MEMS電調(diào)制紅外光源.pdf

1、紅外氣敏傳感器利用氣體的特征光譜進(jìn)行測量，具有優(yōu)越的選擇性、靈敏度和穩(wěn)定性，已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。然而常規(guī)的紅外氣敏傳感器體積較大，難以實(shí)現(xiàn)微型化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化。因此采用MEMS技術(shù)研制微型化的紅外氣敏傳感器越來越受到人們的重視。本文系統(tǒng)研究了MEI~S化紅外氣敏傳感器的一個(gè)重要部件一一電調(diào)制紅外輻射光源。 本論文的工作分為以下四個(gè)方面：MEMS紅外光源理論基礎(chǔ)及研制、光源工作模式研究、光源輻射特性研究和光源在非擴(kuò)散式紅外氣體探測

2、體系中的初步應(yīng)用。 結(jié)合理論分析，通過比較不同的光源結(jié)構(gòu)和發(fā)熱絲材料，本文采用了懸膜結(jié)構(gòu)并以硅片為襯底，分別用鉑金和鎳鉻合金為發(fā)熱絲材料的MEMS光源設(shè)計(jì)。由于鉑金材料發(fā)射率較低，本文研究了在成形的電阻絲表面淀積2000A的PECVI)氮化硅的光源結(jié)構(gòu)。覆蓋氮化硅薄膜結(jié)構(gòu)的光源使總體輻射有所增強(qiáng)，但光源的響應(yīng)時(shí)間也增加了。為了優(yōu)化光源總體輻射和響應(yīng)時(shí)間，本文還研究了用鎳鉻合金為發(fā)熱絲的MEMS光源結(jié)構(gòu)。兩種光源的有效輻射面積分別

3、設(shè)計(jì)為1．9×1．95mm2和1．5×1．6mm2，電阻值分別為46歐姆和50歐姆。制作過程中，本文采用了新的腐蝕裝置和預(yù)腐蝕方法，解決了薄膜釋放的技術(shù)難點(diǎn)。 通過計(jì)算，分析了脈沖高電平階段不同的供電方式對(duì)光源動(dòng)態(tài)特性的影響。結(jié)果表明，采用恒壓源供電的方式對(duì)于減小光源的升溫時(shí)間最有利，從而在動(dòng)態(tài)性能測試以及應(yīng)用過程中，選擇高電平為恒定電壓輸入的供電模式。同時(shí)還分析．了發(fā)射率對(duì)動(dòng)態(tài)特性的影響，提高發(fā)射率有利于提高光源響應(yīng)速率。

4、 采用熱像儀和光譜輻射計(jì)等設(shè)備對(duì)MBMS紅外光源的輻射特性進(jìn)行表征，兩種光源在2～14微米的波長范圍內(nèi)都有較強(qiáng)的輻射。表面未作處理的鉑金光源在700mW加電功率下輻射功率為12．3mW，電能一輻射能的轉(zhuǎn)化效率約為1．76％；上升時(shí)間為28ms，下降時(shí)間為16ms。改用鎳鉻合金為發(fā)熱絲材料，光源的穩(wěn)態(tài)特性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)都有了較大提高。相同加電功率下，輻射功率為52．23mW,轉(zhuǎn)化效率為7．46％；上升時(shí)間26ms，下降時(shí)間15ms。

5、 實(shí)驗(yàn)過程還對(duì)薄膜底下殘留了10～20微米硅的鎳鉻光源特性進(jìn)行了研究，該光源由于薄膜沒有徹底的釋放的緣故，電能利用率低，700mw加電功率下轉(zhuǎn)化效·率僅為0．91％，不到薄膜徹底釋放的芯片的十分之一，且因?yàn)闅埩艄鑼?dǎo)致熱質(zhì)量大大增加，升溫過程緩慢，很難實(shí)現(xiàn)調(diào)制。但其光譜分布與前述光源有著不同的特點(diǎn)，不同加電功率作用下，光源在5．87微米波長處出現(xiàn)輻射峰值，且該值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他波長處的輻射。對(duì)于這一特性的充分研究，可能有助于提高光源有效帶寬