CN102788325A - 基于碳纤维的红外光源及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于碳纤维的红外光源及制备方法，涉及红外技术。该红外光源包括管座、管脚、抛物反光杯、光学窗口、红外光源芯片。管脚在管座上表面，抛物反光杯固接于管座上表面，抛物反光杯前端面固接有光学窗口，红外光源芯片固接在管座上表面并处于抛物反光杯的焦点位置。其中，红外光源芯片包括支撑框架、碳纤维加热体以及电极压焊块。支撑框架上表面固接有电极压焊块；碳纤维加热体整列排布在支撑框架通孔上方，碳纤维加热体两端分别与电极压焊块接触；通过压焊金属丝将电极压焊块与管脚相连。本发明基于碳纤维的红外光源体积小、功耗低、调制频率高、中远红外发射效率高。本发明的方法可实现低成本、大批量制备。
Description
技术领域
本发明涉及红外技术领域，具体而言是一种基于碳纤维的红外光源及制备方法。
背景技术
红外技术已广泛应用于火灾报警，车辆、人员探测，CO2、CH4等气体检测以及测温等方面。
目前广泛应用的一种宽带红外光源是利用加热后的螺旋状金属灯丝(多为镍铬丝)发射红外光。在螺旋状灯丝外增加陶瓷等红外辐射材料可以提高光源的发光效率。但这种光源功耗大，发出的红外光不均匀，光源寿命短。这些传统的红外光源由于发热体(灯丝)热容量较大，调制频率很低，在很多场合中不得不使用比较复杂的机械斩波装置，使得系统可靠性降低，成本提高。
另外一种宽带红外光源是基于微电子机械(MEMS)技术的红外光源(Micromachined tuned-band hot bolometer emitter，US parent6756594；High frequency infrared emitter，US parent 6297511；基于微电子机械系统技术的红外光源及制备方法，CN 200410073801.7)。基于MEMS技术的红外光源体积小、功耗低。发光体热容很小，可以实现快速的光源调制。但是，基于MEMS技术的红外光源制备工艺复杂、成本较高。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于碳纤维的红外光源及制备方法。该红外光源具有体积小、功耗低、调制频率高、中远红外发射效率高等优点。本发明的方法可实现低成本、大批量制备。
为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：
一种基于碳纤维的红外光源，包括管座、管脚、抛物反光杯、光学窗口、红外光源芯片；管脚在管座上表面，抛物反光杯固接于管座上表面，抛物反光杯前端面固接有红外窗口，红外光源芯片固接在管座上表面并处于抛物反光杯的焦点位置；其红外光源芯片包括支撑框架、碳纤维加热体及电极压焊块；支撑框架中心部有通孔或凹槽，支撑框架在一方向相对的两侧边框上表面固接有电极压焊块；多根碳纤维加热体相互平行设置，悬空排布在支撑框架通孔或凹槽上方，每根碳纤维加热体两端分别与侧边框上表面的电极压焊块固接；
红外光源芯片位于抛物反光杯的焦点位置；
通过压焊金属丝将电极压焊块与管脚电连接。
所述的红外光源，其所述支撑框架为硅材料或陶瓷材料；电极压焊块为金属材料。
所述的红外光源，其所述支撑框架中心部有一通孔，通孔为方形，或倒梯形；框架厚度为300μm，尺寸为3*3mm到5*5mm之间，内部方形通孔尺寸为2*2mm到4*4mm之间。
所述的红外光源，其所述支撑框架中心部有一凹槽，凹槽尺寸为2*2mm到4*4mm之间。
所述的红外光源，其所述相互平行设置的多根碳纤维加热体，是相互等间距平行排布在支撑框架通孔或凹槽上方。
所述的红外光源，其所述多根碳纤维加热体，是以并联排布或串联排布的方式，与侧边框上表面的电极压焊块固接。
所述的红外光源，其所述每根碳纤维加热体两端，是用导电胶同电极压焊块固接。
所述的红外光源，其多个基于碳纤维的红外光源，可组成红外光源阵列。
一种所述的红外光源的制备方法，其包括下列步骤：
a)清洗硅片；
b)热氧化形成氧化硅；
c)沉积氮化硅；
d)第一次光刻，淀积金属薄膜形成电极压焊块；
e)第二次光刻，刻蚀氮化硅、腐蚀氧化硅形成腐蚀窗口；
f)利用硅各向异性腐蚀技术，背面腐蚀硅形成支撑框架结构；
g)在支撑框架上表面制备整列的碳纤维加热体，用导电胶将碳纤维加热体两端分别同电极压焊块固接，形成红外光源芯片；
h)红外光源芯片用高温胶贴片于金属管座上，通过压焊金属丝将电极压焊块与管脚相连；
i)将h)步的成品，于真空或充氮气氛中封装在带有氟化钙光学窗口、抛物反光杯的金属管座上。
本发明的优点与积极效果：
本发明提供了一种基于碳纤维的红外光源及其制备方法，实现了宽带红外光源的低成本、大批量生产。碳纤维是一种石墨的六方晶格层状结构组成，是一种高导热高辐射型的全黑体材料，因此在电热应用中表现出来的电热转换效率高。与传统的白炽灯型红外光源相比，本发明的发热体热容量很小，调制频率可达到10赫兹(100％调制深度)。与基于MEMS技术的红外光源相比，本发明的红外光源制备工艺简单，成本低，扩展了红外监测的应用领域。
附图说明
图1是本发明的基于碳纤维的红外光源芯片结构俯视图；其中：
图1(a)为碳纤维串联排布的结构俯视图；
图1(b)为碳纤维并联排布的结构俯视图；
图2是本发明的基于碳纤维的红外光源芯片结构剖面示意图；其中：
图2(a)为一种红外光源芯片结构；
图2(b)为第二种红外光源芯片结构；
图2(c)为第三种红外光源芯片结构。
图3是本发明的基于碳纤维的红外光源芯片制备工艺示意图；其中：
图3(a)为热氧化氧化硅、淀积氮化硅；
图3(b)为第一次光刻，淀积金属形成电极压焊块；
图3(c)为第二次光刻，刻蚀氮化硅、腐蚀氧化硅形成腐蚀窗口；
图3(d)为利用硅各向异性腐蚀技术，背面腐蚀硅形成支撑框架结构；
图3(e)为在硅框架表面制备整列的碳纤维，形成红外光源芯片；
图4是基于碳纤维的红外光源芯片具体制备工艺流程框图。
具体实施方式
结合附图说明本发明的具体实施方法。
图1是本发明的基于碳纤维的红外光源芯片结构俯视图。其中：图1(a)为碳纤维串联排布的结构俯视图；图1(b)为碳纤维并联排布的结构俯视图。1为支撑框架；2为电极压焊块；3为碳纤维发热体。
图2是本发明的基于碳纤维的红外光源芯片结构剖面示意图。其中：图2(a)为一种红外光源芯片结构；图2(b)为第二种红外光源芯片结构；图2(c)为第三种红外光源芯片结构。
图2(a)所示，一种红外光源芯片结构是：支撑框架1为陶瓷材料，形状为方形框架，其中部开方形通孔6；支撑框架1表面有固接的电极压焊块2；碳纤维加热体3整列排布在支撑框架1上，并与电极压焊块2接触；通过压焊金属丝将电极压焊块2与管脚相连。
图2(b)所示，一种红外光源芯片结构是：支撑框架1为陶瓷材料，形状为方形框架，其中部开凹槽8；支撑框架1表面有固接的电极压焊块2；碳纤维加热体3整列排布在支撑框架1上，并与电极压焊块2接触；通过压焊金属丝将电极压焊块2与管脚相连。
图2(c)所示，一种红外光源芯片结构是：支撑框架1为硅材料，形状为方形框架，其中部开倒梯形通孔7；支撑框架1表面有固接的钝化层，包括氧化硅层4和氮化硅层5；钝化层表面有固接的电极压焊块2；碳纤维加热体3整列排布在支撑框架1上，并与电极压焊块2接触；通过压焊金属丝将电极压焊块2与管脚相连。
图3是本发明的基于碳纤维的红外光源芯片制备工艺示意图，其中：图3(a)为热氧化氧化硅、淀积氮化硅；图3(b)为第一次光刻，淀积金属形成电极压焊块；图3(c)为第二次光刻，刻蚀氮化硅、腐蚀氧化硅形成腐蚀窗口；图3(d)为利用硅各向异性腐蚀技术，背面腐蚀硅形成支撑框架结构；图3(e)为在硅框架表面制备整列的碳纤维，形成红外光源芯片。
图4是基于碳纤维的红外光源芯片具体制备工艺流程框图，具体工艺流程为：
1)清洗硅片(300微米厚，100晶向的双面抛光硅片)；
2)热氧化300内米的氧化硅；
3)LPCVD沉积500内米厚的氮化硅；
4)第一次光刻，淀积金属薄膜形成电极压焊块(正性光刻胶，胶膜厚度在1微米到5微米之间，典型值为2微米)；
5)溅射铂/钽薄膜200内米)，剥离制备电极压焊块；
6)第二次光刻(正性光刻胶，胶膜厚度在1微米到5微米之间，典型值为2微米)，用SF6反应离子刻蚀(RIE)去除氮化硅。用HF缓冲液去除氧化硅；
7)用KOH溶液或者四甲基氢氧化铵(TMAH)溶液各向异性腐蚀硅形成倒梯形通孔结构；
8)将碳纤维整列排布在支撑框架上，采用导电胶将碳纤维同电极压焊块固接，形成红外光源芯片。
Claims (9)
1.一种基于碳纤维的红外光源，包括管座、管脚、抛物反光杯、光学窗口、红外光源芯片；管脚在管座上表面，抛物反光杯固接于管座上表面，抛物反光杯前端面固接有红外窗口，红外光源芯片固接在管座上表面并处于抛物反光杯的焦点位置；其特征在于：红外光源芯片包括支撑框架、碳纤维加热体及电极压焊块；支撑框架中心部有通孔或凹槽，支撑框架在一方向相对的两侧边框上表面固接有电极压焊块；多根碳纤维加热体相互平行设置，悬空排布在支撑框架通孔或凹槽上方，每根碳纤维加热体两端分别与侧边框上表面的电极压焊块固接；
红外光源芯片位于抛物反光杯的焦点位置；
通过压焊金属丝将电极压焊块与管脚电连接。
2.如权利要求1所述的基于碳纤维的红外光源，其特征在于，所述支撑框架为硅材料或陶瓷材料；电极压焊块为金属材料。
3.如权利要求1或2所述的基于碳纤维的红外光源，其特征在于：所述支撑框架中心部有一通孔，通孔为方形，或倒梯形；框架厚度为300μm，尺寸为3*3mm到5*5mm之间，内部方形通孔尺寸为2*2mm到4*4mm之间。
4.如权利要求1或2所述的基于碳纤维的红外光源，其特征在于：所述支撑框架中心部有一凹槽，凹槽尺寸为2*2mm到4*4mm之间。
5.如权利要求1所述的基于碳纤维的红外光源，其特征在于：所述相互平行设置的多根碳纤维加热体，是相互等间距平行排布在支撑框架通孔或凹槽上方。
6.如权利要求1或5所述的基于碳纤维的红外光源，其特征在于：所述多根碳纤维加热体，是以并联排布或串联排布的方式，与侧边框上表面的电极压焊块固接。
7.如权利要求1所述的基于碳纤维的红外光源，其特征在于：所述每根碳纤维加热体两端，是用导电胶同电极压焊块固接。
8.如权利要求1所述的基于碳纤维的红外光源，其特征在于：多个基于碳纤维的红外光源，可组成红外光源阵列。
9.一种如权利要求1所述的红外光源的制备方法，其特征在于：包括下列步骤：
1)清洗硅片；
2)热氧化形成氧化硅；
3)沉积氮化硅；
4)第一次光刻，淀积金属薄膜形成电极压焊块；
5)第二次光刻，刻蚀氮化硅、腐蚀氧化硅形成腐蚀窗口；
6)利用硅各向异性腐蚀技术，背面腐蚀硅形成支撑框架结构；
7)在支撑框架上表面制备整列的碳纤维加热体，用导电胶将碳纤维加热体两端分别同电极压焊块固接，形成红外光源芯片；
8)红外光源芯片用高温胶贴片于金属管座上，通过压焊金属丝将电极压焊块与管脚相连；
9)将8)步的成品，于真空或充氮气氛中封装在带有氟化钙光学窗口、抛物反光杯的金属管座上。
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