MEMS紅外光源光譜特性及溫度特性測試研究

張 鵬，丑修建，劉 立，王二偉，張 輝

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MEMS紅外光源光譜特性及溫度特性測試研究

張 鵬1,2，丑修建1,2，劉 立1,2，王二偉1,2，張 輝1,2

（1. 中北大學 電子測試技術重點實驗室，山西 太原 030051；2. 中北大學 儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051）

MEMS紅外光源是基于微機電系統（MEMS）制造工藝的紅外光源器件，為明確MEMS紅外光源的輻射光譜分布特性和溫度特性，采用SR5000光譜輻射計對MEMS紅外光源進行輻射光譜分布特性測試，所得數據表明所選光源的紅外光譜分布主要在3～5μm之間，中心波長位于3.6μm，該波段紅外光具有接近90%的大氣透過率；采用紅外測溫儀和熱敏電阻對光源輻射體溫度進行測試，結果顯示所選MEMS紅外光源溫度特性優良，適用范圍廣泛。

MEMS紅外光源；輻射光譜；光譜測試；溫度特性

0 引言

隨著現代科技的飛速發展，對光電系統微小型化、輕型化和高效率提出了更迫切的需求，微機電系統（MEMS）工藝這一革命性技術的出現為滿足相應需求提供了幾乎完美的解決途徑[1-3]。MEMS紅外光源是采用MEMS工藝加工集成于半導體襯底上的有源器件，其工作機理是普朗克輻射體通電致自加熱效應，激發光源輻射層輻射紅外光[4-5]，具有輻射強度相對較高、電光轉化效率高、可實現變頻調制等特點，正逐步取代傳統紅外光源成為目標識別、紅外光電通信等先進紅外系統的核心器件[6]。因此，MEMS紅外光源各種輻射特性的深入研究對其實際應用意義重大[7]。

紅外系統中，光源的輻射特性對所在紅外系統的整體性能有著直接影響，而光源的溫度特性決定其應用范圍和整體成本，但目前為止關于MEMS紅外光源相關特性的具體表述并不多。本文針對性開展了MEMS紅外光源相關特性研究，明確了該類型光源的光譜輻射特性和溫度特性。

1 MEMS紅外光源光譜特性測試

1.1 測試設備

選取SR5000智能光譜輻射計進行MEMS紅外光源的輻射光譜分布特性測試[8]。SR5000智能光譜輻射計具有自動校準、實時數據分析和顯示、數秒內完成光譜響應校準計算等優點，可實現被測目標光譜輻射特性的高精度和高靈敏度的實時、非接觸性測量，該光譜輻射計內部自配黑體精度優于0.1℃，采用共光學系統實現測量無視差，進而可實現3m到無窮遠距離的光學聚焦，儀器斬波頻率為25～1800Hz，光譜掃描速度可達0.015～10次/s。

1.2 測試原理

SR5000光譜輻射計輸出的電壓信號為：

V＝()(o－c)＝()[o－L(,IBB)] (1)

式中：()是SR5000的光譜響應系數；o是斬波器開啟時探測器接收到的輻射值；c是斬波器關閉時探測器接收到的輻射值；L(，IBB)為光譜輻射計內部黑體的普朗克輻射值；v是光譜輻射計的測量輸出電壓。在實際測試中，需要得到光譜輻射計的光譜響應系數()再經過計算得到o的值。

測試待測器件前應將SR5000光譜輻射計對準標準黑體源校準。對于輻射量為L(,BB)的標準黑體源，則可測得此時光譜輻射計輸出電壓值VC：

VC()＝()[L(,BB)－L(,IBB)] (2)

計算得到：

()＝VC()/[L(,BB)－L(,IBB)] (3)

校準完畢，不改變測試條件，對待測器件輻射特性進行測試，根據前述公式可計算出斬波器開啟時探測器接收的輻射能量值，即目標輻射強度：

o＝V/()＋L(,IBB) (4)

此即為所測MEMS紅外光源輻射強度。

1.3 測試過程

測試具體過程步驟如下：

1）首先利用標準黑體源進行SR5000光譜輻射計響應靈敏度的校準，本文采用SR20標準黑體源。

SR5000測試參數設置斬波器頻率＝800Hz，增益＝100，視場FOV＝6mrad[9]，采樣時間scan＝2s。采用SR20黑體對設備進行校準，設置黑體溫度BB＝200℃，出口直徑BB＝3.2mm，測試距離c＝4.4m。啟動SR5000智能光譜輻射計自帶光譜靈敏度校準程序進行現場校準。紅外光源光譜特性測試系統如圖1所示。

2）校準完畢后取走SR20黑體，將待測MEMS紅外光源放置在原SR20黑體的位置，連接光源驅動電路[10]。采用固緯GPS4303C線性直流可調穩壓電源作為驅動電源，保證光源供電穩定和驅動電壓的連續性調整。

圖1 紅外光源光譜特性測試系統示意圖

3）點亮光源開始測試，待光譜輻射計輸出數值穩定后記錄測試數據。待測光源供電電壓從5.0V開始，以0.4V為步進間隔逐次調整，分別測試5.0、5.4、5.8、6.2、6.6V五組數據。

實驗室環境溫度為23℃、相對濕度為65%。測試時參數設定后應關閉實驗室不相關光源，將可能影響紅外光源測試效果的熱源盡可能移出光譜幅設計測試視場，以保證測試數據盡可能準確。

對測得的MEMS紅外光源在5組不同驅動電壓下的光譜輻射數據采用數據分析與制圖軟件Origin進行分析制圖，如圖2所示。由圖可知，所測MEMS紅外光源光譜分布主要在3～5mm，中心波長在3.6μm處，其中在2.3～2.7mm區間、4.1～4.4mm區間出現短暫尖峰和輻射強度驟降，分析原因，其中2.3～2.7mm波段的尖峰是儀器內部噪聲導致，4.1～4.4mm波段的輻射強度下降是相應波段輻射能量為大氣中二氧化碳與水蒸氣吸收所致，均屬正常現象。

圖2 MEMS紅外光源光譜輻射特性曲線

2 MEMS紅外光源溫度特性測試

MEMS紅外光源的輻射體溫度特性對其應用范圍有著決定性影響。輻射溫度過高則要求應用該紅外光源的系統整體有較強高溫承受能力，包括電子元件、封裝材料、應用環境等，而實際情況是現行常見通用型電子元件大多不具備耐高溫性能；然而輻射溫度太低又不能實現輻射特定波段紅外線的要求。故而對MEMS紅外光源輻射體溫度進行可靠測試分析很有必要并且意義重大。

采取兩種方式進行MEMS紅外光源輻射體溫度特性測試，分別是紅外測溫儀Infrared Thermometer GM系列測溫和熱敏電阻測溫，再對測試方法所得結果進行分析對比。

2.1 紅外測溫儀法

圖3為Infrared Thermometer GM1150測溫儀工作原理流程框圖，本文即根據該原理測試MEMS紅外光源輻射溫度特性。紅外測溫儀利用其溫度傳感器將物體紅外輻射熱信號轉換為電信號，形成輻射體輻射能-輻射溫度-電信號三者之間的對應關系，然后根據電信號計算輻射體溫度[11]。選擇紅外測溫儀對紅外光源進行溫度特性測試時，光源尺寸相對測溫儀敏感頭較大，直接測試無法滿足所儀器要求的物距比，故采取措施拆掉測溫儀前端部件，然后嚴格參考紅外測溫儀說明書的測試物距要求（如圖4所示）調整測試參數進行測試。

圖3 紅外測溫儀測溫原理

圖4 紅外測溫儀測試物距比要求

2.2 熱敏電阻法

熱敏電阻法[12]選取熱敏電阻作為溫度敏感單元，搭建溫度采集系統對采集數據進行處理并顯示探測溫度，其工作平臺搭建如圖5所示。熱敏電阻測溫法工作原理是電阻值跟隨所測器件溫度變化產生線性改變，對電阻值數據進行處理轉化即可實現溫度數值的測試。熱敏電阻法測溫即將熱敏電阻直接貼附在光源上，所收集數據是光源加電工作時輻射體表面溫度，該數據相對更接近實際溫度。熱敏電阻測溫屬于直接測試法。

圖5 熱敏電阻法光源溫度測試平臺

兩種溫度特性測試方法的測試環境和光源驅動電壓參數相同，均為環境溫度21℃，濕度48%，采取5V電壓驅動。

2.3 測試結果

測溫儀法和熱敏電阻法分別進行的MEMS紅外光源輻射體溫度特性測試結果對照如表1所示。

表1 光源輻射體溫度測試結果

兩組測試結果均表明輻射體測試溫度與光源發光薄膜輻射溫度理論值400℃有較大差距，究其原因，主要因為所測MEMS紅外光源設計方案采用懸浮式結構，雖然光源器件發光薄膜與基底結構之間僅僅是毫米級空間，但已經在很大程度上降低了熱量的匯聚，釋放了輻射體的高溫。分析測試數據可知，本文所測MEMS熱輻射型紅外光源輻射體溫度在正常溫度范圍內，對封裝結構及應用系統的耐高溫性能沒有特殊要求。

3 結論

所測MEMS紅外光源從輻射原理可認定為熱輻射型窄帶輸出紅外光源，其輻射光譜主要分布在3～5mm區間，中心波長在3.6mm處，大氣透射性能良好；光源器件制造所采用的懸浮體結構設計實現了器件較好的散熱性能，封裝后的光源器件在正常工作時溫度低于150℃，表明其溫度特性良好。綜上所述，MEMS紅外光源具備眾多優點，此種光源可廣泛應用于紅外光電通信、目標識別、特殊環境物體搜索及人員救援、特殊氣體監測等領域，在未來的應用中必將發揮重要的社會作用并創造巨大的經濟價值。

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Research on Spectral and Temperature Characteristic Test of MEMS Infrared Light Source

ZHANG Peng，CHOU Xiujian，LIU Li，WANG Erwei，ZHANG Hui

(1. Science and Technology on Electronic Test and Measurement Laboratory, North University of China, Taiyuan 030051, China；2. Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement, Ministry of Education, North University of China, Taiyuan 030051, China)

MEMS infrared light source is based on micro-electromechanical system (MEMS) fabrication technology. To clarify the radiation spectral distribution characteristic and temperature characteristic, a SR5000 spectrora diameter was adopted for testing MEMS infrared light radiation spectral distribution. The results show that the infrared spectrum of the light source selected mainly distributes between 3-5μm, and the center wavelength is at 3.6μm. The infrared thermometer and thermistor had been taken to test the light radiation temperature. The results show that the temperature characteristic of the selected MEMS infrared light source is excellent, and the light source has a wide scope of application.

MEMS infrared light source，radiation spectrum，spectral testing，temperature characteristic

TN214，TN383

A

1001-8891(2017)03-0288-04

2016-06-01；

2016-08-05.

張鵬（1991-），男，河南方城人，碩士研究生，主要從事微納傳感與執行器件研究。

國家自然科學基金項目（51275492）；中國博士后科學基金（2013T60557，2012T52118）；江蘇省博士后科研計劃項目（1201038C）。