集成高輻射率納米結構的MEMS紅外光源研究

　　微機電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）紅外光源基于熱輻射原理，具有體積小、功耗低、調制頻率高、波長范圍寬、壽命長等特點。隨著納米技術及納米結構與傳感器的集成逐漸成為關注的熱點，本文創(chuàng)新性地采用等離子體工藝制備了高輻射率的納米結構，并集成于MEMS紅外光源上，大幅提升了光源的輻射效率。

　　本論文的工作分為以下幾個方面：研究了MEMS紅外光源的國內外發(fā)展現(xiàn)狀；從紅外輻射的理論出發(fā)，對基于多晶硅熱阻材料的MEMS紅外光源進行了理論設計分析，并在此基礎上完成了結構設計的ANSYS仿真和多晶硅摻雜的TCAD仿真優(yōu)化；對集成于光源的高輻射率納米結構進行了微觀機理分析及FDTD仿真優(yōu)化，并完成了基于硅基底及碳基底的納米結構的制備及表征，同時對MEMS紅外光源制備過程中涉及的關鍵工藝進行了單步工藝開發(fā)；在此基礎上，整合出了基于多晶硅的整體工藝流程并進行了流片實驗；對封裝完成的MEMS紅外光源進行了動態(tài)及靜態(tài)性能測試。

　　本文研制的MEMS紅外光源的特點在于，利用不同的等離子工藝刻蝕硅基底形成中紅外波段高輻射率的納米結構，并集成于光源表面，由此大幅提升紅外光源的輻肘效率及電光轉換效率。與已有的MEMS紅外光源相比，通過集成寬光譜范圍的高輻射率納米結構，能夠增加窄波段范圍內的紅外光譜輻射強度，并且通過控制熱電阻的輸入電壓可以控制紅外光源輻射的窄波段范圍，提高利用率，利于實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化推廣。測試結果顯示，制備的高輻射率納米結構的輻射光譜范圍在2～8ym，輻射率高達85%以上；集成高輻射率納米結構的MEMS紅外光源在63 1.6mW的輸入功率下，輻射區(qū)溫度可以達到280～460℃，輻射能量比未集成時提高了101.2%，在50Hz的調制頻率下，調制深度可達3 0%。光源的靜態(tài)特性和動態(tài)特性均能滿足紅外氣體傳感器的應用需求。

　　此外，本文還研究了基于其他不同熱電阻材料的高輻射率MEMS紅外光源制備，例如，Pt、非晶碳等。這為后期制備多種不同類型的MEMS紅外光源奠定堅實的基礎。