基于納米鉑黑材料的超高輻射率MEMS紅外光源研究*

樹東生，陶繼方，，徐茂森，趙 佳，李 炎，張小水

（1.山東大學信息科學與工程學院，山東 青島 266000；2.山東大學激光與紅外系統集成技術教育部重點實驗室，山東 青島 266000；3.漢威科技集團股份有限公司，河南 鄭州 450000）

0 引 言

隨著國家對精細化工、城市用氣安全和大氣環境網格監控等領域的重視，產業對氣體傳感器的需求越來越多。微型紅外（infrared，IR）氣體傳感器作為一類重要的紅外光譜分析器件，可以通過檢測氣體分子對紅外特征譜線的吸收，來分析氣體的種類和濃度。相比半導體、電化學等氣體傳感器，紅外氣體傳感器具有量程寬、精度高、壽命長、抗干擾能力強等優點，因此獲得廣泛應用［1～4］。微型紅外光源作為紅外氣體傳感器的核心器件，用于提供中紅外光線，目前主要有紅外燈泡、中紅外發光二極管（LED）、量子級聯激光器和微機電系統（MEMS）紅外光源4 種方案。其中，紅外燈泡具有成本低的優勢，但響應慢、輻射率低，通常用于常規二氧化碳（CO2）和甲烷（CH4）2 種氣體傳感器。中紅外LED和量子級聯激光器，具有能量譜密度高、調制速度快等優勢，但制造成本高、功耗大（需要溫控），不適合大規模使用。MEMS 紅外光源可以采用半導體批量制造工藝加工，具有紅外輻射率高、輻射頻譜寬、可靠性高、調制速率快、集成度高等優點，逐步成為微型紅外氣體傳感器的主流光源方案。

MEMS紅外光源通常由襯底，加熱層和輻射層3 部分組成，通過焦耳熱效應產生熱量于加熱薄膜結構，然后通過輻射層向外輻射紅外光，其輻射特性（效率、功耗、可靠性等）基本上由器件的材料和結構決定［5］。其中，廈門大學提出一種基于二氧化硅（SiO2）和氮化硅（Si3N4）復合輻射薄膜的MEMS寬譜紅外光源，在2 ～20 μm光譜范圍內的平均輻射效率達到80%［6］；Lochbaum A 等人提出一種基于超材料的窄譜輻射光源，用于產生特定波長的輻射譜，可以在后續氣體傳感器設計中省去濾光片，其輻射率達到99%［7］。為進一步提高MEMS紅外光源的輻射效率以及多氣體檢測能力，基于納米鉑黑（Pt-black）材料和晶圓級電鍍方法，研制出了一種低成本、高調制速率、超高輻射率的MEMS紅外光源，并成功用于CO2氣體濃度檢測。

1 基本原理

MEMS紅外光源發光基于黑體輻射原理，通過加熱電阻對輻射層薄膜進行加熱使其向外輻射紅外光，其單色輻射出射度與波長和工作溫度相關，并遵循普朗克定律［8］

式中T為黑體溫度；c為真空中光的傳播速度；λ為紅外光波長；E（λ，T）為黑體光譜輻射度；k為玻爾茲曼常數；h為普朗克常數。對普朗克定律中輻射度E進行積分，可以得到MEMS紅外光源單位面積單位時間內的輻射總能量［9］

式中δ為斯特藩-玻爾茲曼常數。由式（2）可以得出黑體的輻射強度和溫度的四次方成正比，因此MEMS 紅外光源的輻射溫度是輻射強度的關鍵因素。

在實際中MEMS紅外光源的輻射能力要比黑體弱，即灰體輻射，其輻射率ε（物體的單色輻射力和黑體輻射率的比值），可以通過基爾霍夫定律描述［10］，在材料透射率（T）為0的情況下，材料的輻射率（ε）等于吸收率（A），并與反射率（R）相關，描述如下

因此，增加輻射層的吸收率可以增加其輻射率，研究者Li N等人使用氧化石墨烯作為輻射層，在2 ～14 μm 光譜范圍內使輻射率達到75%［11］，Ali S Z 等人選擇使用涂敷碳納米管（carbon nanotubes，CNTs），在2 ～14 μm 光譜范圍內實現了接近于1 的輻射率［12］。本文選用并研制了耐酸堿、耐高溫的納米鉑黑結構作為MEMS 紅外光源輻射層，在2 ～14 μm光譜范圍內獲得了99.5%的輻射率，得益于鉑（Pt）材料穩定的電學和化學性質，該器件可以實現低溫漂、長壽命［13］。

2 MEMS紅外光源設計與仿真

2.1 MEMS紅外光源設計

MEMS紅外光源設計原則遵循圖1 所示，材料選擇、加熱薄膜結構、電流加載方式和熱輻射層結構4 個方面互相響應。其中，光源材料是影響紅外光源至關重要的因素，對光源加熱薄膜結構，電壓和熱輻射都會產生影響。電壓信號會通過焦耳熱加熱薄膜結構，然后通過熱輻射向外輻射出紅外光。

圖2 為本文所提出的MEMS 紅外光源的基本結構，芯片尺寸為1.8 mm×1.8 mm×0.3 mm，其中有效輻射面積大小為1 mm×1 mm。輻射區域采用SiO2和Si3N4薄膜結構作為支撐，并減少加熱電阻和硅襯底之間的熱傳導損耗，實現MEMS紅外光源在低功耗下的高溫工作。在薄膜區之外，布局鉑導電結構并在上面電鍍納米鉑黑結構，用于增強紅外輻射。

圖2 MEMS紅外光源的基本結構

2.2 MEMS紅外光源仿真

使用有限元方法對MEMS紅外光源3D結構進行仿真優化，分析光源薄膜溫度分布和應力分布情況。通過“電-熱-力”等多物理場耦合，得到MEMS 紅外光源在5 V 電壓下的溫度場分布，如圖3（a）所示。沿中心線AA′的溫度分布如圖3（b）所示，MEMS 紅外光源薄膜中心溫度達到454 ℃，溫度高于300 ℃的區域寬度為680 μm。MEMS紅外光源薄膜的熱致形變和應力分布如圖4 所示。其中，圖4（a）為MEMS紅外光源薄膜在熱應力下導致的變化位移，從圖中可以看出光源中心的最大處位移為4.23 μm；圖4（b）為MEMS紅外光源中心線的熱應力分布，從圖中可以得到熱應力平均值為203.8 MPa，圖中峰值熱應力分布在加熱電阻和支撐薄膜的交界處，2 個峰值之間的寬度等于加熱電阻排列間距，該應力值小于支撐薄膜SiO2和Si3N4的斷裂應力大小，可以穩定工作。

圖3 MEMS紅外光源的熱場分析

圖4 MEMS紅外光源的熱致形變和應力分析

3 MEMS紅外光源加工

MEMS紅外光源的加工流程如圖5 所示，具體步驟包括：1）高溫熱氧化生成10 nm的SiO2，采用低壓化學氣相沉積（low pressure chemical vapor deposition，LPCVD）方法沉積50 nm Si3N4；2）在晶圓正面，采用等離子增強化學氣相沉積（plasma enhanced chemical vapor deposition，PECVD）方法制備Si3N4／SiO2／Si3N4復合支撐薄膜結構，厚度分別為0.2，1.0，0.2 μm；3）通過電子束蒸發鈦／鉑（Ti／Pt）金屬層，厚度分別為10 nm和200 nm，并剝離形成加熱電阻絲和電極；4）進行背面曝光，干法刻蝕形成氫氧化鉀（KOH）腐蝕窗口；5）電鍍沉積納米鉑黑輻射層結構；6）使用KOH溶液在晶圓背面腐蝕出空腔結構，形成懸浮薄膜結構。最后所形成的MEMS紅外光源芯片如圖6所示。

圖5 MEMS紅外光源加工流程

圖6 MEMS紅外光源芯片

4 MEMS紅外光源測試與應用驗證

4.1 鉑黑吸收率測試

為了得到高輻射率納米鉑黑結構，在不同條件下進行電鍍納米鉑黑實驗。圖7（a）為電鍍鉑黑結構切面視圖，鉑黑如草型生長在加熱鉑電阻絲上，圖7（b）中電鍍納米鉑黑俯視圖中，鉑黑表面呈現多孔結構，可以使使入射的紅外光在內部經多次反射后被材料吸收，進而提高MEMS 紅外光源的吸收率。使用傅里葉變換光譜儀，對納米鉑黑層在光譜2 ～14 μm范圍內的吸收率進行測試，結果如圖8 所示。從圖8（a）中可以看出，在電流密度相同時，電鍍時間越長，電鍍鉑黑輻射層的吸收率也越高；從圖8（b）中可以發現，電鍍時間為140 s時，電鍍電流密度為90 mA／cm2的電鍍鉑黑，其吸收率反而小于50 mA／cm2和70 mA／cm2 時的吸收率，主要原因是當電鍍電流密度過大時，電鍍過程中水解效應使電鍍電流效率降低，導致鉑黑變少。

圖7 電鍍納米鉑黑結構圖

圖8 不同電鍍工藝條件下所形成的納米鉑黑結構，在2 ～14 μm光譜范圍內的吸收率測試結果

4.2 MEMS紅外光源性能測試

使用六位半萬用表測試MEMS 紅外光源靜態電阻，得到MEMS紅外光源電阻值為53 Ω。用直流電源驅動加工MEMS紅外光源，測試得到不同驅動電壓下MEMS 紅外光源的功耗，以及不同功耗下的工作溫度，如圖9所示。插圖是用紅外熱成像儀所測得到芯片表面的溫度分布，溫度均勻性較高。

圖9 MEMS紅外光源功耗與芯片最高溫度的關系測試曲線

為測量MEMS紅外光源的動態工作特性，采用不同頻率的電信號驅動MEMS紅外光源，并借助中紅外光電探測器測試MEMS紅外光源的響應，結果如圖10 所示。約定MEMS紅外光源輻射光功率由0升到最大輻射功率的90%需要的時間為上升時間（Tup），由最大值降到10%需要的時間為下降時間（Tdown），在此條件下，分析MEMS 紅外光源的調制深度m（f），其定義為［14］

圖10 MEMS紅外光源的動態特性

式中V（f）p-p為光源驅動電壓頻率為f時，探測器輸出峰峰值電壓；V（1 Hz）p-p為光源驅動電壓頻率為1 Hz 下的探測器輸出峰峰值電壓；圖10（a）顯示在1 Hz光源驅動電壓下光源的輻射響應特性，從中可以測得，MEMS紅外光源的上升時間為17 ms，下降時間為5 ms。圖10（b）為調制深度測試曲線，當MEMS紅外光源工作在10 Hz以內時，調制深度為100%，之后隨著調制頻率增加，調制深度逐步減小，并在100 Hz時降低到42%。

表1為近年來有關MEMS 紅外光源的報道對比，本文的MEMS 紅外光源在調制速率、輻射效率等方面，均具有較大優勢。雖然CNTs作為輻射材料也能達到接近于1 的輻射效率，但是CNTs在高溫下會產生塌陷，因此長時間工作性能并不如鉑黑輻射材料。

表1 近年來有關MEMS紅外光源的研究

4.3 MEMS紅外光源應用驗證

將所研制的MEMS 紅外光源芯片與MEMS 熱電堆紅外探測器和微型氣室進行集成，形成一個10 mm×10 mm×3 mm的集成紅外氣體傳感器［17］，如圖11（a）所示。其中，圖11（b）為傳感器內部的結構及光路圖，MEMS 紅外光源發出的紅外光平均經過3次反射并穿過氣室到達MEMS熱電堆紅外探測器。圖11（c）為紅外氣體傳感器，對不同體積分數CO2氣體的響應特性，可以看出：當CO2氣體體積分數在0%～14%范圍內時，具有明顯的響應，其測試結果遵循朗伯-比爾吸收定律。

圖11 MEMS紅外光源芯片在氣體傳感器樣機中的測試結果

5 結 論

本文提出并研制了一種超高輻射率的高性能MEMS紅外光源。在設計環節，通過建立仿真分析模型，對熱致位移和芯片熱應力進行了詳細分析。在加工工藝環節，對核心的納米鉑黑電鍍工藝進行了詳細研究，通過優化電鍍條件開發出吸收率（輻射率）為99.5%以上的高可靠性薄膜結構。所研制的MEMS 紅外光源可以在407 ℃下長期工作，其響應時間為17 ms，即使在100 Hz的調制頻率下，其調制深度仍有42%。該器件可以用于未來的微型紅外氣體傳感器，并在CO2氣體檢測中進行了應用驗證。綜上所述，此MEMS紅外光源可以做為關鍵部件用于工業氣體檢測，以及紅外目標識別、物體搜索等多個領域，在未來的應用中可以發揮重要作用并產生經濟價值。