[发明专利]一种金刚石桥膜结构微型红外光源芯片及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及红外技术领域，特别是涉及一种弧形桥式悬浮金刚石薄膜结构的微型红外光源芯片及制备方法。

背景技术

随着红外技术研究的不断进步，红外技术大量应用于温度控制、环境监测、空间监视、高分辨率成像、气体探测等领域。目前，基于红外吸收光谱技术的气体探测系统中，红外光源的性能直接决定着气体探测的精度和灵敏度。目前商业可供选择的红外光源主要有：量子级联红外激光器、红外发光二极管和热辐射红外光源。其中红外发光二极管在红外中远波段输出的光功率很低，限制了其适用范围；大功率的铅盐类红外激光器能发射波段很窄的红外激光，但需要低温制冷，且体积较大，而量子级联激光器由于技术复杂，制造成本高而增加了使用成本。传统热辐射光源利用高温加热体发射宽谱中远红外辐射光，其光电转换效率低，无法直接调制，需要借助外部机械斩波器来调制红外光，因此增加应用系统的体积和成本。而相比之下，采用微机械加工技术制备的微电子机械系统(MEMS)红外光源是通过加热悬浮薄膜电阻层实现高温辐射红外光，与传统的红外光源相比，具有体积小、能耗低、可调制、成本低和适于大规模生产制造。目前国内外在红外气体传感器领域大多结合MEMS工艺技术，研制开发体积小、可靠性高、光电性能优良的MEMS红外光源。

目前，MEMS红外光源由于工作温度高，需要考虑其高温稳定性和结构的稳定性两方面的因素。

对于高温稳定性，电加热层必须使用耐高温的材料。目前用于MEMS红外光源电加热层的材料主要有铂金属、多晶硅、金属氧化物和碳化硅等。由于红外光源长时间工作在高温条件下，当暴露在空气、潮湿和被探测气体的环境中，这些耐高温材料的稳定性都不是很良好，有的材料会发生相变和质变，例如，金属加热到高温易被氧化；多晶硅在高温下会发生再结晶现象；金属氧化物则会对吸附气体导致电阻变化，铂金属催化反应分解水分子产生氢气等。

对于MEMS红外光源的结构设计，主要有悬浮封闭薄膜型和悬臂薄膜型。悬浮封闭薄膜型外光源在工作时，由于材料在高温下的热膨胀从而在结构内部产生了较大的热应力，尤其是悬浮薄膜与支撑框架的接触边缘应力很高。通过把接触边缘部分开槽形成打开的窗口，并用悬臂实现连接和支撑形成悬臂薄膜型结构，可以释放接触边缘的集中应力，并起到阻隔热传导通道的作用。对于开窗后形成的悬臂薄膜结构不仅可以降低结构应力，还可以有效地减少热损耗提高电光转换效率。但是这种结构的悬臂存在强度低和应力集中大的缺点，容易导致悬臂结构破损和断裂。因此有必要对MEMS红外光源的材料和结构进行改进，以解决上述的问题。

中国专利CN103030094A公开一种红外光发射与分光集成芯片及其制备方法，该发明是要解决现有的分析仪器由于红外灯泡加上机械斩波器的光源调制模式很难实现仪器的微型化、现有的闪耀光栅制备方法存在成本高和难度大的问题。该系统由芯片内芯、封装外壳、反射镜组成；芯片内芯是由硅基片、二氧化硅隔离层、闪耀光栅、光源电极、测温电阻、光隔离梁和隔离槽组成。制备方法为：一、准备硅基片；二、制备二氧化硅隔离层；三、制备光源电极、测温电阻和光隔离梁；四、制备闪耀光栅；五、制备隔离槽；六、制备反射镜；七、封装。

中国专利CN200810070672公开了一种硅基红外光源及其制备方法。该发明提供了一种基于绝缘体上硅晶片制备的红外光源芯片，具有体积小、能耗低、发射强度高、调制频率高等特点。该发明中使用多晶硅作为加热层。该MEMS红外光源结构组成为：衬底框架、支撑层，氧化硅隔离层、电加热多晶硅层和电极。该光源芯片的支撑层为封闭薄膜结构，电加热多晶硅层置于支撑层上方。制备方法：一、准备SOI片，二、重掺杂制备红外吸收层并作为支撑层结构，三、制作氧化硅作为隔离层，四、制作多晶硅层为加热层，五、制备氧化硅作为保护层，六，制作金属电极，七、体硅刻蚀形成空腔结构

中国专利CN201310124547公开一种电调制MEMS红外光源及其制备方法。该发明中利用固定在支撑层上的金属铂电阻丝产生对外的红外辐射，具有电调制性能稳定、占空比高、结构稳定的特点。为增强金属表面红外发射率，对其表面进行粗糙化处理来提高其发射效率。该MEMS红外光源包含衬底框架、支撑薄层，发热电极。其结构组成为，支撑薄层覆盖于衬底框架之上，支撑层为封闭薄膜结构，金属铂电阻丝固定在支撑层薄膜上。其制备方法为：一、准备硅晶片，二、制备支撑薄膜层，三、制备发热电极，四、体硅刻蚀形成空腔结构。

发明内容

本发明的目的在于提供具有体积小、功耗低、响应快、可调制和可靠性高等特点的一种金刚石桥膜结构微型红外光源芯片及制备方法。