設(shè)相當于一個像素)和以nm/像素為單位的光譜^l)摔。如果后者比期望的3-5nm/像素更大，可以調(diào)整f、 sw、禾n/或MDD間隙，直到實現(xiàn)期望 的彌率?？梢源嬖谖⑿凸庾V儀10、 20和30的組合和操作。該組件可以由圖la、 lb、 5a、 5b和6示出。傳送來自MDD 17的光發(fā)射的光纖27的附加可能需要仔細地 進行，其中該MDD 17在遙遠的位置處，例如，暴露于在該遙遠的位置處的氣 味令人生厭的汽車航的樣品氣體?？梢允惯@種光纖27艦如所需的那樣多的 晶片厚度itiMk以指向光柵14的中心的角度在圖la、 lb、 5a、 5b和6示出MDD 17間隙的幾乎正好相同的點結(jié)束。如果孔28被嫩偽大于光纖27，貝似這種 角度固定和密封光纖27由于額外的死區(qū)而是可能的。這種光纖27的使用可以 比使樣氣aA光柵腔29更好，以便保持長時間無維護操作?？赡苄枰獙⒐庾V儀元件、例如光源(MDD) 17、光柵14和PD-CCD陣列 19相對于彼ltb^準。在操作過程中，MDD-源17可以最終被成像在PD-CCD陣 列19上。陣列19的輸出然后可以在需要時進一步被處理(即放大、數(shù)字化、 集成和顯示)。一些推薦的用于監(jiān)視和量化內(nèi)熱機廢氣中的NOx、 02、 S02、 NH3、 C02、 和H20的波長帶在圖3中的表中被列出。利用氣體色譜分析(GC)或具有例如 如這里所示的所使用的Ocean Optics公司光譜儀的PHASED MGA對CWA(化 學戰(zhàn)劑)模擬物的檢測在圖7中示出。圖7的圖表示出各種模擬物(simulant) 以併中為單位的GC洗脫時間。在圖7中示出的MDD輸出是針對具有CWA模 擬物的柴油機燃料在十二個波長處的色譜。Ocean Optics光譜儀的 2 x 3 x 4"的尺寸代表商用光譜儀的技術(shù)發(fā)展水平， 其相對于桌式傳統(tǒng)單元而言并不大，但相對于本裝置10、 20和30的尺寸而言 是相當大的。如這里提到的，并且為了在不必將第二級中的波長范圍擴展到777nm的情 況下觀察到O的777nm線(代表02濃度)，可在相應(yīng)于第二級范圍777/2=388.5 ±2nm的像素上放置例如玻璃的UV阻擋濾光器。相反地，阻擋第一級的 400-800nm的寬濾光器可以減少兩級之間的可能干擾。為了最小化光翻寸，合適的光吸收涂層可被施加到通道或柱的壁上，并且 考慮放置光阻止混合物，盡管由碳納米管(CNT)面(grass)組成的涂層可避 免這種需求。在本裝置的制i^3^呈中，這里所述的規(guī)格可用于100x 100 WfflM中的有 差別的MDD17設(shè)計，以在空氣中操作，并且盡可能是循環(huán)的(duty-cycled), 但獸,遵f》15ms半寬度的GC峰值。測量可以包括MDD阻抗、電流或電壓 和到M31干涉濾光器所選擇的3 —8 iffil中的光輸出。可獲得玻璃晶片、例如Pyrex，(用于作為PHASED鵬的基質(zhì))，該玻璃 晶片也可以支承MDD 17的電極21和22并且M3lMDD 17 ，MDD光16(在UV方面不足但在可見光方面可接受)。小的"干涉梯度"濾光器可被方iia在玻璃晶片的夕卜表面上，其中小間距(pitch)光電CCD^13t倍增器陣列位于CCD 或陣列19的頂部?？色@得晶片，Mt置于該晶片中，供光學器件。MDD 17 上的玻璃厚度可以是薄的。可利用被施加在光輸出側(cè)的厚電介質(zhì)涂層將MDD 電極21和22 "密封"到玻璃中，以便等離子，檢測器側(cè)并不點亮。圖8a和8b示出凹面微形光柵陣列14的制造的橫截面視圖。圖8a可以是 近似按規(guī)定比例的，并且圖8b可具有預(yù)先形成的環(huán) 脂42和用于光柵14的 薄膜或膜43的，的放大視圖。球面皿可以隨著硬面41 (不M滾珠軸承) 壓到軟面42 (環(huán)氧樹脂)中并且然后在il51^^軸承41制成的"凹坑"上使膜 43成形而制成。光柵14可以被寫在膜43表面上而膜還是平坦的。然后膜43 可以被形成到凹坑中(可能利用空氣壓力)。在該方法中，可能必須ffi31可能在 環(huán)氧樹脂42中的一些出氣口或多孑該面排除膜43之后的空氣。膜43可利用粘 合劑46附著到硅晶片45上。"有格柵的"薄膜43應(yīng)該在不壓壞光柵槽的情況下變形。例如，可將 7.5mmOD^^軸承41壓到可變形薄膜43上。這可以是使用壓力(其需要額外 的固定設(shè)備)的替代方案，因為將軸承41壓到薄膜43上在獲得正確的球面曲 率時提供可靠的命中。關(guān)于材料，可以將自由的Si3NJ莫43置于Si晶片45中的1.5-2mmED孔44 的陣列上，該膜可在光刻膠上全息地被標記，并且當在由于壓力而變形之前處 于"平坦"狀態(tài)下時被蝕刻成光柵槽。大約1.5mmOD的球殼的變形"深度"在 3.75曲率半徑的情況下可以是3,75 - (3,75A2-0,75A2> A,5 = (K07576讓，或在1500微米的中間的76微米。這可以與3.75 X (arcsin(0.75/3.75>0.75)/0.75=0.0067896、即0.679%和斷裂點以下的應(yīng)變相應(yīng)。氮化物斷裂應(yīng)力二5.87土0.62GPa禾口楊式模量二255土5GPa，其表示產(chǎn)生的應(yīng)變是 1.12%。盡管槽可在1.12%或甚至在0.679%之前"開始"斷裂。光柵14膜可以模仿母光柵(master grating)(但以反轉(zhuǎn)的方式)。因此如果 母光柵閃耀至(j特定角度，那么副本將同樣地閃耀。可以確定應(yīng)該4頓何種類型 的剝離(lift-off)薄膜以及錄lj離到什么程度將趨向于使光柵表面平面化。然而， 即4碟一次嘗試也可如同母光柵一樣閃耀。連同環(huán)氧樹脂42，可以i頓熱娜 工藝來產(chǎn)生球形，并且然后使該球形7賴口以保持皿。作為制^il程的一部分，薄膜43可在一側(cè)的氣體或液體壓力下并在另一側(cè) 的環(huán)糊脂42的情況下娜成球形(如剛巴敦包)，該環(huán),脂在希望時將變 石更，并且然后被結(jié)合到膜上(而在它石更化時沒有變形)。本裝置或' 光譜儀10、 20、 30可在于設(shè)計和它的指導(dǎo)方針。該裝置可具 有真實地集成的光學器件，該光學器件具有MDD光源17、密封光學器件(具 有在樣品氣流中工作并且M "光纖"、例如光纖27發(fā)送其^M到密封的光學 裝置的MDD)、凹面光柵14和光電檢測器(PD-CCD)陣列19。光學器件56 可以皿在裝置30中的光移動。該裝置可具有晶片級裝配和非常極端的緊密性 (1 一60mm3)，但，由于結(jié)合光柵14和PD"CCD陣列19的3te的SOA制造， 也具剤氐的制造/ 。該裝置可滿足MDD 17 ;tl寸光譜學的^P率要求并為高 信噪比和高速(低集成時間要求)檢觀J/測量提供大光學孔徑。該裝置可利用用 于光柵14、 MDD 17和光電檢測器陣列19的工藝來制造。它可使用CNT面作為光譜{ 上的非常有效的光學抗目器來最小化,光。皿光譜儀10、 20、 30可具有由于現(xiàn)在所述的制造和尺寸特征而產(chǎn)生的大弓破可靠性。這種光譜儀可由于1/5的大孔徑而具有非常短的響應(yīng)時間(短信號 集成時間需求)和高的信噪比。由于濾光器的中心波長隨著溫度和入射角的偏 移，本光譜儀可具有比基于干涉濾光器的方法更大的可靠性和更高的信噪比，并且M:限制入射角來嘗試消除該偏移可減小光輸A^信噪比。在到密封的M光譜儀中的(承載MDD17的輸出的) 一個或多個光纖27 之間可存在容易的耦合，其中光纖的端部作為"點"或"狹縫"光源起作用(見 圖6)。由于使用在內(nèi)表面上的CNT面來最小化tm光所導(dǎo)致的噪聲，光譜儀可實現(xiàn)更好的信噪比。一個可育旨要對付的問題是相關(guān)技術(shù)的緊湊MGA (微型氣體分析器)或流體組成分析器需要復(fù)雜的高速數(shù)據(jù)處理來輸出物種濃度并且使用能量消耗泵來傳送和/或稀釋樣品氣體(^MM譜儀和M氣相色譜儀所需的)，禾口/或排^i午 多感興趣的氣體、例如02、 NjQH2 (如利用IR或NDIR分析器那樣)，禾口/或 太不穩(wěn)定以至于不能可靠地用于關(guān)鍵的工業(yè)處理或安全相關(guān)應(yīng)用(聚合物和 SAW傳感器；和MOS和電化學氣體傳感器，其中一些由于對于操作來說要求 》300。C而本質(zhì)上是不安全的)中。圖9的流體組成,分析器40可影響拉曼Mt標記(signature),混合物的 齡成分不考慮它的舒對稱性(使得對稱的零偶極氣體、例如Oz、 N2和H2 不被排除)而提供該拉曼TOiH己，并且影響芯片級低成本激光器(VCSEL) 作為光源的可用性。同樣，可以影響增大光電檢測器的孔徑的可能性并且因而 通過使用(芯片級)微型光譜儀而不是在小孔徑和有損耗的干涉濾光器之后的 斜蟲的、岡啦的和固定波長的檢測器來影響齡MGA的光學效率和最小檢測 極限(MDL)。光譜儀40的原理可涉及耦合到u光譜儀的M拉曼i^t流體分析器，該P 光譜儀可能耦合到PHASED MGA。本光譜儀40的各方面可包括具有創(chuàng)新的緊 湊性、大孔徑并且因此高信噪比和低MDL、短響應(yīng)時間、和低功率消耗的ltM 拉曼氣體或流體分析器。產(chǎn)生激光的腔的光束可以作為進入密封的"光譜儀中 的入口狹縫光源工作(在使圖9中的圖像轉(zhuǎn)動90°之后)。拉曼光譜儀40同時感測02、 CO、 C02、 NO和N02的能力與其低成勒目 結(jié)合可使該裝置除了其在醫(yī)學、工業(yè)和TO應(yīng)用中的4吏用之外可用于內(nèi)部和外 部燃燒應(yīng)用。如這里所述的，GC-MS分析器可能需要重要的 處理以確定和量化存在 在未知樣品氣體中的一個或多個被分析物。消耗時間和電功率的被分析的混合 物尤其可能是計算密集的。這種計算能力需求特別是在被分析的氣體混合物的 情況下可能利用IR吸收分析器不會減小太多。然而，確定和量化被分析物的不可抵抗的計算要求在拉曼光譜學的情況下 并不一定需要，因為拉曼翻寸光譜看起來比GC-MS或IR分析器的標記容易得 多，除了可能只有一些(并且因此不太可靠的)波長帶通道的簡單NDIR分析 器之外。拉曼tm光譜的簡單性利用在圖10中用圖表示的少數(shù)拉曼線來示出，其中這些拉曼線以cm—i為單位，4，光氣、C02、氰化物和02。圖10中的圖^ 出材料對散射光輸出相對于輸入光的頻率的增大的拉曼頻率偏移。盡管在較短 的波長處M)"強度或效率可能更高，但該偏移的測量看來在IR中比在可見或 UV中更容易以低分辨率(入/A入)實現(xiàn)。除了與IR光譜或者甚至MS (質(zhì)譜 儀)標記的質(zhì)量碎片相比而言線的不^外，另一個顯著的特征似乎，, 擇輸入激光波長皿擇操作的波長區(qū)域的能力，其中所得到的和繪制的拉曼偏 移并不依賴于其。更復(fù)雜的針可以比更簡單的針具有一些更多的線。而且， 圖10示出雙原子分子、例如02 (或H2， N2)可以具有清晰的和可觀察到的線 偏移，在近IR的光譜測定將不提供該線偏移。拉曼光譜儀的這些基本方面的應(yīng)用可能受目前可用的和相對體積大的并且 不便攜的拉曼MGA版本阻礙。本光譜儀40可揭示，除了尺寸減小之外，怎么 微型化并增加已知拉曼光譜儀在幾個級別上的功能。本光譜儀40的一部分可包 括4頓光學檢測器19，其比由在相關(guān)技術(shù)中4頓的離散光學窄帶通濾波器定義 的少數(shù)光波段更通用。圖9示出拉曼光譜儀40的一種版本，其中檢測器19可 提供緊湊性、相對于相關(guān)技術(shù)的光檢測通道數(shù)量的10—50倍增加、和非常高的 數(shù)值孔徑或f數(shù)。在CCD陣列19上的光電檢測器可實現(xiàn)有利的信號集成和處 理。VCSEL (垂U空表面發(fā)光激光器)光源41可以比氣體激光器更加緊湊。為 了最大化iOT壽命，樣品氣^^與光譜儀40的光柵14接觸(避免光學表面污 染的危險)，因為在光源41和它的目鏡43所位于的光腔42之間可存在窗口 57。然而，樣品58可iSA外部激光腔42并為了最大量的拉曼翻寸輸出光16而 與光44相互影響。拉曼MGA光譜儀40的核心可以是激光腔42。特別是，通過定位外部 VCSEL41到反射鏡43的多反射光束44，其不是與圖9中所示的完^Hf地被 定位(但為了說明性目的而像這樣被定位)，但光束44可以與光柵14槽23平 行。裝置40的該配置可槲言噪比增大到至少另一個10倍，其又可將MDL增大 相等的數(shù)量。拉曼(散射)光然后可從被定位為好像是光譜儀的入口狹縫的線 產(chǎn)生，并且被成像到CCD光電檢測器陣列19的相似成形的元件上(除非設(shè)置 有合適的柱面透鏡以將圖像線向下聚焦到"點"，艮卩到點狀檢測器的CCD陣列 19)。本拉曼光i普儀40可以與由PHASED MGA通過大約100 u m ID 'ltffi3t提 供的預(yù)先濃縮的并且組分分離的被分析物的樣品氣體輸出兼容。本微型拉曼(氣體或流體)光譜儀40的各方面可以與MGA組合以得到使 用緊湊VCSEL光源41技術(shù)的緊湊的,拉曼分析器。該光譜儀使用具有CCD 陣歹啲光電檢測器19鄉(xiāng)行光學檢測、集成和信號處理步驟。本微型拉曼光譜儀40相對于相關(guān)技術(shù)的優(yōu)點可包括減小的外包裝尺寸的 10—20倍的減小(體積和重量減小的1000—8000倍)并且它可以使用比由離散 光學窄帶通濾波器定義的少數(shù)光波段魏用的光學檢測器。同樣，相對于相關(guān) 技術(shù)，光譜儀40可以具有光學檢測通道數(shù)量的10—50倍增加。本光譜儀40可 具有可增加信噪比的非常高(大約1/10)的數(shù)值孔徑或f數(shù)(與線狀Mf源相耦 合)，并且由于它們的角靈敏度(通過的波長取決于入射角)，不能和窄帶通干 涉濾光器一起使用。本分析器40的高孔徑肖,實現(xiàn)更短的集成時間和因此總的 更決的總響應(yīng)時間。圖11示出相對于PHASED檢測器結(jié)構(gòu)47表面增強的拉曼光譜儀、配置或 裝置50的說明性例子。VCSEL光源41可以，光束48，該光束射到位于 PHASED加熱器膜51上的薄膜49上并被g到光柵14上。光柵14可部分地 ffiil凹口或邊緣濾光器52反射光48以便被微型CCD陣列49檢測。薄膜49可 被認為是表面增強的拉曼光譜儀薄膜。光源可用于提供來自在由光照射的薄膜 表面上被吸收的流體的拉曼TO。圖12示出相對于PHASED檢測器結(jié)構(gòu)47表面增強的拉曼光譜儀、配置或 裝置60的說明性例子。VCSEL41可劃寸光48，該光可M31可能的光學器件54 射至U位于加熱器膜51上的表面增強的拉曼光譜儀薄膜49上。加熱器膜49可以 是PHASED結(jié)構(gòu)47的一部分。光48可被薄膜49反射到可具有或不具有分束 器的特性的凹口或，濾光器53上。濾光器53對于圖12中的說吸性例子來說 看來具有分束器的特性。濾光器53可根據(jù)濾光器的規(guī)格反射確定的光48以通 5iitl寸光柵55。在一些配置中，該光柵可以是反射的。從光柵55，光48可通 過可能的光學器件繼續(xù)到M CCD陣列19。如果需要的話，陣列19可以具有 TE7t4卩器。如果需要的話，PHASED結(jié)構(gòu)47可以具有TE冷卻器。可以與光譜儀IO、 20、 30、 40、 50和60結(jié)合4吏用的流體分析器可包括一 個或多個通道，用于沿支承加熱器的膜禾咽定相位的樣品的流動以進行樣品分 析。該一個或多個通道可以是微型流體分析器的主要的部分。該分析器可具有 預(yù)濃縮器(PC) 101 (g卩，濃縮器)和合并該一個或多個通道的色譜分離器(CS)102。圖13 ^/示例流體分析器的系統(tǒng)視圖，該流體分析器可以是用于增強檢測 (PHASED) M氣體分析器(MGA) 110的定相加熱器陣列結(jié)構(gòu)。它揭示可 包括這里描述的專門設(shè)計的通道的微型氣體分析器110的某些細節(jié)。PHASED MGA110和它的變型方案可被用于多種流體色譜應(yīng)用。
樣品流lll可駄至微分熱傳導(dǎo)報測器(TCD)(或其它體)115的第 一分支的輸入端口 U2。泵116可影響流體111經(jīng)由管117通過設(shè)備110的流量。 對于圖B中的系統(tǒng)110來說，可以有附加的泵、和各種管或，布置或配置。 流體111可移動通過TCD 115、濃縮器101、流量傳感器122、分離器102和TCD 118。控制器119可管理流術(shù)克動、以及濃縮器101和分離器102的活動?？刂?器119可與TCD115、濃縮器IOI、流量傳感器122、分離器102、 TCD118和 泵116相連接。來自檢測器115和118、傳麟122的繊可被發(fā)送到控制器 119，該控制器又可以 該 。術(shù)語"流體"可以指氣體或液體，或兩者。
圖14是表示圖13中的 器101和/或分離器102的一部分的傳感器裝置 110的部分的示意圖。傳感器裝置110的該部分可包括襯底或保持器124和控制 器119?？刂破?19可以被合并或可以不被合并到襯底124中。襯底124可具有 多個被定位于其上的薄膜加熱器元件125、 126、 127和128。雖然只示出了四個 加熱器元件，但可設(shè)置任何數(shù)量的加熱器元件，例如，在兩個到一千個之間， 但典型地在20—100范圍內(nèi)。加熱器元件125、 126、 127和128可由任何適合 的電導(dǎo)體、穩(wěn)定金屬、合金薄膜或其它材料制成。加熱器元件125、 126、 127 和128可被設(shè)置在薄的、低熱質(zhì)量、低面內(nèi)熱傳導(dǎo)膜^:承部件124上，如圖 14和15中示出的。
襯底130可具有邊界明確的單Mit定相加熱器機構(gòu)131，該加 機構(gòu)131 具有用于接收樣品流彬鬼111的M3t 132，如圖15中所示。該M可M^擇 性地蝕刻支承部件124附近的硅鵬晶片襯底130來制造。該通道可包括輸入 端口 133和排出端口 134。
傳S^置110也可包括在通道132內(nèi)的多個交互式元件，以便它們暴露 于流動的樣品流體lll。 *交互式元件可鄰近于相應(yīng)的加熱器元件、即為了最 的可能接觸被定位。例如，在圖15中，^5式元件135、 136、 137、禾口 138 可被^S在通道132中的支承部件124的表面上，并且分別鄰近于加熱器元件 125、 126、 127、和128?？梢源嬖诰哂懈郊拥慕换ナ奖∧ぴ钠渌ǖ?，這些其它通道未在本說明性例子中示出。交互式元件可由通常使用在液體或氣體 色譜儀中的任何數(shù)量的薄膜形成。此外，上面的^S式物質(zhì)可通過合適的摻雜
齊味，以獲得變化的極性和/或船夂性程度，以獲得目標分析物的最佳吸收和/ 或分離。
控制器119可電連接到加熱器元件125、 126、 127、 128和檢測器115和 118中的每一個，如圖14中所示。控制器119可以以時間定柳,掛共能量給 加，元件125、 126、 127和128 (見圖16的底部)，以便相應(yīng)的^S式元件 135、 136、 137、禾口138中的每一個在大約由一個或多個上游^S式元件產(chǎn)生的 上游濃度脈沖到達該交互式元件的時間變熱并將所選擇的成分釋放到流動的樣 品流體111中。任何數(shù)量的交互式元件可被用于以濃度脈沖實現(xiàn)期望濃度的成 約體。所得到的濃度脈沖可被提供給檢測器U8，用于檢測和分析。
圖16 ^出說明性的相對加熱器溫度連同在每一個加熱器元件上所產(chǎn)生 的相應(yīng)的濃度脈沖的圖表。如上所述，控制器119可以利用電壓信號150以時 間定相順雜供能量給加繊元件125、 126、 127和128。加熱器元件125、 126、 127、和128的時間定相加熱器相對、M可以分別通過,分布曲線或線151、 152、 153、禾口154示出。
^E^示出的例子中，控制器U9 (圖14)可以首先提供能量給第一加熱器 元件125以提高其溫度，如以圖16的線151所示。由于第一加熱器元件125熱 耦合到第一交互式元件135 (圖15)，如果沒有其它加熱器元件受脈沖作用，則 第一^S式元件將所選擇的成分釋放到流動的樣品流體111中以在加熱器元件 125上產(chǎn)生第一濃度脈沖161 (圖16)。流動的樣品流體lll向下游朝著第二加 元件126傳送第一濃度脈沖161，如箭頭162所示。
以元件125上的能量脈沖已停止開始或在元件125上的能量脈沖己停止之 前，控制器119可以接著提供能量給第二加熱器元件126以提高勢顯度，如以 線152所示。由于第二加熱器元件126熱耦合至嗨二妊式元件136，第二交互 式元件也將所選擇的成分釋放到流動的樣品流體111中以產(chǎn)生第二濃度脈沖。 控制器119可以提供能量給第二加熱器元件126，以便第二濃度脈沖基本上與第 一濃度脈沖161重疊以產(chǎn)生更高的濃度脈沖163，如圖16中所示。流動的樣品 流體111可以向下游朝著第三加熱器元件127傳送更大的濃度脈沖163，如箭頭 164所示。控制器119可以接著提供能影合第三加熱器元件127以提高期鵬，如以 圖16中的線153所示。由于第三加熱器元件127熱耦合到第三交互式元件137， 第三妊式元件137可以將所選擇的成分釋放到流動的樣品流體中以產(chǎn)生第三 濃度脈沖。控制器119可以提供能S^合第三加熱器元件127，以便第三濃度脈沖 基本上與第一和第二加熱器元件125和126所提供的更大的濃度脈沖163重疊 以產(chǎn)生甚至更大的濃度脈沖165。流動的樣品流體111向下游朝著"第N個" 加熱^l元件128傳送該更大的濃度脈沖165，如箭頭166所示。
控制器119可以接著提供育匯給"第N個"加熱器元件128以提高欺鵬， 如以線154所示。由于"第N個"加熱器元件128熱耦合到"第N個"交互式 元件138，"第N個"妊式元件138可將所選擇的成分釋放到流動的樣品流體 111中以產(chǎn)生"第N個"濃度脈沖。控制器119可提供能影合"第N個"加熱 器元件128，以便"第N個"濃度脈沖基本上與之前的N-l個交互式元件所提 供的更大的濃度脈沖165重疊。流動的樣品流體可將所得到的"第N個"濃度 脈沖167傳送到分離器102或檢測器118。
在這里所使用的術(shù)語可包括CCD (電荷耦合器件)、MDD (M5文電裝置) 和PD (光電檢測器)。符號可包括A (孔徑或f數(shù)，N.g/f = W/f )、 d ((光源 到光柵的)距離，以um為單位)、Di (在PD-CCD陣列上的圖像的波長色散， 以ran (波長))/um (長度)為單位)、Dg (光柵產(chǎn)生的光的色散， Dg =(入2 _ 、)/(s2 _ s)=(X2 -入,)/(f. (sin 52 - sin 5!)} = g/(f. n) )、 f (光柵禾口 PD誦CCD 陣列之間的距離，凹面光柵焦距和羅蘭圓的直徑)、g (光柵槽中'卜中心間隔， 以nm為單位)、N (光柵槽的數(shù)目)、Np (PD-CCD陣列中的像素的數(shù)目)、p (像素尺寸，以um為單位)、s (在PD-CCD平面上可變的空間，s2—81對應(yīng)于 sw (MDD源的，ttPD-CCD表面上的厚度)、W (光柵的寬度)、 S (入射到光柵和從光柵輸出的光線之間的角度，即如圖5中和圖2中所定義 的衍射角，5 = arcsin{(Sw/f)°5})、 A入C^H象素所覆蓋的波長范圍，以nm為 單位)、和入(波長，以腿為單位，入產(chǎn)所4頓的范圍的最小波長和入f所 使用的范圍的最大波長)。
在本說明書中，盡管以另一種方式或時態(tài)來陳述， 一些問題可具有假設(shè)的 或預(yù)言的特性。
盡管本發(fā)明已根據(jù)至少一個說明性例子進行了描述，但多個變型和改進方案對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說在閱讀本說明書時將變得顯而易見。因此意圖是鑒于 現(xiàn)有技術(shù)盡可能寬泛地解釋所附的豐又利要求以包括所有這樣的變型和改進方 案。
權(quán)利要求
1. 一種光譜儀，包括第一晶片(11)；具有位于該第一晶片上的第一通道(13)和第二通道(13)的第二晶片(12)；位于該第一通道的第一端的光源(17)；位于該第一通道的第二端和該第二通道的第一端的反射器(14)；和位于該第二通道的第二端的檢測器陣列(19)；并且其中該光源、該反射器和該檢測器陣列位于平面中的圓(15)的圓周周圍。
2. 如權(quán)利要求1所述的光譜儀，其中該反射器(14)是光柵。
3. 如^l利要求1所述的光譜儀，其中該圓(15)是羅蘭圓。
4. 一種光譜儀，包括 第一晶片(32);位于該第一晶片上的檢測器(19);位于該第一晶片上的第二晶片(34)，具有在該檢測器周圍的第一開口，并且具有光源(17);第三晶片(33)，位于該第二晶片上，具有近似地與該第一開口對準的第二 開口，并且具有與該第一和第二開口相交的通道；和第四晶片(31)，位于該第三晶片上，并且具有位于該第二開口附近的目 器光柵(14)。
5. 如權(quán)利要求4所述的光譜儀，其中該光源(17)是光纖(27)的一端， 該光纖具有與光源耦合的另一端。
6. —種光譜儀，包括 外殼；在該外殼的第一位置處的窗口 (57);在該外殼的第二位置處的鄉(xiāng)器光柵(14); 在該外殼的第三位置處的檢測器(19);禾口 位于該外殼的外部的鄰近于該窗口 (57)的光源；并且 其中光路(16)育,從該光源到達該反射器光柵(14)，并且從該反射器光柵到達檢測器(19);該光源、該皿器光柵和該檢測激立于圓(15)的圓周附近。
7. 如權(quán)利要求6所述的光譜儀，其中該圓(15)是羅蘭圓。
8. —種光譜儀，包括 光源(41);位于支承體上的薄膜(49); 位于該薄膜附近的光柵(14); 檢測器(19);禾口位于該光柵和該檢測器之間的濾光器(52);并且 其中光路(48)從該光源到該薄膜，從該薄膜到該光柵，從該光柵iM:該濾光 器到該檢測器；并且該薄膜(49)在來自該光源(41)的光(48)撞擊時發(fā)射拉曼光。
9. 如權(quán)利要求8所述的光譜儀，其中該光源(41)是VCSEL。
10. —種光譜儀，包括 光源(41);位于，體上的薄膜(49); 位于該光源和該薄膜之間的濾光器(53); 位于該濾光器附近的光柵(55);和 令P近于該光柵的檢測器(19);并且 其中光路(48)從該光源到該薄膜，從該薄膜到該濾光器，從該濾光器到該光 柵，并且從該光柵到該檢測器；以及在接收到來自該光源(41)的光時能夠從該薄膜(49)，拉曼光。
全文摘要
一種具有多晶片結(jié)構(gòu)的光譜儀(10，20，30，40，50)。該結(jié)構(gòu)可以利用MEMS技術(shù)來制造。該光譜儀可以與流體分析器(110)集成。連同光發(fā)射點(17)和檢測器(19)一起位于羅蘭圓(15)的圓周上的諸如衍射或全息光柵的反射光柵(14)可以是光譜儀的配置。一些配置可使用外部光源，其中光可被光學傳送到該圓上的發(fā)射點(17)?？梢源嬖诶渲茫渲泄夂土黧w分析器中的通道的樣品或交互式薄膜(49)的相互作用是光譜儀的光發(fā)射點。在光譜儀的一些配置中，光柵(14，55)和/或薄膜可以是反射的或透射的。
文檔編號G01J3/20GK101263372SQ200680026072
公開日2008年9月10日 申請日期2006年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月17日
發(fā)明者J·德特里, K·約翰遜, T·馬塔, U·博納 申請人:霍尼韋爾國際公司