集成高辐射率纳米结构的MEMS红外光源研究

摘要

微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)红外光源基于热辐射原理，具有体积小、功耗低、调制频率高、波长范围宽、寿命长等特点。随着纳米技术及纳米结构与传感器的集成逐渐成为关注的热点，本文创新性地采用等离子体工艺制备了高辐射率的纳米结构，并集成于MEMS红外光源上，大幅提升了光源的辐射效率。
　　本论文的工作分为以下几个方面:研究了MEMS红外光源的国内外发展现状;从红外辐射的理论出发，对基于多晶硅热阻材料的MEMS红外光源进行了理论设计分析，并在此基础上完成了结构设计的ANSYS仿真和多晶硅掺杂的TCAD仿真优化;对集成于光源的高辐射率纳米结构进行了微观机理分析及FDTD仿真优化，并完成了基于硅基底及碳基底的纳米结构的制备及表征，同时对MEMS红外光源制备过程中涉及的关键工艺进行了单步工艺开发;在此基础上，整合出了基于多晶硅的整体工艺流程并进行了流片实验;对封装完成的MEMS红外光源进行了动态及静态性能测试。
　　本文研制的MEMS红外光源的特点在于，利用不同的等离子工艺刻蚀硅基底形成中红外波段高辐射率的纳米结构，并集成于光源表面，由此大幅提升红外光源的辐射效率及电光转换效率。与已有的MEMS红外光源相比，通过集成宽光谱范围的高辐射率纳米结构，能够增加窄波段范围内的红外光谱辐射强度，并且通过控制热电阻的输入电压可以控制红外光源辐射的窄波段范围，提高利用率，利于实现产业化推广。测试结果显示，制备的高辐射率纳米结构的辐射光谱范围在2～8μm，辐射率高达85％以上;集成高辐射率纳米结构的MEMS红外光源在631.6mW的输入功率下，辐射区温度可以达到280～460℃，辐射能量比未集成时提高了101.2％，在50Hz的调制频率下，调制深度可达30％。光源的静态特性和动态特性均能满足红外气体传感器的应用需求。
　　此外，本文还研究了基于其他不同热电阻材料的高辐射率MEMS红外光源制备，例如，Pt、非晶碳等。这为后期制备多种不同类型的MEMS红外光源奠定坚实的基础。

目录

声明

摘要

1．1 课题背景及研究意义

1．2 MEMS及纳米技术

1．2．2 纳米技术发展现状

1．3 国内外研究现状

1．3．1 MEMS红外光源国外进展

1．3．2 MEMS红外光源国内进展

1．3．3 MEMS红外光源的应用

1．4 本论文主要研究内容

2 MEMS红外光源的结构设计及优化

2．1．2 黑体及实际物体辐射基本定律

2．2 MEMS红外光源设计

2．2．1 光源的稳态和动态分析

2．2．2 光源的各膜层材料选择

2．2．3 光源的结构及尺寸设计

2．3 MEMS红外光源仿真优化

2．3．1 结构及膜层厚度的ANSYS仿真

2．3．2 掺杂及离子注入的TCAD仿真

2．4 本章小结

3 集成于MEMS红外光源的高辐射率纳米结构研究

3．1 高辐射率纳米结构的微观机理分析

3．1．1 纳米结构的微观机理

3．1．2 高辐射率材料机理分析

3．1．3 高辐射率纳米结构机理分析

3．2 高辐射率纳米结构的FDTD仿真设计

3．3 基于不同基底材料的纳米结构制备

3．3．1 基于硅基底的纳米结构制备

3．3．2 基于碳基底的纳米结构制备

3．4 吸收率性能测试及表征

3．5 关键工艺开发

3．5．1 多晶硅离子注入后退火工艺

3．5．2 背面干法混合释放实验

3．5．3 背面湿法混合释放实验

3．6 本章小结

4 集成纳米结构的MEMS红外光源制备

4．1 制备相关工艺

4．1．1 清洗工艺

4．1．2 薄膜生长工艺

4．1．3 光刻工艺

4．1．4 刻蚀工艺

4．1．5 金属化工艺

4．2 基于多晶硅热阻的MEMS红外光源制备

4．2．1 相关版图设计

4．2．2 整体工艺流程及流片实验

4．3 基于非晶碳热阻的MEMS红外光源研究

4．4 基于Pt热阻的MEMS红外光源研究

4．5 本章小结

5 集成纳米结构的MEMS红外光源性能测试

5．1 MEMS红外光源的封装优化

5．2 MEMS红外光源的静态性能测试

5．2．2 辐射区温度场分布

5．2．3 光谱辐射特性分布

5．3 MEMS红外光源的动态性能测试

5．3．2 调制特性测试

5．4 本章小结

6 总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间所取得的研究成果

致谢