光譜儀、生物計量傳感器、感測方法、生物信號傳感器的制造方法
【技術領域】
[0001]按照示范性實施方式的裝置和方法涉及包括豎直層疊結構的光譜儀以及包括該光譜儀的無創生物計量傳感器(non-1nvasive b1metric sensor)，更具體地，涉及能夠容易地制造同時由于減小的光損失而具有高分辨率和靈敏度的光譜儀以及包括該光譜儀的無創生物計量傳感器。
【背景技術】
[0002]被考慮的最具潛力作為無創血糖測量方法的一種方法是光譜分析包括生物信號的光的方法，該光在輻射到皮膚之后被皮膚散射。近來，隨著移動裝置諸如移動電話的性能的改進，已經進行各種嘗試以將無創生物計量傳感器集成到移動裝置中。為此，需要發展可安裝在移動裝置中的微型光譜儀。
[0003]例如，基于線性漸變濾光片(LVF)的光譜儀具有以下結構，其中具有逐漸變化的厚度的間隔物設置在多個光電二極管像素上。基于透射波長取決于間隔物的厚度而變化的原理，不同波長帶的光可以在相應的像素中被感測。此外，基于濾波器陣列的光譜儀具有其中不同通頻帶(transmiss1n bands)的帶通濾波器(BPF)設置在相應的光電二極管像素中的結構。
[0004]以上光譜儀可以被制造為微小的尺寸。然而，由于多個光電二極管像素布置在水平方向上，所以難以增大其分辨度。此外，由于間隔物或BPF吸收除了通頻帶之外的波長帶的光，所以由于光損失會發生靈敏度的劣化。例如，當N個波長帶(其中N是等于或大于I的整數)將被光譜儀分析時，使用N個不同的BPF并且被每個像素感測的光量僅是實際輸入到該像素的光量的1/N。
【發明內容】
[0005]示范性實施方式解決了至少以上問題和/或缺點以及以上沒有描述的其它缺點。此外，示范性實施方式不需要克服上述缺點，并可以不克服上述問題中的任何問題。
[0006]—個或多個示范性實施方式提供了一種光譜儀以及包括該光譜儀的無創生物計量傳感器，該光譜儀可以容易地制造同時由于減小的光損失而具有高分辨率和靈敏度。
[0007]根據示范性實施方式的一方面，一種光譜儀包括:層疊的光吸收結構，包括在豎直方向上層疊并具有多個不同的吸收波長帶的多個吸收層、以及分別插置在該多個吸收層中的每兩個相鄰的吸收層之間以電連接該多個吸收層的多個隧道結層；以及照射單元，配置為從該多個吸收層當中選擇吸收層，其中被選擇的吸收層為該多個吸收波長帶中的一個吸收波長帶，并向層疊的光吸收結構提供該多個吸收層中其它吸收層的照射光，該照射光包括該多個吸收波長帶中的其它吸收波長帶。
[0008]例如，照射單元可以包括:光源，配置為產生包括多個吸收層的吸收波長帶的照射光；以及陷波濾波器陣列，設置在光源和層疊的光吸收結構之間并包括多個陷波濾波器，該多個陷波濾波器具有不同的吸收特性以僅阻擋由所述光源產生的照射光當中的所選擇的吸收層的波長帶的照射光并透射其它波長帶的照射光。
[0009]例如，該多個陷波濾波器的每個可以具有扇形形狀，陷波濾波器陣列可以具有通過在旋轉軸上連接該多個陷波濾波器而形成的可旋轉的盤形。
[0010]該多個吸收層的每個可以包括p-n結。
[0011]該多個隧道結層的每個可以包括以比該多個吸收層的每個的p-n結高的摻雜濃度摻雜的P-n結。
[0012]該多個吸收層可以以能帶間隙遞減的順序從光輸入側布置。
[0013]該多個隧道結層的每個可以具有比該多個吸收層大的能帶間隙。
[0014]該多個吸收層和該多個隧道結層可以包括化合物半導體。
[0015]例如，該多個吸收層和該多個隧道結層可以由包括從包含鎵砷磷化物(GaAsP)、砷化鎵(GaAs)和銦鎵砷化物(InGaAs)的組合、包含鋁鎵砷化物(AlGaAs)、GaAs和InGaAs的組合、包含InGaAs、GaAs和磷化鎵(GaP)的組合、以及包含砷化銦(InAs)、GaAs和氮化鎵(GaN)的組合中選出的任何一種的材料形成。
[0016]例如，該多個吸收層的每個可以具有約1nm至約10 μm的厚度。
[0017]該多個隧道結層的每個可以具有約1nm至約10nm的厚度。
[0018]光譜儀還可以包括:第一電極，設置在層疊的光吸收結構的底表面上；以及第二電極，設置在層疊的光吸收結構的頂表面上，其中該多個吸收層可以在第一電極和第二電極之間被串聯地電連接。
[0019]第一電極可以設置在該多個吸收層當中的具有最小能帶間隙的吸收層的底表面上，第二電極可以設置在該多個吸收層當中的具有最大能帶間隙的吸收層的頂表面上。
[0020]光譜儀還可以包括控制器，該控制器配置為控制照射單元以通過隨時間流逝改變被選擇的吸收層而改變照射光中包括的吸收波長帶并在被選擇的吸收層改變時測量由層疊的光吸收結構產生的光電流。
[0021]控制器可以配置為存儲該多個吸收層的每個的預先測量的外量子效率或短路電流密度。
[0022]根據示范性實施方式的另一方面，一種無創生物計量傳感器包括:光源單元，配置為發射激發光到對象；光譜儀，配置為測量通過激發光從對象產生的散射光的光譜分布；以及控制器，配置為控制光譜儀的操作并通過使用由光譜儀提供的信號來分析對象的性能，該光譜儀包括:層疊的光吸收結構，包括在豎直方向上層疊并具有不同的吸收波長帶的多個吸收層、以及分別插置在多個吸收層中的每兩個相鄰的吸收層之間以電連接該多個吸收層的多個隧道結層；以及照射單元，配置為從該多個吸收層當中選擇吸收層并向層疊的光吸收結構提供照射光，該照射光包括除了被選擇的吸收層的吸收波長帶之外的其它吸收層的吸收波長帶。
[0023]散射光和照射光可以被一起輸入到層疊的光吸收結構的光輸入表面，并且陷波濾波器陣列可以僅設置在照射光的路徑上。
[0024]控制器可以配置為控制照射光以通過隨時間的流逝改變所選擇的吸收層來改變照射光中包括的吸收波長帶并在所選擇的吸收層改變時測量由層疊的光吸收結構產生的光電流。
[0025]控制器可以配置為通過使用該多個吸收層的每個的預先測量的外量子效率或短路電流密度以及在被選擇的吸收層改變時獲得的層疊的光吸收結構的光電流測量值來計算散射光的光譜分布。
[0026]無創生物計量傳感器還可以包括信號處理器，該信號處理器配置為基于散射光的光譜分布來分析對象的性能。
[0027]信號處理器可以通過拉曼光譜來分析對象的物理性能。
[0028]無創生物計量傳感器還可以包括配置為顯示信號處理器的分析結果的顯示單元。
[0029]根據另一示范性實施方式的一方面，一種無創生物計量感測方法包括:輻射激發光到對象；將通過激發光從對象產生的散射光提供到層疊的光吸收結構，該層疊的光吸收結構包括在豎直方向上層疊并分別具有不同的第一至第N吸收波長帶的第一至第N吸收層、以及分別插置在第一至第N吸收層中的每兩個相鄰的吸收層之間以電連接第一至第N吸收層的多個隧道結層；在提供散射光的同時，向層疊的光吸收結構提供包括除了第一吸收波長帶之外的第二至第N吸收波長帶并用于使除了第一吸收層之外的第二至第N吸收層飽和的照射光；測量由層疊的光吸收結構產生的第一光電流；以及通過使用所測量的第一光電流，計算散射光中的第一波長帶分量的光量。
[0030]在計算散射光中的第一波長帶分量的光量之后，無創生物感測方法還可以包括:在提供散射光的同時，向層疊的光吸收結構提供包括除了第二吸收波長帶之外的第一和第三至第N吸收波長帶并用于使除了第二吸收層之外的第一和第三至第N吸收層飽和的照射光；測量由層疊的光吸收結構產生的第二光電流；以及通過使用所測量的第二光電流，計算散射光中的第二波長帶分量的光量。
[0031]在計算散射光中的第二波長帶分量的光量之后，無創生物感測方法還可以包括:在提供散射光的同時，向層疊的光吸收結構提供相應的照射光；以及重復光電流測量操作以計算散射光中的第三至第N波長帶分量的光量。
[0032]例如，通過使用所測量的第一光電流計算散射光中第一波長帶分量的光量可以包括:通過比較所測量的第一光電流與第一吸收層的預先測量的短路電流密度，計算散射光中的第一波長帶分量的光量。
[0033]根據示范性實施方式的另一方面，提供一種生物信號傳感器，該生物信號傳感器包括:層疊的光吸收結構，包括多個光吸收層，該多個光吸收層配置為接收使該多個光吸收層的將該多個光吸收層中的一個排除的其余光吸收層飽和的光并接收激活所排除的光吸收層的生物光學信號，該多個光吸收層的每個配置為吸收光譜的不同波長帶；以及控制器，配置為測量從層疊的光吸收結構產生的光電流并基于所測量的光電流分析生物光學信號。
[0034]生物信號傳感器還可以包括存儲器，該存儲器配置為存儲所排除的光吸收層的預先測量的短路電流密度，其中控制器還配置為比較所測量的光電流與預先測量的短路電流密度以分析生物光學信號。
[0035]生物信號傳感器還可以包括:光源，配置為朝向層疊的光吸收結構的頂表面輻射光；以及陷波濾波器，配置為從所輻射的光阻擋所排除的光吸收層能夠吸收的波長帶。
[0036]生物信號傳感器還可以包括另一光源，該另一光源配置為朝向