特征光谱识别芯片、其制造方法及使用该芯片的检测装置转让专利
申请号 : CN200710145713.7
文献号 : CN101378067B
文献日 : 2010-09-29
发明人 : 邵剑心 , 樊斌
申请人 : 邵剑心 , 樊斌
摘要 :
权利要求 :
1.一种特征光谱识别芯片，其特征在于：
所述特征光谱识别芯片包括阵列式半导体光学传感器，所述半导体光学传感器的阵列式结构中包括至少一个检测像素和至少一个参考像素，所述特征光谱识别芯片还包括至少一个光学滤光片，每个所述检测像素的表面被对应的光学滤光片覆盖，每个所述光学滤光片具有特征波长，使得以所述特征波长为中心的预定宽度范围内的波长能够经过所述光学滤光片透射，而所述范围之外的波长不能透射。
2.根据权利要求1所述的特征光谱识别芯片，其特征在于：所述预定宽度的大小在2nm-200nm之间。
3.根据权利要求1所述的特征光谱识别芯片，其特征在于：所述检测像素的数目为至少两个并被划分为至少两个组，在所述至少两个组的每个组中，各检测像素对应的光学滤光片具有相同的特征波长。
4.根据权利要求1所述的特征光谱识别芯片，其特征在于：所述半导体光学传感器包括m组检测像素和n个参考像素，用于对m个待测的特征波长进行检测，其中，每个所述组包括n个具有相同特征波长的检测像素，m、n为正整数。
5.根据权利要求1所述的特征光谱识别芯片，其特征在于：所述光学滤光片是通过半导体工艺制成的。
6.根据权利要求5所述的特征光谱识别芯片，其特征在于：所述光学滤光片直接制作在所述半导体光学传感器的表面上。
7.根据权利要求5所述的特征光谱识别芯片，其特征在于：所述光学滤光片制作在所述半导体光学传感器的保护结构表面上。
8.根据权利要求5所述的特征光谱识别芯片，其特征在于：所述半导体工艺包括从下列处理步骤构成的组中选择的一个或多个处理步骤：化学气相沉积、溅射、真空蒸发、刻蚀、抬离、清洗、抛光、去胶。
9.根据权利要求8所述的特征光谱识别芯片，其特征在于：所述溅射包括激化辅助溅射。
10.根据权利要求8所述的特征光谱识别芯片，其特征在于：所述刻蚀包括光刻。
11.根据权利要求1所述的特征光谱识别芯片，其特征在于：所述光学滤光片是由交替排列的高折射率介质材料的层和低折射率介质材料的层组成的多层膜结构。
12.根据权利要求11所述的特征光谱识别芯片，其特征在于：所述高折射率介质材料包括下列材料中的至少一种：TiO2、Nb2O5、Ta2O5、HfO2、Si3N4。
13.根据权利要求11所述的特征光谱识别芯片，其特征在于：所述低折射率介质材料包括下列材料中的至少一种：Al2O3、MgF2、SiO2。
14.根据权利要求1所述的特征光谱识别芯片，其特征在于：所述半导体光学传感器是下列传感器中的一种：电荷耦合器件传感器、互补金属氧化物半导体传感器或红外传感器阵列。
15.根据权利要求1所述的特征光谱识别芯片，其特征在于：所述参考像素上带有长波通滤光片、短波通滤光片或带通滤光片。
16.根据权利要求1所述的特征光谱识别芯片，其特征在于：所述光学滤光片外部设有下列附加结构中的至少一项：红外滤光片、紫外滤光片、增透膜层、会聚透镜、保护层。
17.根据权利要求5所述的特征光谱识别芯片，其特征在于：所述检测像素的数目为至少两个并被划分为至少两个组，在所述至少两个组的每个组中，各检测像素对应的光学滤光片具有相同的特征波长；
所述至少两个组包括一个预定组以及除了所述预定组之外的其他组，对于所述其他组中的每一个组，执行下述步骤a)-d)的处理：a)在衬底上沉积具有所需特征波长的光学滤光片，b)在步骤a)得到的衬底上形成脱模层，
c)在步骤b)得到的衬底上旋涂光刻胶并对所述光刻胶进行曝光，以及d)对步骤c)得到的衬底进行刻蚀；
在对所述其他组中的每一个组都执行上述步骤a)-d)的处理之后，对所述预定组执行下述步骤e)-f)的处理：e)在经过上述处理所得到的衬底上沉积具有所需特征波长的光学滤光片，以及f)除去此前步骤中形成的全部脱模层以及这些脱模层上方的层。
18.根据权利要求17所述的特征光谱识别芯片，其特征在于：对于所述其他组中的每一个组，在执行所述步骤d)的处理之后，执行下述步骤d’)的处理：d’)对步骤d)所得到的衬底进行清洗，洗去残留的光刻胶。
19.根据权利要求17所述的特征光谱识别芯片，其特征在于：所述脱模层由铜构成，或者是由铜和铝组成的复合层。
20.根据权利要求1所述的特征光谱识别芯片，其特征在于：所述特征光谱识别芯片上还带有光源装置，所述光源装置包括半导体激光二极管或半导体发光二极管，并且所述光源装置发射的波长中包括至少一个所述光学滤光片的特征波长。
21.一种针对吸收光谱的特征光谱识别装置，其特征在于：所述装置包括照明光源、光学透镜、信息处理部分以及根据权利要求1-19中任意一项所述的特征光谱识别芯片，所述照明光源发出的光经所述光学透镜后经过待测样品透射到所述特征光谱识别芯片上，并由所述信息处理部分对所述特征光谱识别芯片的输出信号进行分析，从而识别出一个或多个待测特征波长。
22.根据权利要求21所述的装置，其特征在于：所述照明光源是宽带光源，所述宽带光源发出的辐射中包含了所述待测特征波长中的至少一个波长。
23.根据权利要求22所述的装置，其特征在于：所述照明光源是白炽光源或白光发光二极管。
24.根据权利要求21所述的装置，其特征在于，所述照明光源包括由多个窄带光源组成的多通道光源，所述多个窄带光源能够发射出多个发射波长，所述多个发射波长中至少包括所述待测特征波长中的一个波长。
25.根据权利要求21所述的装置，其特征在于，所述装置中至少由所述照明光源、所述光学透镜和所述特征光谱识别芯片组成的部分是一次性使用的。
26.根据权利要求21所述的装置，其特征在于，所述装置中至少由所述照明光源、所述光学透镜和所述特征光谱识别芯片组成的部分被制成可吞服的形状或容纳在可吞服的胶囊中。
27.一种针对荧光光谱的特征光谱识别装置，其特征在于：所述装置包括激发光源、信息处理部分以及根据权利要求1-17中任意一项所述的特征光谱识别芯片，所述激发光源发出的光照射到待测样品上而激发出荧光，所述特征光谱识别芯片接受所述荧光，并由所述信息处理部分对所述特征光谱识别芯片的输出信号进行分析以识别特征光谱。
28.根据权利要求27所述的装置，其特征在于：所述激发光源是窄带发光光源。
29.根据权利要求28所述的装置，其特征在于：所述窄带发光光源包括下列任意一项：激光器、激光二极管、激光二极管组、带有窄带光学滤光片的发光源。
30.根据权利要求28所述的装置，其特征在于：所述窄带发光光源包括一个激光二极管或由多个激光二极管组成的激光二极管组。
31.根据权利要求27所述的装置，其特征在于，所述装置至少由所述激发光源和所述特征光谱识别芯片组成的部分是一次性使用的。
32.根据权利要求27所述的装置，其特征在于，所述装置中至少由所述激发光源和所述特征光谱识别芯片组成的部分被制成可吞服的形状或容纳在可吞服的胶囊中。
33.一种生物芯片扫描装置，其特征在于：
所述扫描装置包括激发光源、生物芯片以及信息处理部分，所述生物芯片的基底包括根据权利要求1-19中任意一项所述的特征光谱识别芯片，所述激发光源发出的光照射到待测样品上激发出荧光，所述荧光被所述特征光谱识别芯片所接收，所述信息处理部分对所述特征光谱识别芯片的输出进行分析。
34.一种用于制造特征光谱识别芯片的方法，其特征在于：所述特征光谱识别芯片包括阵列式半导体光学传感器，所述半导体光学传感器的阵列式结构中包括多个检测像素和至少一个参考像素，所述特征光谱识别芯片还包括多个光学滤光片，每个所述检测像素的表面被对应的光学滤光片覆盖，所述方法包括通过下述方式制造所述光学滤光片：提供衬底，所述衬底表面的表面区域能够被划分为至少两个组，所述至少两个组包括一个预定组以及除了所述预定组之外的其他组，对于所述其他组中的每一个组，执行下述步骤a)-d)的处理：a)在所述衬底上沉积具有所需特征波长的光学滤光片，b)在步骤a)得到的衬底上形成脱模层，
c)在步骤b)得到的衬底上旋涂光刻胶并对所述光刻胶进行曝光，以及d)对步骤c)得到的衬底进行刻蚀；
在对所述其他组中的每一个组都执行上述步骤a)-e)的处理之后，对所述预定组执行下述步骤e)-f)的处理：e)在经过上述处理所得到的衬底上沉积具有所需特征波长的光学滤光片，以及f)除去此前步骤中形成的全部脱模层以及这些脱模层上方的层。
35.根据权利要求34所述的方法，其特征在于：对于所述其他组中的每一个组，在执行所述步骤d)的处理之后，执行下述步骤d’)的处理：d’)对步骤d)所得到的衬底进行清洗，洗去残留的光刻胶。
36.根据权利要求34或35所述的方法，其特征在于：所述脱模层由铜构成，或者是由铜和铝组成的复合层。
说明书 :
技术领域
本发明涉及一种半导体芯片，特别是一种用于特征光谱识别的半导体芯片。本发明还涉及该芯片的制造方法以及使用该芯片的检测装置，特别是针对吸收光谱、荧光光谱的特征光谱识别装置以及生物芯片扫描装置。
背景技术
用于进行上述光谱检测的设备通常都是一些大型的、昂贵的仪器设备。例如，图1示出了一种现有技术的荧光光谱仪的结构示意图，图2示出了一种用于对吸收光谱进行测量的血红蛋白测量仪的结构示意图，而图3示出了一种现有技术的基因芯片测量仪的结构示例。现代化的通用测量设备甚至可以给出试样在很宽的连续光谱范围内的发射或吸收特性等，但是也相应地需要精密复杂的调节机构、宽带分光器件和传感器、以及昂贵复杂的处理分析装置等。因此，这些仪器的成本和操作复杂性使它们只适于在少量的专业医疗机构中使用。
随着社会的进步，同时也由于社会老龄化的倾向，对于医疗诊断设备大众化、小型化、便携式化的要求越来越高，最好能够使这些设备直接进入家庭。这在技术上对光谱检测方法提出了进一步的要求。
发明内容
根据本发明的另一个方面，提供了一种针对吸收光谱的特征光谱识别装置。该装置包括照明光源、光学透镜、信息处理部分以及根据本发明第一方面的特征光谱识别芯片。其中，照明光源发出的光经光学透镜后经过待测样品透射到特征光谱识别芯片上，并由信息处理部分对特征光谱识别芯片的输出信号进行分析，从而识别出一个或多个待测特征波长。
根据本发明的再一个方面，提供了一种针对荧光光谱的特征光谱识别装置。该装置包括激发光源、信息处理部分以及根据本发明第一方面的特征光谱识别芯片。其中，激发光源发出的光照射到待测样品上而激发出荧光，特征光谱识别芯片接受荧光，并由信息处理部分对特征光谱识别芯片的输出信号进行分析以识别特征光谱。
本发明还提供了一种生物芯片扫描装置。该扫描装置包括激发光源、生物芯片以及信息处理部分，其中生物芯片的基底包括根据本发明第一方面的特征光谱识别芯片。激发光源发出的光照射到待测样品上激发出荧光，荧光被特征光谱识别芯片所接收，信息处理部分对特征光谱识别芯片的输出进行分析。
本发明还提供了一种用于制造特征光谱识别芯片的方法。该方法包括：
提供衬底，该衬底表面的表面区域能够被划分为至少两个组，所述的至少两个组包括一个预定组以及除了所述预定组之外的其他组；
对于所述其他组中的每一个组，执行下述步骤的处理：
a)在衬底上沉积具有所需特征波长的滤光片，
b)在步骤a)得到的衬底上形成脱模层，
c)在步骤b)得到的衬底上旋涂光刻胶并对光刻胶进行曝光，以及
d)对步骤c)得到的衬底进行刻蚀；
在对所述其他组中的每一个组都执行上述步骤a)-e)的处理之后，对所述预定组执行下述步骤e)-f)的处理：
e)在经过上述处理所得到的衬底上沉积具有所需特征波长的滤光片，以及
f)除去此前步骤中形成的全部脱模层以及这些脱模层上方的层。
根据本发明，可以利用半导体工艺以低成本制造特征光谱识别芯片，并可以利用这样的芯片方便地制作出体积极小、成本很低的吸收光谱测量仪和荧光光谱测量仪。由于其成本很低，所以甚至可以制成药丸式的微型测量装置或者一次性使用的可抛弃式装置。另外，对于每个感兴趣的特征波长都可以制作一个滤光片，所以可以以多通道并行方式一次检测多个波长。与针对宽光谱范围的检测相比，由于这种芯片是针对离散的特定波长进行检测的，滤光片和传感器不必因照顾到无关的波长而牺牲性能，而且传感器与待测样品间的距离可以很小，所以信噪比可以更高。还可以将这样的芯片周期性地排列，制成基因微阵列芯片的基底，不需要复杂的扫描系统即可以并行方式对基因进行测量分析。由于这些测量设备操作简便、体积小、成本低，所以可以直接进入家庭使用，而不局限在专业的医疗机构中。
附图说明
图2是现有技术的一种用于对吸收光谱进行测量的血红蛋白测量仪的示意图。
图3是现有技术的一种基因芯片扫描仪示意图。
图4示出了根据本发明实施例的特征光谱识别芯片俯视示意图。
图5(a)-图5(1)示出了制作本发明的特征光谱识别芯片所采用的半导体工艺步骤的一种实施例。
图6示出了根据本发明的特征光谱识别芯片上的光学滤光片的一种示例性透过率曲线。
图7示出了用根据本发明的特征光谱识别芯片测量吸收光谱的一个实施例。
图8示出了用根据本发明的特征光谱识别芯片测量荧光光谱的一个实施例。
图9示出了用根据本发明的特征光谱识别芯片作为基因微阵列芯片基底的示意图。
图10示出了根据本发明的生物芯片扫描装置的一种实施例。
具体实施方式
在生物试样的光谱检测过程中，整个测量光谱范围内对检测结果真正起决定作用的通常只有一两条光谱线(即一两个波长)，这种光谱线称为特征光谱(特征波长)。只要能够选择性地让探测器只接收这种特征光谱的光能量，就能获得所需的检测效果。因此，对于例如家用场合，只要能够以较低成本实现对几个特征波长的检测，就可以达到检测目的，而没有必要采用昂贵复杂的通用检测设备。
图4示出了根据本发明一种实施例的特征光谱识别芯片的俯视示意图。根据本实施例的特征光谱识别芯片中包括阵列式的半导体光学传感器，如电荷耦合器件(CCD)传感器、互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器或红外阵列传感器。半导体光学传感器包括至少一个检测像素，还包括至少一个参考像素。每个检测像素的表面上带有一个滤光片，该滤光片能够覆盖对应的像素表面，优选为使其形状、大小与对应的像素表面基本相同。在需要对多个特征波长进行检测的情况下，可以设置多个检测像素，并使各个检测像素表面所带的光学滤光片分别针对不同的波长。例如，图4所示特征光谱识别芯片的三个检测像素表面带有滤光片102、103、104。
每个滤光片102、103、104可以看作一个光学带通滤波器，它们分别能透射以不同特征波长为中心的预定宽度范围内的波长，而会阻挡相应范围之外的其他波长。图6示出了一个滤光片(例如滤光片102)的光谱透射率曲线的形状。图6所示滤光片102透射的特征波长中心约为565nm，透射的波长宽度范围(即带通滤波器的通带宽度)约为12nm。对于其他滤光片103、104等，其特征波长的中心位于另外的波长；透射的波长宽度可以同样是12nm，也可以是其他数值。通常情况下，减小透射的波长宽度有利于提高检测精度；而增大该宽度可以则可以增强信号强度，提高信噪比。实际应用时，可以根据所测特征光谱的波长带宽，以及周围无效光谱的波长范围和强度而具体决定该宽度。另外，还可以考虑实际制作的难度和成本来选择该宽度。考虑到实际应用情况，各个滤光片透射的波长宽度优选为2-200nm之间的数值，更优选为10-20nm之间，这样的透射宽度范围可以在维持较低制作成本的同时保证适当的检测精度。
位置101处的像素作为参考像素，该像素可以保持为不带滤光片的状态，或者也可以使该像素带有非检测性质的结构。所述非检测性质的结构例如用于滤去干扰光的滤光片，该滤光片例如只允许波长高于(或低于)某个截止值的辐射通过的长波通(短波通)滤光片，或者是允许波长在一定范围内的辐射通过的带通滤光片。通过将检测像素测得的光强等参数与参考像素测得的相应参数进行比较，即可获得特征波长的有关信息，并进而通过该信息获得所需的生物信息。
图4示出的芯片可以对3个特征波长进行检测，其阵列式传感器中包括4个像素，但这些数目仅仅是示意性的，实际的像素数和芯片数都可以根据需要测量的特征光谱的数目来确定。优选地，在对m个特征波长进行检测的情况下，阵列中的像素数目为n·(m+1)，其中m、n为正整数。这些像素中的n·m个为检测像素，例如，第一组n个像素带有针对第一特征波长的滤光片，第二组n个像素带有针对第二特征波长的滤光片，…，第m组n个像素带有针对第m特征波长的滤光片，而另外的一组n个像素作为参考像素。例如，在对3个特征波长进行检测的情况下，阵列中可以包括4个、8个、12个甚至多达成千上万个像素，这些像素中的一部分在表面上带有滤光片102，一部分带有滤光片103，一部分带有滤光片104，另一部分作为参考像素，这些带有不同滤光片的像素可以以多种方式分布，例如类似于图4所示那样以棋盘状方式均匀地交替排列。上述m的数值越大，可同时检测的特征光谱数目就越多；n的数值越大，对同一特征光谱进行检测的像素数目就越多，检测灵敏度也越高；但m和n的数值增大也会增加整个传感器的成本，因此需要根据制造工艺水平在需求与成本之间进行平衡。通常情况下，m的数值在1-10之间，而n的数值在1-1000之间。不过，这种在每个组中采用相同数目像素的设置并非限制性的，考虑到传感器对不同波长的敏感度特性等因素，对不同特征波长进行检测的各个组可以分别具有不同的像素数目。
优选地，这些光学滤光片可以直接制作在半导体传感器表面上，所以其制作可以完全通过半导体工艺来进行，或者采用与半导体工艺兼容的制作工艺。例如，其制作工艺可以包括化学气相沉积(CVD)、溅射、真空蒸发、或新型的激化辅助溅射(Radical Assisted Sputtering，RAS)工艺等，并可以采用光刻加刻蚀、抬离(lift off)、或刻蚀和抬离相结合的方法来进行图案化，还可以包括必要的清洗、抛光、去胶等步骤。
图5示出了通过光刻加刻蚀和抬离相结合的方法制作光学滤光片的一种示例性工艺流程示意图。根据本发明的光学滤光片阵列是在衬底上制造的。如上所述，可以在半导体传感器的表面上直接制作光学滤光片，在此情况下，半导体传感器本身作为光学滤光片阵列的衬底，即，半导体传感器本身的结构制作完成后并不结束工艺处理，而是紧接着执行图5中的工艺流程。将光学滤光片直接制作在传感器表面上可以尽可能地减小光线进入传感器之前产生的损耗。或者，光学滤光片也可以在半导体传感器的保护结构表面上制作，所述保护结构例如由光学玻璃制成，但也可以是适于通过半导体处理工艺(特别是PECVD)来进行处理的其他透明材料。或者，还可以将半导体传感器的衬底作为光学滤光片的衬底来执行图5中的工艺流程，即，在衬底(例如适于半导体处理工艺的透明材料衬底)上以自顶向下的方式制作半导体传感器，使半导体传感器中最靠近衬底的层是其顶层，而离衬底最远的层是其底层，然后将半导体传感器及其衬底翻过来，在衬底上执行图5所示工艺流程。
在图5(a)所示的步骤1，在衬底上501沉积第一光学滤光片502。例如，第一光学滤光片502可以是使波长为470±5nm的蓝色波长段的光通过、而其余波长段的光不能通过的滤光片。步骤1的沉积处理优选采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺来进行，例如可以以NH3和SiH4为原料气体沉积高折射率的硅氮化物(下文中标记为SixNy，其中x、y的值根据工艺条件而定，例如折射率约为2.02的Si3N4、以及Si2N3等)材料层，并以SiH4和N2O为原料气体沉积低折射率的硅氧化物(例如SiO2，折射率约为1.465)层，通过多次交替执行这样的沉积处理，得到由SixNy材料层和SiO2材料层交替排列组成的、具有上述光谱特性的多层复合结构。
在图5(b)所示的步骤2，在步骤1得到的衬底上(包括步骤1中沉积的第一光学滤光片502上以及衬底501上未被沉积第一光学滤光片502而暴露出的部分上)涂敷第一脱模层(release layer)503。第一脱模层503可以是一层或由多个层构成，这些层的材料可以是金属材料，优选为铜，或者铜和铝组成的复合层。根据光学滤光片在透光性等方面的需要，第一脱模层503的厚度可以在约300nm到2μm之间，例如约1μm。例如，第一脱模层503可以是1μm厚的铜层，或由500nm厚的铝层与500nm厚的铜层组成。可以通过例如蒸镀方式来涂敷第一脱模层503。
在图5(c)所示的步骤3，在步骤2得到的衬底上旋涂光刻胶504并对光刻胶进行曝光。旋涂光刻胶及曝光可以采用半导体处理领域公知的处理工艺来进行。
在图5(d)所示的步骤4，对步骤3得到的衬底进行刻蚀。刻蚀可以采用半导体处理领域公知的刻蚀剂和处理工艺来进行。
可选地，在图5(e)所示的步骤5，对步骤4得到的衬底进行清洗，洗去残留的光刻胶504。清洗处理是本领域公知的。
在图5(f)所示的步骤6，在步骤5得到的衬底上沉积第二光学滤光片505。例如，第二光学滤光片505可以是使波长为520±5nm的绿色波长段的光通过、而其余波长段的光不能通过的滤光片。与步骤1类似，步骤6的沉积处理优选采用PECVD工艺来进行，例如可以以NH3和SiH4为原料气体沉积高折射率的SixNy材料层，并以SiH4和N2O为原料气体沉积低折射率的SiO2层，通过多次交替执行这样的沉积处理，得到由SixNy材料层和SiO2材料层交替排列组成的、具有上述光谱特性的多层复合结构。
在图5(g)所示的步骤7，在步骤6得到的衬底上(即在步骤6涂敷的第二光学滤光片505上)涂敷第二脱模层506。第二脱模层506可以与第一脱模层503有相同的材料和厚度，也可以根据实际情况而采用与第一脱模层503不同的参数。
在图5(h)所示的步骤8，在步骤7涂敷的第二脱模层506上旋涂光刻胶507并对光刻胶507进行曝光。
在图5(i)所示的步骤9，对步骤8得到的衬底进行刻蚀。
可选地，在图5(j)所示的步骤10，对步骤9得到的衬底进行清洗，洗去残留的光刻胶507。
在图5(k)所示的步骤11，在步骤10得到的衬底上沉积第三光学滤光片508。例如，第三光学滤光片508可以是使波长为620±5nm的红色波长段的光通过、而其余波长段的光不能通过的滤光片。与步骤1和步骤6类似，步骤11的沉积处理优选采用PECVD工艺来进行，例如可以以NH3和SiH4为原料气体沉积高折射率的SixNy材料层，并以SiH4和N2O为原料气体沉积低折射率的SiO2层，通过多次交替执行这样的沉积处理，得到由SixNy材料层和SiO2材料层交替排列组成的、具有上述光谱特性的多层复合结构。
在图5(1)所示的步骤12，从步骤11得到的衬底上通过例如抬离处理而除去第一脱模层503和第二脱模层506(以及这些脱模层上方的结构层)，得到完整的光学滤光片。在图5(1)所示步骤12之后，还可以视情况执行必要的清洗等后处理步骤。
对于上述处理方法，最适于采用的涂敷工艺是PECVD，因为PECVD工艺在半导体工艺中的应用最为成熟。但是本发明的处理方法不限于使用PECVD，而是也可以采用其他适宜的加工工艺来进行，例如溅射工艺，特别是激化辅助溅射工艺。上述处理方法示例中以硅氮化物(SixNy，如Si3N4)材料作为高折射率介质，氧化硅(如SiO2)材料作为低折射率介质，但本发明也可以采用其他材料来实施，例如可以用TiO2、Nb2O5、Ta2O5、HfO2等材料作为高折射率介质，用Al2O3、MgF2等材料作为低折射率材料。另外，图5所示处理方法中沉积了三个不同的滤光片，但是本发明可以根据需要沉积更多个不同光谱特性的光学滤光片，这些滤光片的制作顺序也可以根据需要来进行调整。另外，尽管上述处理方法的说明中，三种光学滤光片透射的特征波长中心分别是蓝色、绿色和红色，但是本发明的光学滤光片不限于此。根据需要，各光学滤光片的特征波长可以在电磁辐射谱的任何适当范围内，既包括可见光波段，也包括红外、紫外等波段。
为了进一步提高集成度并减小特征光谱识别装置的整体体积，可以将光源也制作在芯片上。由上述说明可见，芯片中的光学传感器和光学滤光片是通过半导体工艺制作的，因此光源也优选为通过半导体工艺来制作，从而避免将芯片在不同加工设备之间进行转移所带来的成本、工时增加以及可能的污染问题等。因此，光源优选为半导体激光二极管(LD)或半导体LED。光源发射的波长中应当包括芯片中至少一个光学滤光片的特征波长。在此情况下，特征光谱识别装置中可以不必单独设置光源。
为了实现特定的功能，光学滤光片之外还可以根据需要带有必要的光处理结构。例如，根据需要，所沉积的光学滤光片可以包括针对红外、紫外等波段的滤光片，这样的滤光片可以用于例如滤去周边的干扰光。为了提高光透过率，根据本发明的光学滤光片还可以在一面或两面上镀有增透膜层。为了提高检测灵敏度，光学滤光片的光接收表面外可以带有例如会聚透镜等。为了保护器件免受损坏，还可以在光学滤光片的最外层表面设置保护层。参考像素之外也可以类似地带有这些结构。
图7示出了用本发明的特征光谱识别芯片来测量特征吸收光谱的一种实施例。照明光源99可以是宽带光源，例如白炽灯或白光发光二极管(LED)等，其发射光谱中包含了待测的特征波长，或者至少包括了多个待测特征波长中的一个特征波长。或者，照明光源99也可以是由发射波长不同的一系列窄带光源组成的多通道光源，这些不同的发射波长包括待测的特征波长，或至少包括多个待测特征波长中的一个特征波长。照明光源99发射出的光经过光学透镜98，随后穿过待测样品(图中未示出)照射到特征光谱识别芯片100上，特征光谱识别芯片100的输出被送入信息处理部分(未示出)进行处理。信息处理部分可以是任何具有运算处理能力的装置，例如基于微处理器、现场可编程逻辑门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)等的通用或专用计算机，并可以包括中央处理单元(CPU)、存储器、输入/输出(I/O)接口等。信息处理部分例如可以对放入样品前后参考像素和各测量像素所得到的读数进行比较分析，从而得到与待测波长有关的数据，进而可以对样品中感兴趣成分的有关情况进行判断。例如，在放入样品后与未放入样品前相比，某一个或多个特征波长的光强显著下降(例如下降到某个判定阈值，如5％以下)的情况下，信息处理部分可以判断为样品中存在位于该一个或多个特征波长的吸收峰，进而根据这种光学检测结果获得该样品的提供者的相关信息。
图8示出了用本发明的特征光谱识别芯片来测量荧光光谱的一种实施例。激发光源97发出的光束照射到待测样品96上，所激发出的荧光被特征光谱识别芯片100所接收，芯片的输出由信息处理部分(未示出)进行处理。激发光源可以采用窄带光源，例如激光器、激光二极管、由多个激光二极管组成的激光二极管组等，也可以是带有窄带光学滤光片的其他发光源。信息处理部分可以类似于图7所示装置中所用的信息处理部分。信息处理部分可以对放入样品前后参考像素和各测量像素处的读数进行比较分析，从而得到与待测波长有关的数据，进而可以对样品中感兴趣成分的有关情况进行判断。例如，在放入样品后与未放入样品前相比，某一个或多个个特征波长的光强从无到有或发生显著增大(例如增大到某个判定阈值以上)的情况下，信息处理部分可以判断为样品中存在能够激发出该特征波长的发射波长，进而根据这种光学检测结果获得该样品的提供者的相关信息。由于特征光谱识别芯片100可以与待测样品96靠得很近，因而探测的效率可以很高。特征光谱识别芯片100上的微型光学滤光片对激发光源97发出的光具有很高的截止度，以改善探测灵敏度。
在上述说明中，图7所示针对吸收光谱的特征光谱识别装置以及图8所示针对荧光光谱的特征光谱识别装置是通过对放入样品前后的光强比较来实现检测的。但是，根据利用本发明的特征光谱识别芯片进行检测的方式并不限于光强比较。例如，通过适当地配置半导体光学传感器中测量象素和参考象素的特性和信息处理部分的数据处理方式，也可以采用本领域公知的其他方法进行测量，例如时间分辨荧光测定法(time resolvedfluorometry，TRF)或其他光度学测量方法。除了光强之外，可以直接检测的物理量包括但不限于光谱中发射/吸收峰的衰减时间、上升时间、脉冲宽度、响应时间、多个峰/谷值的强度对比度或谱线宽度等。
对于图7和图8所示实施例，由于特征光谱识别芯片、激发光源、照明光源和光学透镜的体积都很小，整个探头的体积也可以很小并且成本很低，所以测量时甚至可以将整个测量系统浸入待测试样(通常为液体，如尿样、血样等)中，或者也可以将待测样品滴入测量系统中，还可以利用毛细现象将样品吸入测量系统中。这种吸收光谱检测装置或荧光光谱检测装置甚至可以设计成使其至少除了信息处理部分之外的那些部分(例如图7所示实施例中由照明光源99、光学透镜98和特征光谱识别芯片100组成的部分，或图8所示实施例中由激发光源97和特征光谱识别芯片100组成的部分)是可以被待检测对象(例如可以是人或动物)吞下的吞服物。例如，可以将这些吞服部分制成直径不大于18mm的球形或柱形的药丸、药片状，也可以将其容纳在无毒害作用的可吞服胶囊中。可以通过极细的导线或光纤或采用射频感应发射的方式将测量信号引出体外进行分析处理，从而进行无损伤检测。或者，也可以将检测装置的整体或局部设计成一次性使用的可抛弃式装置以便使用，例如可以在每次检测之后将除信息处理部分之外的部分抛弃。
基因检测实质上也是一种荧光光谱检测。图9示出了应用本发明的特征光谱识别芯片作为生物芯片(例如基因微阵列芯片)基底的示意图。由很多个可以识别基因荧光光谱的基本单元100呈周期性整齐排列的特征光谱识别芯片1000可以作为基因微阵列芯片的基底。在每一基本单元100上可以接枝不同的DNA(或RNA)片断，并用荧光染料对其进行染色，从而进行DNA的检测。图10是利用图9所示生物芯片构成的生物芯片扫描装置一种实施例的示意图。如图10所示，根据本实施例的生物芯片扫描装置包括激发光源200、生物芯片1000以及信息处理部分202。激发光源(例如激光光源)200发出的激发光照射到带有特征光谱识别芯片的生物芯片1000上，由信息处理部分202判断出荧光在芯片1000上出现的位置及出现的荧光强度，从而实现DNA诊断。激发光源200发出的光可以直接照射到生物芯片上，也可以如图10所示那样经过光学系统201(例如扩束装置)处理之后再照射到生物芯片上。信息处理部分202可以是与图7和图8中所用信息处理部分类似的装置。图10的装置可以实现并联测量方式，而不必通过多次扫描来测量多个特征光谱，因而可以省去传统测量装置中复杂的扫描系统，减小了体积、成本并提高了测量效率。
为了避免液体进入电路部分并造成不良影响，在上述吸收光谱测量装置、荧光光谱测量装置和基因微阵列中，可以用例如透明密封材料等对上述特征光谱识别芯片进行密封。
需要说明的是，上述实施例只是用于对本发明进行更直观的说明，本发明的范围不局限于这些具体的实施例，而由权利要求来限定。