集成高辐射率纳米结构的MEMS红外光源研究

　　微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）红外光源基于热辐射原理，具有体积小、功耗低、调制频率高、波长范围宽、寿命长等特点。随着纳米技术及纳米结构与传感器的集成逐渐成为关注的热点，本文创新性地采用等离子体工艺制备了高辐射率的纳米结构，并集成于MEMS红外光源上，大幅提升了光源的辐射效率。

　　本论文的工作分为以下几个方面：研究了MEMS红外光源的国内外发展现状；从红外辐射的理论出发，对基于多晶硅热阻材料的MEMS红外光源进行了理论设计分析，并在此基础上完成了结构设计的ANSYS仿真和多晶硅掺杂的TCAD仿真优化；对集成于光源的高辐射率纳米结构进行了微观机理分析及FDTD仿真优化，并完成了基于硅基底及碳基底的纳米结构的制备及表征，同时对MEMS红外光源制备过程中涉及的关键工艺进行了单步工艺开发；在此基础上，整合出了基于多晶硅的整体工艺流程并进行了流片实验；对封装完成的MEMS红外光源进行了动态及静态性能测试。

　　本文研制的MEMS红外光源的特点在于，利用不同的等离子工艺刻蚀硅基底形成中红外波段高辐射率的纳米结构，并集成于光源表面，由此大幅提升红外光源的辐肘效率及电光转换效率。与已有的MEMS红外光源相比，通过集成宽光谱范围的高辐射率纳米结构，能够增加窄波段范围内的红外光谱辐射强度，并且通过控制热电阻的输入电压可以控制红外光源辐射的窄波段范围，提高利用率，利于实现产业化推广。测试结果显示，制备的高辐射率纳米结构的辐射光谱范围在2～8ym，辐射率高达85%以上；集成高辐射率纳米结构的MEMS红外光源在63 1.6mW的输入功率下，辐射区温度可以达到280～460℃，辐射能量比未集成时提高了101.2%，在50Hz的调制频率下，调制深度可达3 0%。光源的静态特性和动态特性均能满足红外气体传感器的应用需求。

　　此外，本文还研究了基于其他不同热电阻材料的高辐射率MEMS红外光源制备，例如，Pt、非晶碳等。这为后期制备多种不同类型的MEMS红外光源奠定坚实的基础。