基于MEMS技術(shù)的紅外微光電器件研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，對(duì)光電系統(tǒng)小型化、輕型化和集成化提出了更加迫切的需求。MEMS 技術(shù)這一革命性技術(shù)的出現(xiàn)為滿足這些需求提供了近乎完美的解決途徑。本文旨在，理論上和實(shí)驗(yàn)上，研究了兩種類型的微光電器件，并采用MEMS 技術(shù)設(shè)計(jì)并制作完成。這兩種微光電器件一種為無(wú)源光學(xué)器件：雙波段微濾光片陣列；
　　 另一種為有源光電器件：窄帶紅外熱發(fā)射光源。本文圍繞這兩方面進(jìn)行比較深入和系統(tǒng)的理論與實(shí)驗(yàn)研究，主要研究?jī)?nèi)容和成果綜述如下：

2、　　 （1）可見(jiàn)/紅外雙波段微型濾光片陣列設(shè)計(jì)并制作了雙波段濾光片陣列用于與鉑硅CCD 集成構(gòu)成雙波段成像系統(tǒng)。在光學(xué)設(shè)計(jì)方面，采用吸收截止濾波片設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)紅外通帶濾光片，用于截止從可見(jiàn)光到近紅外波段的光；采用反射截止濾波片設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)可見(jiàn)光通道濾光片，用于消除干涉型短波通濾波片抑制高級(jí)次反射峰時(shí)的設(shè)計(jì)和制作困難。制作工藝方面，設(shè)計(jì)了一種容易制作的雙層T 型結(jié)構(gòu)用來(lái)剝離紅外波段的高達(dá)5μm的厚膜，而且這種剝離結(jié)構(gòu)能與高達(dá)光學(xué)薄膜制備

3、工藝兼容。制作完成的微濾波片陣列光學(xué)性能o350C與機(jī)械性能均滿足要求，并與鉑硅CCD 集成，對(duì)可見(jiàn)光波段和紅外波段均成功成像。
　　 （2）基于一維光子晶體窄帶紅外發(fā)射光源設(shè)計(jì)了一種基于一維光子晶體窄帶紅外發(fā)射光源，其譜寬從幾納米至幾十納米之間，發(fā)射率接近100％。對(duì)光源的光學(xué)性能：發(fā)射率、中心波長(zhǎng)、譜寬和角方向發(fā)射率進(jìn)行了理論和數(shù)值分析。為了解決這種類型光源在實(shí)際工作過(guò)程中出現(xiàn)的熱應(yīng)力問(wèn)題，提出了采用真空諧振腔的窄帶紅外發(fā)射

4、光源。真空諧振腔將一維介質(zhì)光子晶體和高溫金屬分離，有效解決這種器件的熱應(yīng)力問(wèn)題，而且光學(xué)性能更優(yōu)異。此外引入真空腔增加了另一個(gè)自由度，可以通過(guò)調(diào)整腔長(zhǎng)來(lái)改變光源的發(fā)射特性，設(shè)計(jì)可調(diào)諧式和掃描式窄帶紅外光源，拓展其應(yīng)用領(lǐng)域。
　　 （3）基于一維金屬/介質(zhì)/金屬異質(zhì)光柵結(jié)構(gòu)窄帶紅外發(fā)射光源設(shè)計(jì)了基于一維金屬/介質(zhì)/金屬異質(zhì)光柵結(jié)構(gòu)的窄帶紅外發(fā)射光源。與一般基于表面等離子體金屬光柵或基于表面聲子極化介質(zhì)光柵只能激發(fā)TM 模式不同，這

5、種光源可以同時(shí)支持TM和TE 模式。TM和TE 模式的中心波長(zhǎng)可設(shè)計(jì)為不一致，形成雙波段工作。此外，在這種結(jié)構(gòu)中波導(dǎo)模式被限定在金屬/介質(zhì)/金屬構(gòu)成的腔中，Q值更高，發(fā)射譜比已有文獻(xiàn)報(bào)道的類似光源的發(fā)射譜要窄一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。同時(shí)與傳播的表面波耦合形成窄帶發(fā)射光源不一樣，這種腔模耦合方式具有局域性質(zhì)，發(fā)射譜隨角度變化不大。
　　 （4）微帶天線結(jié)構(gòu)窄帶紅外發(fā)射光源通過(guò)理論推導(dǎo)，將微帶天線中橫向波矢分量只能取離散數(shù)值的特性（由于頂層

6、金屬橫向尺寸對(duì)電磁場(chǎng)的限制）和金屬/介質(zhì)/金屬（MIM）波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的色散關(guān)系統(tǒng)一起來(lái)，得到了這種微帶天線結(jié)構(gòu)類型窄帶紅外發(fā)射光源的發(fā)射中心波長(zhǎng)與結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系。數(shù)值分析發(fā)現(xiàn)這種類型光源的發(fā)射譜比較窄，而且發(fā)射譜隨角度變化比較小，可以用于設(shè)計(jì)全向窄帶發(fā)射光源和全向完美吸收器，這在設(shè)計(jì)窄帶紅外探測(cè)器方面也有著很重要的潛在應(yīng)用。
　　 （5）窄帶紅外發(fā)射光源芯片的設(shè)計(jì)、制作與測(cè)試對(duì)基于MEMS 技術(shù)制作的窄帶紅外發(fā)射光源所共用的微加

7、熱器進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并采用有限元方法對(duì)其電、熱和機(jī)械結(jié)構(gòu)之間的相互耦合場(chǎng)進(jìn)行了研究，模擬微加熱器的溫度分布、熱形變、應(yīng)力分布和動(dòng)態(tài)響應(yīng)等器件性能，為窄帶紅外發(fā)射光源的制作奠定了基礎(chǔ)。此外為了制作具有真空腔一維光子晶體窄帶紅外發(fā)射光源，還設(shè)計(jì)了一種采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)的低熱應(yīng)變微加熱器，用于保證其在加熱后能夠正常工作。
　　 采用MEMS 技術(shù)制作了基于表面等離子體和基于類似微帶天線結(jié)構(gòu)的兩種窄帶紅外發(fā)射光源。對(duì)制作工藝流程進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，并研