MEMS热辐射红外光源的研究

论文摘要

红外气体传感器利用气体的特征吸收光谱进行特定气体的探测和浓度测量,具有优越的选择性、灵敏度和稳定性,已得到广泛应用。然而常规的红外气敏传感器体积较大,难以实现微型化、智能化。采用MEMS技术研制的微型红外气敏传感器越来越受到重视。本文研究了基于MEMS技术的热辐射红外光源。论文的主要工作包括以下方面:新型光源的设计和改进;制作工艺设计;光源辐射特性研究。结合理论分析,通过比较不同的光源结构和发热材料,本文延续以往悬膜结构的优点,以硅为衬底,分别用铂金和钛金为发热材料设计了MEMS光源。为了提高铂金材料发射率,采用了在成形的电阻丝表面淀积1200 A的PECVD氮化硅的光源结构,结果表明红外光源的辐射率得到提高。光源的有效辐射面积为1.5×1.5 mm~2,电阻值为17—60欧姆。制作过程中,采用了新的腐蚀装置和预腐蚀方法,有效克服薄膜释放的技术问题。本文研究了提高红外光源的响应速率的方法。通过计算,分析了脉冲高电平阶段不同的供电方式对光源动态特性的影响。结果表明,采用恒压源供电的方式对于减小光源的升温时间最有利,从而在动态性能测试以及应用过程中,选择高电平为恒定电压输入的供电模式。同时还分析了发射率对动态特性的影响,提高发射率有利于提高光源响应速率。对薄膜Si支撑结构1～2微米Si,光源特性进行了研究,该光源由于有Si体薄膜作为支撑(良导体),电能利用率较低,600mw加电功率下转化效率仅为百分之几,且有可能因为硅膜导致热质量大大增加,升温过程缓慢,不易实现调制。但其光谱分布与前述光源有着不同的特点,不同加电功率作用下,光源在5.87微米波长处出现辐射峰值,且该值远远高于其他波长处的辐射。对于这一特性的充分研究,可能有助于提高光源有效带宽内辐射,减小寄生热。最为重要的是Si支撑的电极对延长光源寿命是有帮助的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 第一章 基础理论
• 1.2 辐射基本定律
• 1.2.1 基尔霍夫定律、比辐射率
• 1.2.2 辐射体的分类
• 1.2.3 普朗克定律
• 1.2.4 斯蒂芬-波耳兹曼定律
• 1.2.5 维恩位移定律
• 1.2.6 微分辐亮度
• 1.2.7 黑体型辐射源
• 1.3 本课题研究内容
• 第二章 红外微辐射源的设计
• 2.1 光源材料和结构设计
• 2.1.1 材料选择
• 2.1.2 结构设计,几种结构总结
• 2.2 光源工艺流程设计
• 第三章 MEMS红外光源结构设计模拟和工艺设计模拟
• 3.0 MEMS专业模拟软件Coventorware 2006简介
• 3.1 基于Coventorware2006的工艺和结构模拟
• 3.1.1 温度分布
• 3.1.2 支撑梁宽度的影响
• 3.1.3 引线长度的影响
• 3.1.4 电流密度IM density
• 3.1.5 上升时间,下降时间
• 3.2 电极形状和工艺的设计
• 3.2.1 实际制作的几种电极形状
• 3.2.2 工艺流程设计
• 3.2.3 工艺过程及实物图片
• 3.3 本章小结
• 第四章 光源性能分析
• 4.1 性能参数分析
• 4.1.1 辐射光谱
• 4.1.2 辐射功率
• 4.1.3 光源调制特性
• 第五章 总结
• 主要参考文献
• 致谢