光谱仪、生物计量传感器、感测方法、生物信号传感器的制造方法
【技术领域】
[0001]按照示范性实施方式的装置和方法涉及包括竖直层叠结构的光谱仪以及包括该光谱仪的无创生物计量传感器(non-1nvasive b1metric sensor)，更具体地，涉及能够容易地制造同时由于减小的光损失而具有高分辨率和灵敏度的光谱仪以及包括该光谱仪的无创生物计量传感器。
【背景技术】
[0002]被考虑的最具潜力作为无创血糖测量方法的一种方法是光谱分析包括生物信号的光的方法，该光在辐射到皮肤之后被皮肤散射。近来，随着移动装置诸如移动电话的性能的改进，已经进行各种尝试以将无创生物计量传感器集成到移动装置中。为此，需要发展可安装在移动装置中的微型光谱仪。
[0003]例如，基于线性渐变滤光片(LVF)的光谱仪具有以下结构，其中具有逐渐变化的厚度的间隔物设置在多个光电二极管像素上。基于透射波长取决于间隔物的厚度而变化的原理，不同波长带的光可以在相应的像素中被感测。此外，基于滤波器阵列的光谱仪具有其中不同通频带(transmiss1n bands)的带通滤波器(BPF)设置在相应的光电二极管像素中的结构。
[0004]以上光谱仪可以被制造为微小的尺寸。然而，由于多个光电二极管像素布置在水平方向上，所以难以增大其分辨度。此外，由于间隔物或BPF吸收除了通频带之外的波长带的光，所以由于光损失会发生灵敏度的劣化。例如，当N个波长带(其中N是等于或大于I的整数)将被光谱仪分析时，使用N个不同的BPF并且被每个像素感测的光量仅是实际输入到该像素的光量的1/N。
【发明内容】
[0005]示范性实施方式解决了至少以上问题和/或缺点以及以上没有描述的其它缺点。此外，示范性实施方式不需要克服上述缺点，并可以不克服上述问题中的任何问题。
[0006]—个或多个示范性实施方式提供了一种光谱仪以及包括该光谱仪的无创生物计量传感器，该光谱仪可以容易地制造同时由于减小的光损失而具有高分辨率和灵敏度。
[0007]根据示范性实施方式的一方面，一种光谱仪包括:层叠的光吸收结构，包括在竖直方向上层叠并具有多个不同的吸收波长带的多个吸收层、以及分别插置在该多个吸收层中的每两个相邻的吸收层之间以电连接该多个吸收层的多个隧道结层；以及照射单元，配置为从该多个吸收层当中选择吸收层，其中被选择的吸收层为该多个吸收波长带中的一个吸收波长带，并向层叠的光吸收结构提供该多个吸收层中其它吸收层的照射光，该照射光包括该多个吸收波长带中的其它吸收波长带。
[0008]例如，照射单元可以包括:光源，配置为产生包括多个吸收层的吸收波长带的照射光；以及陷波滤波器阵列，设置在光源和层叠的光吸收结构之间并包括多个陷波滤波器，该多个陷波滤波器具有不同的吸收特性以仅阻挡由所述光源产生的照射光当中的所选择的吸收层的波长带的照射光并透射其它波长带的照射光。
[0009]例如，该多个陷波滤波器的每个可以具有扇形形状，陷波滤波器阵列可以具有通过在旋转轴上连接该多个陷波滤波器而形成的可旋转的盘形。
[0010]该多个吸收层的每个可以包括p-n结。
[0011]该多个隧道结层的每个可以包括以比该多个吸收层的每个的p-n结高的掺杂浓度掺杂的P-n结。
[0012]该多个吸收层可以以能带间隙递减的顺序从光输入侧布置。
[0013]该多个隧道结层的每个可以具有比该多个吸收层大的能带间隙。
[0014]该多个吸收层和该多个隧道结层可以包括化合物半导体。
[0015]例如，该多个吸收层和该多个隧道结层可以由包括从包含镓砷磷化物(GaAsP)、砷化镓(GaAs)和铟镓砷化物(InGaAs)的组合、包含铝镓砷化物(AlGaAs)、GaAs和InGaAs的组合、包含InGaAs、GaAs和磷化镓(GaP)的组合、以及包含砷化铟(InAs)、GaAs和氮化镓(GaN)的组合中选出的任何一种的材料形成。
[0016]例如，该多个吸收层的每个可以具有约1nm至约10 μm的厚度。
[0017]该多个隧道结层的每个可以具有约1nm至约10nm的厚度。
[0018]光谱仪还可以包括:第一电极，设置在层叠的光吸收结构的底表面上；以及第二电极，设置在层叠的光吸收结构的顶表面上，其中该多个吸收层可以在第一电极和第二电极之间被串联地电连接。
[0019]第一电极可以设置在该多个吸收层当中的具有最小能带间隙的吸收层的底表面上，第二电极可以设置在该多个吸收层当中的具有最大能带间隙的吸收层的顶表面上。
[0020]光谱仪还可以包括控制器，该控制器配置为控制照射单元以通过随时间流逝改变被选择的吸收层而改变照射光中包括的吸收波长带并在被选择的吸收层改变时测量由层叠的光吸收结构产生的光电流。
[0021]控制器可以配置为存储该多个吸收层的每个的预先测量的外量子效率或短路电流密度。
[0022]根据示范性实施方式的另一方面，一种无创生物计量传感器包括:光源单元，配置为发射激发光到对象；光谱仪，配置为测量通过激发光从对象产生的散射光的光谱分布；以及控制器，配置为控制光谱仪的操作并通过使用由光谱仪提供的信号来分析对象的性能，该光谱仪包括:层叠的光吸收结构，包括在竖直方向上层叠并具有不同的吸收波长带的多个吸收层、以及分别插置在多个吸收层中的每两个相邻的吸收层之间以电连接该多个吸收层的多个隧道结层；以及照射单元，配置为从该多个吸收层当中选择吸收层并向层叠的光吸收结构提供照射光，该照射光包括除了被选择的吸收层的吸收波长带之外的其它吸收层的吸收波长带。
[0023]散射光和照射光可以被一起输入到层叠的光吸收结构的光输入表面，并且陷波滤波器阵列可以仅设置在照射光的路径上。
[0024]控制器可以配置为控制照射光以通过随时间的流逝改变所选择的吸收层来改变照射光中包括的吸收波长带并在所选择的吸收层改变时测量由层叠的光吸收结构产生的光电流。
[0025]控制器可以配置为通过使用该多个吸收层的每个的预先测量的外量子效率或短路电流密度以及在被选择的吸收层改变时获得的层叠的光吸收结构的光电流测量值来计算散射光的光谱分布。
[0026]无创生物计量传感器还可以包括信号处理器，该信号处理器配置为基于散射光的光谱分布来分析对象的性能。
[0027]信号处理器可以通过拉曼光谱来分析对象的物理性能。
[0028]无创生物计量传感器还可以包括配置为显示信号处理器的分析结果的显示单元。
[0029]根据另一示范性实施方式的一方面，一种无创生物计量感测方法包括:辐射激发光到对象；将通过激发光从对象产生的散射光提供到层叠的光吸收结构，该层叠的光吸收结构包括在竖直方向上层叠并分别具有不同的第一至第N吸收波长带的第一至第N吸收层、以及分别插置在第一至第N吸收层中的每两个相邻的吸收层之间以电连接第一至第N吸收层的多个隧道结层；在提供散射光的同时，向层叠的光吸收结构提供包括除了第一吸收波长带之外的第二至第N吸收波长带并用于使除了第一吸收层之外的第二至第N吸收层饱和的照射光；测量由层叠的光吸收结构产生的第一光电流；以及通过使用所测量的第一光电流，计算散射光中的第一波长带分量的光量。
[0030]在计算散射光中的第一波长带分量的光量之后，无创生物感测方法还可以包括:在提供散射光的同时，向层叠的光吸收结构提供包括除了第二吸收波长带之外的第一和第三至第N吸收波长带并用于使除了第二吸收层之外的第一和第三至第N吸收层饱和的照射光；测量由层叠的光吸收结构产生的第二光电流；以及通过使用所测量的第二光电流，计算散射光中的第二波长带分量的光量。
[0031]在计算散射光中的第二波长带分量的光量之后，无创生物感测方法还可以包括:在提供散射光的同时，向层叠的光吸收结构提供相应的照射光；以及重复光电流测量操作以计算散射光中的第三至第N波长带分量的光量。
[0032]例如，通过使用所测量的第一光电流计算散射光中第一波长带分量的光量可以包括:通过比较所测量的第一光电流与第一吸收层的预先测量的短路电流密度，计算散射光中的第一波长带分量的光量。
[0033]根据示范性实施方式的另一方面，提供一种生物信号传感器，该生物信号传感器包括:层叠的光吸收结构，包括多个光吸收层，该多个光吸收层配置为接收使该多个光吸收层的将该多个光吸收层中的一个排除的其余光吸收层饱和的光并接收激活所排除的光吸收层的生物光学信号，该多个光吸收层的每个配置为吸收光谱的不同波长带；以及控制器，配置为测量从层叠的光吸收结构产生的光电流并基于所测量的光电流分析生物光学信号。
[0034]生物信号传感器还可以包括存储器，该存储器配置为存储所排除的光吸收层的预先测量的短路电流密度，其中控制器还配置为比较所测量的光电流与预先测量的短路电流密度以分析生物光学信号。
[0035]生物信号传感器还可以包括:光源，配置为朝向层叠的光吸收结构的顶表面辐射光；以及陷波滤波器，配置为从所辐射的光阻挡所排除的光吸收层能够吸收的波长带。
[0036]生物信号传感器还可以包括另一光源，该另一光源配置为朝向