MEMS氣體傳感器用紅外光源研究.pdf

1、微機(jī)電(Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS)紅外光源具有體積小、微功耗、可電調(diào)制和制造成本低的特點(diǎn)，是基于非色散紅外(Non-Dispersive Infra-Red, NDIR)光譜吸收原理的氣體傳感器中的核心元件。本論文結(jié)合等離子體處理制備黑硅技術(shù)，研究了一種滿足NDIR氣體傳感器應(yīng)用要求的MEMS紅外光源。
　　本文研究了MEMS紅外光源的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r，并對紅外輻射基礎(chǔ)理論進(jìn)行了介

2、紹；從傳熱學(xué)理論出發(fā)，對光源的傳熱學(xué)模型進(jìn)行了研究，在此基礎(chǔ)上完成了結(jié)構(gòu)和尺寸設(shè)計(jì)，利用Ansys Workbench對設(shè)計(jì)模型進(jìn)行了熱電耦合仿真，利用TCAD對離子注入方案進(jìn)行了仿真；根據(jù)現(xiàn)有工藝條件對光源制備過程中涉及到的關(guān)鍵工藝進(jìn)行了單步工藝試驗(yàn)，整合出了完整的工藝流程并流片實(shí)現(xiàn)；對封裝后的MEMS紅外光源進(jìn)行性能測試。相較于其他MEMS紅外光源，該光源以新型納米黑硅材料作為輻射層，黑硅的近黑體特性使光源在3~5μm波段發(fā)射率可達(dá)

3、到98％以上，同時(shí)黑硅的引入使光源的輻射效率提高40%。光源采用深反應(yīng)離子刻蝕(DRIE)進(jìn)行背面釋放，在輻射區(qū)面積達(dá)到1.8×1.8mm時(shí)，器件尺寸僅有3×3mm。經(jīng)測試，在1.03W的輸入功率下，光源輻射區(qū)的溫度在300~440℃之間；光源的輻射光譜覆蓋2~14μm；在40Hz的調(diào)制頻率下，調(diào)制深度可達(dá)40%。光源的光譜輻射特性和調(diào)制特性均能滿足NDIR氣體傳感器的應(yīng)用要求，且簡單的制備工藝使該光源易于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模重復(fù)性制造，利于實(shí)現(xiàn)