光電感測器一般會將響應限制在光譜上的一個或多個特定範圍。環境光感測器會抑制對可見光譜外的波長的響應,而紅外線(IR)感測器則會抑制對可見光和較短波長的響應。干涉濾波器(Interference Filter)具有高帶通透射(high transmission)、低阻帶透射(low band transmission)和銳躍遷(sharp transition)等高值特性,是限制對特定波長範圍響應的極佳工具。

干涉濾波器是由介電材料的薄層所構成,如表1所示。

20170214TA01P1-1
表1 構成干涉濾波器的介電材料薄層。



藉由選擇適當的折射率和薄層的厚度,特定的波長就能透射通過濾波器以產生通帶區域,或是反射產生阻帶區域。由於阻帶低透射率是反射的結果,所以吸收的光能量很小。

堆疊多個薄層(thin layer)以產生從通帶到阻帶區域的更尖銳的躍遷(transition),如圖1所示。

20170214TA01P1
圖1 堆疊多個薄層進而產生更尖銳的躍遷。



長通、短通和陷波濾波器(notch filter)一般使用100層以上的薄層來形成尖銳的躍遷。即使薄層的數量龐大,通帶波長能保持超過90%的高透射率,而阻帶波長的透射率則小於1%,濾波器躍遷可以低至10nm。圖2所示為可透過可見光波長和阻擋紅紅外線波長的干涉濾波器。

20170214TA01P2
圖 2 透過可見光波長和阻擋紅外線波長的干涉濾波器。



透過減少層數並引入額外的折射率,干涉濾波器也能產生躍遷較慢的加權響應(weighted response)。增加加權響應能為感測器設計帶來許多好處,能讓感測器複製特定的光學功能,並能針對被監測對象或來源提供更多資訊。關於濾波器複製光學功能的一個好例子,就是用於顏色分析的三色刺激功能(Tristimulus function)。

20170214TA01P3
圖3 濾波器複製光學功能示例。



不使用濾波器複製光學功能,則需要使用更複雜和昂貴的光譜掃描來獲取相同的資訊。半導體上的多層濾波層沉積和蝕刻製程讓設計者能為半導體晶方上的每個獨立通道指定獨有的加權光學功能,如此能在單一封裝中創建多功能感測器,可節省成本、空間和提高系統可靠性。圖4所示為一個多通道感測器,其中兩個IR通道具有窄帶濾波器(近白反射near white reflextion),其餘通道則有三色刺激功能濾波器(色彩反射colered reflection)。

20170214TA01P4
圖4 多通道感測器。



設計中需考慮的干擾濾波器特性之一是感測器的接收角度。隨著照度光源入射角增大,干涉濾波器的特性也將隨之改變;阻帶透射將增加,且躍遷波長將隨著光源入射角增加而改變。

20170214TA01P5
圖5 感測器接收角度影響。



限制感測器的視野就能自然而然地最小化這種效應。如果視野需要加大,則可以將漫射器(diffuser)合併至光學堆疊中。漫射器能以隨機方向重新定向光能,這方向與光源角度無關。透過漫射器開孔、感測器有效面積,以及感測器和擴散器之間距離的幾何關係,可以限定系統的接收角度。

20170214TA01P6
圖6 設定系統接收角度示意圖。



漫射器不會消除感測器上的入射角效應,但是它能使與光源入射角度相關的系統響應更穩定。如此一來,較簡單的系統級設計也能容納與較大光源入射角相關的偏斜光譜響應(skewed spectral response)。

有機濾波器(Organic filter)是有別於干涉濾波器的另一選項,它沒有干涉濾波器對於光源入射角度的那種靈敏度,然而有機濾波器並不具有干涉濾光器那種匹配光學功能和效率能力,且有機濾波器確實具有比干涉濾波器更低的操作和儲存溫度。

低溫濺射製程(Low temperature sputtering manufacturing process)和掀離(lift-off)技術使得干涉濾波器對溫度變化和暴露於高濕度具有低靈敏度。先進的沉積處理技術確保濾波器的高品質且能在惡劣環境中良好運作。最佳的製造商會在製程內整合控制監視器,以達成薄層厚度和材料的均勻性,進而確保維持低公差,結合光學快速反饋的等離子體濺射製程會產生嚴密控制的膜化學計量結構。

軟體可用來模擬干擾濾波器的設計,並優化形狀以匹配預期的透射特性。感測器設計優化的其他考量包括補償矽光譜響應和光學堆疊的影響,在濾波器分析中納入製造商的製程公差,這對於穩定可靠的設計而言至關重要。

濾波器的透射形狀和感測器通道增益是滿足光學功能設計需求的關鍵,可以實現簡單、可靠和成本效益佳的解決方案。與具有以下經驗的半導體製造商合作是一大優勢,可以確保成功產出基於光學功能的感測器設計和產品。

˙干擾濾波器的設計工程工具和經驗; ˙封裝和系統級光學分析,用於調整濾波器以優化系統性能; ˙直接在半導體上進行多個過濾器沉積的製程,以及避免該製程該相關問題的專有知識和技術; ˙容納大量相關光電感測器的高產能; ˙整合至製程的設備,能精密監控介電層厚度和材料均勻性; ˙垂直整合,能提供包括光學元件在內的電子元件封裝。