來源：中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)所
傳感器技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
MEMS工藝與先進(jìn)傳感器課題組
工作簡介
本文提出了一種基于氮化鈦（TiN）微熱板的新型MEMS紅外發(fā)射器陣列。采用KOH濕法釋放制備了集成微熱板的超薄（1.1μm）傳感單元，以此構(gòu)成了可實(shí)現(xiàn)低功耗、高調(diào)制深度的紅外發(fā)射器陣列的硅梁結(jié)構(gòu)。所制備的紅外發(fā)射器陣列具備低功耗（63.75mW@408℃）、高調(diào)制深度（65.6%@100Hz）與高熱轉(zhuǎn)換效率等特性，在2.5~15μm波長范圍內(nèi)的紅外輻射功率為0.55mW。同時(shí)實(shí)現(xiàn)了良好的選擇性激活與熱隔離性能，驗(yàn)證了其在光譜分析、氣體傳感及微型熱成像等需要精確調(diào)控紅外輻射的領(lǐng)域中的應(yīng)用潛力。相關(guān)成果以“Design, fabrication, and characterization of a low-power, high-modulation-depth infrared emitter array”為題發(fā)表于SCI學(xué)術(shù)期刊《International Journal of Optomechatronics》，論文的第一作者為碩士研究生丁鵬，通信作者為喬啟峰高級工程師和武震宇研究員。
研究背景
紅外光源廣泛應(yīng)用于光譜分析、氣體傳感及生物成像等領(lǐng)域。目前主流紅外光源主要分為紅外激光器、發(fā)光二極管（LED）和熱輻射紅外發(fā)射器三類，各有優(yōu)缺點(diǎn)。紅外激光器雖能提供較高輸出功率，但在成本與系統(tǒng)集成度方面存在不足；LED效率較高，但受限于發(fā)射帶寬窄、輸出功率低等問題；傳統(tǒng)的熱輻射紅外發(fā)射器則因效率低、體積大而應(yīng)用受限。相比之下，基于MEMS技術(shù)的熱輻射紅外發(fā)射器兼具微型化、低功耗與高工藝兼容性等優(yōu)勢，特別適用于集成化應(yīng)用場景。本研究設(shè)計(jì)并制備了一種基于TiN的低功耗微型化MEMS紅外發(fā)射器陣列，其與MEMS工藝的兼容性也為未來集成于緊湊型紅外微系統(tǒng)提供了技術(shù)支撐。
研究亮點(diǎn)
本工作通過微加工工藝制作了紅外發(fā)射器陣列（圖1），其中通過KOH濕法刻蝕制備了集成超薄傳感單元的硅梁結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了厚度為1.1μm的懸浮微熱板薄膜。由于紅外熱成像儀的測溫原理是先測量被測物體輻射出的紅外能量，然后通過斯特藩-玻爾茲曼定律公式和設(shè)定的發(fā)射率來計(jì)算出溫度。因此在性能表征前，通過外置加熱臺加熱的方式，測得所制備的紅外發(fā)射器的表面發(fā)射率隨溫度變化的特性曲線（圖2），確保后續(xù)表征結(jié)果的準(zhǔn)確性。
圖1 (a) 紅外發(fā)射器的工藝流程；(b) 紅外發(fā)射器陣列的SEM頂視圖；(c) 懸浮薄膜截面的SEM圖像；(d) 懸浮薄膜截面的膜層結(jié)構(gòu)。
圖2 (a) 紅外發(fā)射器表面發(fā)射率的測試系統(tǒng)；(b) 不同溫度下的表面發(fā)射率。
完成紅外發(fā)射器的表面發(fā)射率校準(zhǔn)后，對其進(jìn)行電熱特性和紅外輻射特性的表征。對于電熱特性，紅外發(fā)射器在施加6.8V驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，最大工作溫度為408℃，對應(yīng)的直流功耗為63.75mW。并且在100Hz的驅(qū)動(dòng)頻率下，其調(diào)制深度高達(dá)65.6%（圖3），證實(shí)其適用于10Hz以上的高頻脈沖工作模式。對于紅外輻射特性，觀測其輻射集中于3~8μm波段，與二氧化碳、一氧化碳、二氧化硫、二氧化氮及甲烷等關(guān)鍵氣體的強(qiáng)吸收帶相吻合。經(jīng)計(jì)算，在工作溫度下，單個(gè)器件在2.5~15μm波長范圍內(nèi)的紅外發(fā)射功率為0.55mW（圖4）。
圖3 紅外發(fā)射器的電熱特性 (a) 不同驅(qū)動(dòng)電壓下的最大工作溫度；(b) 占空比50%脈沖波驅(qū)動(dòng)的單個(gè)紅外發(fā)射器溫度周期變化；(c) 單個(gè)紅外發(fā)射器10-90%響應(yīng)時(shí)間(升溫：31ms；降溫：52ms)；(d) 紅外發(fā)射器的調(diào)制深度；(e) 溫度電阻系數(shù)的表征結(jié)果及擬合曲線；(f) 不同工作溫度下的功耗。
圖4 紅外發(fā)射器的紅外輻射特性 (a) 單個(gè)紅外發(fā)射器的發(fā)射率光譜；(b) 408℃時(shí)，理想黑體與單個(gè)紅外發(fā)射器的紅外輻射光譜；(c) 不同溫度下，單個(gè)紅外發(fā)射器和紅外發(fā)射器陣列的紅外輻射功率。
此外，通過同時(shí)開啟兩個(gè)紅外發(fā)射器單元來演示紅外發(fā)射器陣列的工作狀態(tài)。如圖5所示，當(dāng)向陣列兩端的紅外發(fā)射器施加6.8V驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，兩端發(fā)射器溫度均達(dá)408℃，其余發(fā)射器保持36.2℃室溫。該結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了該架構(gòu)作為發(fā)射器陣列的可行性。相鄰發(fā)射器間的強(qiáng)熱隔離顯著降低了熱串?dāng)_，使陣列內(nèi)各發(fā)射器能夠穩(wěn)定獨(dú)立運(yùn)行。這些結(jié)果凸顯了該結(jié)構(gòu)在基于陣列的紅外發(fā)射應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)可靠且可擴(kuò)展運(yùn)行的巨大潛力。
圖5 紅外發(fā)射器的熱隔離特性 (a) 未施加驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，紅外發(fā)射器陣列的紅外熱成像；(b) 對兩側(cè)發(fā)射器施加驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，紅外發(fā)射器陣列的紅外熱成像。
總結(jié)與展望
本工作設(shè)計(jì)、制備并表征了一種基于TiN微熱板的新型MEMS紅外發(fā)射器陣列。該紅外發(fā)射器電熱與紅外性能優(yōu)異，具備良好的選擇性激活能力與高效的熱隔離特性，能夠在可忽略的熱串?dāng)_下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的陣列化工作。在紅外光譜、氣體傳感及微型熱成像等需要精確調(diào)控紅外輻射的領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。后續(xù)工作將聚焦于擴(kuò)大陣列規(guī)模，并采用晶圓級真空封裝技術(shù)以抑制對流熱損失，從而進(jìn)一步提升器件的紅外輻射功率。
原文鏈接：
https://doi.org/10.1080/15599612.2025.2563509
延伸閱讀：
《光譜成像市場和趨勢-2022版》
《小型、微型和芯片級光譜儀技術(shù)及市場-2020版》
