一种MEMS红外光源及其制造方法技术

本发明专利技术属于红外光源领域，特别是涉及一种MEMS红外光源及其制造方法。所述MEMS红外光源在发热电极层和支撑材料背部(位于衬底空腔区域)引入对红外辐射具有高反射率的反射层，从而将发热电极层经由支撑薄膜向衬底空腔部分辐射的红外辐射能量反射回去，并通过发热电极层向上方辐射，加强能够被红外传感器利用的红外辐射能量，大幅提升MEMS红外光源的光电转换效率并降低加热功耗；同时引入超薄(厚度不大于1微米)红外发射层，在保证MEMS红外光源具有高的红外发射能力的同时，大幅降低发热电极层热质量，提升MEMS红外光源的调制频率并进一步降低加热功耗。降低加热功耗。降低加热功耗。

【技术实现步骤摘要】
一种MEMS红外光源及其制造方法


[0001]本专利技术属于红外光源领域，特别是涉及一种MEMS红外光源及其制造方法。

技术介绍

[0002]红外传感技术已经被广泛应用于大气质量检测、温度监控、工业过程控制、空间监控、信息通信、医学及军事等领域。红外光源是红外传感技术的重要元件，常用的发光波长为 3
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5微米以及8
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14微米。红外光源主要有红外发光二极管、量子级联红外激光器和热辐射红外光源。传统热辐射红外光源如白炽灯，其电光转换效率低、调制特性差；而波长在3
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5 微米的红外二极管发光效率低，输出功率小，限制了其应用；量子级联红外激光器能够发射高强度的窄带红外激光，但效率也不高，且制造成本高昂。利用微机电系统(MEMS)技术制作的MEMS红外光源是一种新型的热辐射红外光源，具有电光转换效率高、体积小、能耗低等特点，同时光谱很容易覆盖2
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20微米范围，还具有较快的调制频率，已经被广泛应用于红外传感领域，成为红外光源的趋势性技术。
[0003]常规结构的MEMS红外光源如图1所示，具有衬底，在衬底上设有支撑薄膜层，支撑薄膜层和衬底采用四边固支结构连接，在支撑薄膜上设有发热电极层。通过给发热电极层通电产生焦耳热，使发热电极层升温至特定温度(根据所需红外发射波长和辐射量确定)，进而产生红外辐射。为了使MEMS红外光源更大程度的发挥电光转换效率高、体积小、能耗低以及调制频率快的特点，在设计MEMS红外光源时通常需要考虑如下几方面的问题：
>[0004](1)MEMS红外光源的红外发射材料(可以是发热电极层本身，也可以是发热电极层和位于发热电极层表面的其他具有高红外发射率材料的组合)应具有尽可能小的体积与表面积比。在给定表面积的情况下(平衡增大发射面积和减小MEMS光源体积后确定的合适表面积)，意味着需要更薄的红外发射材料，相当于降低了红外发射材料的热质量，如此可以降低加热功耗，同时提升电光转换效率和调制频率。
[0005](2)MEMS红外光源主要通过热传导和红外辐射两种途径进行散热，其中热传导是发热电极层通过衬底进行传热，这部分传热应尽可能减小，以提升MEMS红外光源的电光转换效率并降低加热功耗，红外辐射是MEMS红外光源工作的核心，需要被加强。因此，需要大幅降低发热电极层的热导，如图1所示通常将发热电极层下方的衬底掏空来减少衬底的热传导；而加强红外辐射可以通过选择高发射率的材料制作发热电极层或者在发热电极层表面增设具有更高红外发射率的红外发射层。
[0006](3)MEMS红外光源的红外辐射主要从两个方向出射：一个是从发热电极层上方向外辐射，这部分红外辐射是能够被红外传感器利用的部分，需要加强；另一个是从发热电极层经由支撑薄膜向衬底掏空部分辐射，这部分红外辐射在MEMS红外光源封装后将被封装材料和衬底等吸收，无法有效利用，属于能量的浪费，需要尽可能减小甚至消除。
[0007](4)其它还包括发热电极层应具有良好的热稳定性和机械参数，高温时具有良好的化学稳定性，低的热容，高的红外发射率等，同时还要考虑整个MEMS红外光源的结构特性以及各种材料之间的应力匹配性等。
[0008]基于以上几方面的设计考虑，现有MEMS红外光源获得了巨大的进步，比如通过衬底掏空技术大幅降低了MEMS红外光源的热导，提升了MEMS红外光源的电光转换效率并降低加热功耗，通过在发热电极层上方引入具有高红外发射率的材料或者微结构来提升红外发射能力，从而降低MEMS红外光源的加热功耗，同时对发热电极层的选择也有了很好的认识。然而，现有MEMS红外光源仍然存在一些问题：
[0009]一是目前常用的发热电极层在工作温度下的红外发射率偏低，需要在其上设置额外的红外发射层来提升MEMS红外光源的红外发射能力，常用的红外发射层包括铂黑、金黑、银黑、黑硅、光子晶体等，这些发射层确实可以大幅提升MEMS红外光源的红外发射能力，但通常都有数微米到数十微米的厚度，大幅增加了发热电极层的热质量，会增加MEMS红外光源的加热功耗，同时降低调制频率，另外这些红外发射层制备工艺复杂、成本高，不利于降低MEMS红外光源的成本。
[0010]二是现有MEMS红外光源尚未有效解决发热电极层经由支撑薄膜向衬底掏空部分辐射的红外能量的利用问题，造成红外辐射能量的巨大浪费，增加了MEMS红外光源的加热功耗。

技术实现思路

[0011]针对现有技术中的上述问题，本专利技术提供了一种MEMS红外光源及其制造方法，在现有MEMS红外光源的基础上，在发热电极层和支撑材料背部(位于衬底空腔区域)引入对红外辐射具有高反射率的反射层，从而将发热电极层经由支撑薄膜向衬底空腔部分辐射的红外辐射能量反射回去，并通过发热电极层向上方辐射，加强能够被红外传感器利用的红外辐射能量，大幅提升MEMS红外光源的光电转换效率并降低加热功耗；同时引入超薄(厚度不大于1微米)红外发射层，在保证MEMS红外光源具有高的红外发射能力的同时，大幅降低发热电极层热质量，提升MEMS红外光源的调制频率并进一步降低加热功耗。解决了现有MEMS红外光源存在的上述两方面问题。
[0012]本专利技术的目的是这样实现的：
[0013]一种MEMS红外光源，包含衬底、支撑薄膜层、发热电极层、隔离层、发热电极焊盘、红外发射层、保护层和反射层，其特征在于：所述衬底包含空腔结构，所述支撑薄膜层设于具有空腔结构的衬底之上，与衬底形成四边固支结构连接，并在空腔结构上方形成悬浮区，在所述支撑薄膜层上方设有发热电极层，在悬浮区之外的发热电极层两侧设有发热电极焊盘，所述发热电极焊盘与所述发热电极层形成电连接，在所述发热电极层上方除发热电极焊盘之外的区域设有隔离层，在悬浮区上方对应的隔离层上设有红外发射层，所述保护层位于除发热电极焊盘之外的红外发射层、红外电极层和支撑薄膜层上表面，所述反射层位于空腔结构内，与空腔结构侧面的衬底以及空腔结构顶面的支撑薄膜层相连。
[0014]更进一步，所述反射层为对2
‑
14微米波长范围的红外线具有高反射率的薄膜，为Ag、 Au、Cu、Al或者介质膜布拉格反射层。
[0015]更进一步，所述红外发射层为表面粗糙、厚度在50
‑
1000nm范围且具有高红外发射率的材料，为NiCr合金、TiN、TiAlN、非晶碳、SiC、NiCrO化合物、ZrO2、HfO2、La1‑
x
Ca
x
CrO
3 (0≤x≤0.5)或碳纳米管。
[0016]更进一步，所述发热电极层为Pt、Mo、NiCr合金、多晶硅、SiC、Cu、W、HfB2、PtSi 以
及SnO2中的一种，可在发热电极层与支撑薄膜层之间引入厚度为1
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200nm的Ti层、Cr 层或Ni层等，增加发热电极层与支撑薄膜层之间的粘附力。
[0017]更进一步，所述支撑薄膜层为氧化硅、氮化硅或氮化硅和氧化硅组成的多层复合膜结构。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种MEMS红外光源，包含衬底、支撑薄膜层、发热电极层、隔离层、发热电极焊盘、红外发射层、保护层和反射层，其特征在于：所述衬底包含空腔结构，所述支撑薄膜层设于具有空腔结构的衬底之上，与衬底形成四边固支结构连接，并在空腔结构上方形成悬浮区，在所述支撑薄膜层上方设有发热电极层，在悬浮区之外的发热电极层两侧设有发热电极焊盘，所述发热电极焊盘与所述发热电极层形成电连接，在所述发热电极层上方除发热电极焊盘之外的区域设有隔离层，在悬浮区上方对应的隔离层上设有红外发射层，所述保护层位于除发热电极焊盘之外的红外发射层、红外电极层和支撑薄膜层上表面，所述反射层位于空腔结构内，与空腔结构侧面的衬底以及空腔结构顶面的支撑薄膜层相连。2.根据权利要求1所述的一种MEMS红外光源，其特征在于：所述反射层为对2
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14微米波长范围的红外线具有高反射率的薄膜，为Ag、Au、Cu、Al或者介质膜布拉格反射层。3.根据权利要求1所述的一种MEMS红外光源，其特征在于：所述红外发射层为表面粗糙、厚度在50
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1000nm范围且具有高红外发射率的材料，为NiCr合金、TiN、TiAlN、非晶碳、SiC、NiCrO化合物、ZrO2、HfO2、La1‑
x
Ca
x
CrO3(0≤x≤0.5)或碳纳米管。4.根据权利要求1所述的一种MEMS红外光源，其特征在于：所述发热电极层为Pt、Mo、NiCr合金、多晶硅、SiC、Cu、W、HfB2、PtSi以及SnO2中的一种，可在发热电极层与支撑薄膜层之间引入厚度为1
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200nm的Ti层、Cr层或Ni层，增加发热电极层与支撑薄膜层之间的粘附力。5.根据权利要求1所述的一种MEM...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘军林，吕全江，侯海港，刘桂武，乔冠军，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：