MEMS氣體傳感器用紅外光源研究.pdf

1、微機電(Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS)紅外光源具有體積小、微功耗、可電調制和制造成本低的特點，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。本論文結合等離子體處理制備黑硅技術，研究了一種滿足NDIR氣體傳感器應用要求的MEMS紅外光源。
　　本文研究了MEMS紅外光源的國內外發(fā)展狀況，并對紅外輻射基礎理論進行了介

2、紹；從傳熱學理論出發(fā)，對光源的傳熱學模型進行了研究，在此基礎上完成了結構和尺寸設計，利用Ansys Workbench對設計模型進行了熱電耦合仿真，利用TCAD對離子注入方案進行了仿真；根據(jù)現(xiàn)有工藝條件對光源制備過程中涉及到的關鍵工藝進行了單步工藝試驗，整合出了完整的工藝流程并流片實現(xiàn)；對封裝后的MEMS紅外光源進行性能測試。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

3、到98％以上，同時黑硅的引入使光源的輻射效率提高40%。光源采用深反應離子刻蝕(DRIE)進行背面釋放，在輻射區(qū)面積達到1.8×1.8mm時，器件尺寸僅有3×3mm。經測試，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的調制頻率下，調制深度可達40%。光源的光譜輻射特性和調制特性均能滿足NDIR氣體傳感器的應用要求，且簡單的制備工藝使該光源易于實現(xiàn)大規(guī)模重復性制造，利于實現(xiàn)