CN108012357B - 具有分层结构的红外发射器 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及具有分层结构的红外发射器。分层红外发射器结构仅包括半透明金属层(优选为一个半透明金属层(15))以及在半透明金属层(15)的两侧的一个或多个介电层(11、12、13、14、16、17)。此外，电加热布线(20)被布置在任何介电层(11)中或任何介电层(11)之间，以将半透明金属层(15)加热到所需的红外发射温度，优选为从400℃到1000℃的范围内的温度。
Description
技术领域
本发明涉及具有分层结构的光学红外发射器。
背景技术
当必须测量气体或流体的成分时，广泛地使用光谱仪。在工业、科学、医学、药学、农业和生物学领域中的广泛应用中都需要这种测量。红外发射器在高准确度化学传感器的开发中发挥重要的作用，并且用作光学气体传感器系统中的主要红外发射元件。常规上，IR(红外)发射器采用电流加热的导线、丝线或导电陶瓷元件的形式。红外发射依赖于加热表面的温度和面积。对用于便携式测量设备和系统集成传感器的小尺寸光谱仪的需求已导致对微光谱仪越来越感兴趣。一些商业解决方案基于例如钨或铂的简单的薄膜发射器。但是，钨或铂的发射率低。
光学上，黑色表面可以用作吸收器或者发射器。在热敏探测器中需要吸收器，而在热红外源中需要发射器。前者不需要与后者一样承受高温。
可以通过在金属之上添加适当定制的薄膜层结构来增强简单金属表面的发射率。为了能够将光学结构用作发射器，该结构必须承受发射器使用中所需的温度。通常，在发射器应用中，使用超过100℃的温度，在这种温度下，结构应当优选为甚至在长时间段内保持不变。操作温度还可能更高，例如至少200℃、至少300℃、或者甚至高于650℃。最通常使用的发射器温度是在100-1000℃的范围内，例如在200-650℃的范围内，诸如在250-400℃的范围内。因此，结构应当承受应用的设计温度，并且在选定的操作温度范围内在很长的时间段内保持稳定。同时，结构应当允许良好的光学匹配。稳定性意味着在结构的操作寿命期间，在结构的操作条件下，结构的发射率在期望的波长范围内基本上保持不变。
因此，适用于发射器的分层结构的制造是非常苛刻的，因为部件的有效发射器使用需要高温。为此，大多数已知的吸收器结构实际上不适用于发射器使用。
由Liddiard K.C.给出的吸收器结构(Infrared Physics，1993，第34卷，第4期，第379页)不能用作红外发射器，因为它将不能忍受发射器使用中要求的温度。在Liddiard的解决方案中，薄的半透明金属层和介电层位于不透明金属层之上。薄的金属层与介电层一起形成抗反射的层结构，使得来自表面的反射在期望的波长范围内非常低。因此，在低反射和零透射率的情况下，可以获得高吸收效率。
US6177673公开了基于掺杂硅和非透明金属层的使用的红外吸收器。这种结构在发射器使用中不是光学上稳定的。光学不稳定的主要原因是掺杂剂的依赖于温度的激活水平(固体溶解度)。
US2015241612公开了基于与Liddiard的吸收器操作原理相同的红外发射器结构。薄金属层和底层介电层用作非透明反射金属层之上的抗反射层。通过用一个或多个屏蔽层保护薄的有损金属层来实现光学稳定性。
文章“Thin film absorbers for visible,near-infrared,and short-wavelength infrared spectra”(Eurosensors XXIII会议记录，Procedia Chemistry第1卷，第1期，2009年9月，第393-396页)公开了结构与US2015241612中给出的发射器结构基本上相同的吸收器结构。
市场上没有具有高发射效率的稳定光源。现有的商业解决方案是昂贵的，并且或者低效且功耗大，或者不作为分立的发光设备销售。
需要低成本、低功耗、稳定的红外源，尤其用于光谱和NDIR气体、液体和固体物质测量应用。
发明内容
本发明的一个方面是具有降低的热质量和导热性的分层红外发射器结构。
本发明的另一个方面是具有降低的制造成本的分层红外发射器结构。
本发明的一个方面是如在独立权利要求1中所述的红外发射器设备。本发明的优选实施例在从属权利要求中公开。
本发明的一个方面是分层红外发射器设备，其包括具有堆叠在两个或更多个介电层之间的至少一个金属层的分层结构，以及布置在任意介电层中或任意介电层之间以将至少一个金属层加热到所需的红外发射温度(优选为从400℃至1000℃范围内的温度)的电加热装置，其中分层结构中的每个金属层是半透明金属层。
在一个实施例中，分层结构仅包括一个金属层，并且其中该仅一个金属层是半透明金属层。
在一个实施例中，分层结构包括半透明金属层的堆叠。
在一个实施例中，半透明金属层的厚度选自2nm至50nm的范围，优选地，选自3nm至20nm的范围，更优选地，选自5nm至15nm的范围。
在一个实施例中，半透明金属层由热稳定金属制成，该金属优选地选自难熔金属或贵金属，更优选地，选自诸如钼、钨、钛、钽、钯、铂或铌的组。
在一个实施例中，介电层中的至少一个适于将至少一个半透明金属层与分层结构的发射外表面进行光学匹配，并且其中至少一个光学匹配的介电层优选地由多晶硅材料或具有高折射率的其它介电材料制成。
在一个实施例中，至少一个光学匹配的介电层位于至少一个半透明金属层和分层结构的发射外表面之间。
在一个实施例中，至少一个光学匹配的介电层的厚度比至少一个半透明金属层的厚度大几倍。
在一个实施例中，至少一个光学匹配的介电层和/或至少一个半透明金属层被图案化、部分图案化或非图案化。
在一个实施例中，介电层包括适于包围至少一个半透明层以防止与分层结构的其它层的化学反应以及与环境物质的化学反应的屏蔽层。
在一个实施例中，介电层包括适于防止分层结构的不同层之间的化学反应以及与环境物质的化学反应的屏蔽层，屏蔽层中的至少一层优选地由选自硝酸银、多晶体、和金属氧化物(诸如氧化铝)的组的材料制成。
在一个实施例中，分层结构从发射侧到相对侧依次包括：
至少一个屏蔽介电层，
具有高折射率的光学匹配的介电层，
至少一个屏蔽介电层，
半透明金属层，
至少一个屏蔽介电层，
并且其中电加热装置被布置在屏蔽介电层中或屏蔽介电层之间。
在一个实施例中，分层结构从发射侧到相对侧依次包括：
第一屏蔽介电层，
具有高折射率的光学匹配的介电层，
第二屏蔽介电层，
第三屏蔽介电层，
作为分层结构中的唯一金属层的半透明金属层，
第四屏蔽介电层，以及
第五屏蔽介电层，并且
电加热装置被布置在屏蔽介电层的任何一层中或任何层之间。
本发明的另一个方面是将根据任何实施例或实施例的组合的红外发射器设备用于光谱或NDIR气体、液体或固体物质测量的用途。
附图说明
在下文中，将参考附图通过示例性实施例更详细地描述本发明，其中
图1A示出了根据本发明的示例性实施例的分层红外发射器设备的截面侧视图；
图1B示出了图1A所示的设备的俯视图；
图2A示出了根据本发明的示例性实施例的分层红外发射器设备的截面侧视图；
图2B示出了图2A所示的设备的俯视图；
图3示出了作为波长的函数的仿真发射率的示例；
图4示出了半透明Nb层的厚度对作为波长的函数的仿真发射率的影响的示例。
具体实施方式
本发明的一个方面是在半透明金属层的两侧仅包括半透明金属层(优选地，一个半透明金属层)和一个或多个介电层的分层红外发射器结构。半透明金属吸收辐射能量的一部分，并且辐射能量的另一部分通过材料。此外，辐射能量的第三部分可能从半透明金属的表面反射。因此，半透明金属是有损材料。此外，电加热布线被布置在任何介电层中或任何介电层之间，以将一个或多个半透明金属层加热至所需的红外发射温度，优选地，加热至从400℃至1000℃范围的温度。可以将介电层的堆叠与半透明有损材料一起进行光学匹配以使发射最大化。发射率表示在相同温度下由表面辐射的能量相对于由黑体辐射的能量。如果介电层防止堆叠内部的层之间的化学反应或具有环境气体的层的化学反应，那么它们也可以被称为保护层或屏蔽层。
在常规的分层红外吸收器和发射器结构(诸如在US201524161中所公开的吸收器和发射器结构)中，在堆叠的底部处存在厚的非透明反射金属层。在根据本发明的分层结构中，避免了厚的非透明反射金属层。这导致较低的热质量和较快的操作。本发明的实施例的分层结构可以比常规结构做得更薄，这导致较低的热损失和导热率，因此低功耗是可能的。在本发明的实施例中也可以具有较少数量的图案化层，并且制造工艺可以更简单且制造成本更低。可以利用标准的微电子工艺和材料进行加工，这在产量大的情况下允许低的制造成本。薄的分层结构可以具有高达90％的发射率。
由于保护层或屏蔽层，因此不一定需要附加的封装或包装。
在实施例中，分层结构可以包括单个光学半透明的薄金属层。
可以根据热需要来选择层的材料。为了能够使用光学结构作为发射器，结构必须承受发射器使用中所需的温度。通常，在发射器应用中，使用高于400℃的温度，在这种温度下，结构应当优选地在长时间段内保持不变。操作温度还可能更高，甚至超过700℃。通常使用的发射器温度可以是在400–1000℃的范围内。同时，结构应当维持良好的光学匹配。稳定性意味着在结构的操作寿命期间，在结构的操作条件下，结构的发射率在期望的波长范围内基本上保持不变。
有损半透明金属层通常可以由具有高熔点的金属制造，使得设备将承受发射器使用。为了维持结构的光学性质，金属层应当在操作温度下保持不变。在这方面，术语操作温度是指设备的活动区域的温度。此外，还应当指出，设备的操作温度可以大幅度偏离环境温度，尤其是在发射器使用中。
非常适于制造半透明层的金属包括例如钼和钨。在一些实施例中也可以使用其它材料，例如钛、钽、铂、铌或其化合物。
在实施例中，发射表面与半透明金属层的光学匹配可以使用高折射率的介电材料层或具有高折射率的至少一个介电层的材料层的堆叠来实现。一个或多个光学匹配的介电层位于半透明金属层和分层结构的发射外表面之间。因此，分层结构与其环境光学匹配，使得发射率在期望的波长范围内达到期望的水平。通常，这一波长辐射范围位于红外辐射的范围内。期望的水平可以例如相当低或接近于单位值(1)，即，接近于100％的效率。峰的发射率可以被设计为例如在0.3-1的范围内。在大多数实施例和应用中，发射率随着时间的变化保持稳定也是重要的。
适用于光学匹配一个或多个层的材料包括例如硅、二氧化硅、氮化硅、氧化铝或其组合。
结构的参数与实际应用的匹配可以通过实验寻求合适的材料及其光学厚度来进行，使得实现期望的发射率。对于匹配，也可以使用计算方法和市售的计算机程序，借助于来计算要与选定材料一起使用的层厚度的值。此后，可以制造部件，测量部件的性质，并且如果需要，可以迭代地改进最终结果。可以在计算中利用光波阻抗理论。薄膜的光学性质的计算在例如O.O.Havens的书“Optical Properties of Thin Solid Films”(DoverPublications公司，纽约，1954年)中描述。本领域技术人员可以根据本专利公开中给出的原理并通过使用上述参考文献(O.S.Heavens)中给出的理论来计算合适的膜厚度的值。
在实施例中，介电层可以包括适于包围半透明金属层以防止与分层结构的其它层的化学反应以及与环境物质的化学反应的屏蔽层。屏蔽层由能够承受在发射器使用中所需的温度并且能够在这些温度下保护一个或多个半透明金属层免于过度氧化、过度混合或一些其它对应的相对快速影响破坏性机制的屏蔽材料制成。更具体而言，屏蔽材料可以包括在操作温度范围内不与半透明金属层起反应的化学钝性(passive)材料。此外，屏蔽层的材料是可以在期望的波长范围内相对较好地透光的材料。换言之，选择在期望的波长范围内光学上无损或稍微有损的材料作为该材料。这样，可以改进结构的发射率的稳定性。
用于屏蔽材料的一种非常好的材料是氮化硅。氮化硅作为钝化层能很好地工作，即，水或氧气不能扩散通过层。因此，即使在高温下，氮化硅也能防止最内层的氧化。在没有屏蔽层的情况下，尤其是薄金属膜和金属导体容易被氧化而损坏。半透明层的金属原子也不会扩散通过氮化硅。此外，存在用于沉积氮化硅的工业上适用的方法。借助于氮化硅层，可以实现甚至超过1000℃的操作温度。当然，屏蔽层也可以由满足对应的要求或者应用所需要的其它要求的一些其它材料制造。如果分层结构的操作温度被设计得较低，那么可用材料的范围变宽。至少在分层结构的一些实施例中可以考虑的其它材料包括例如氧化铝、氮化铝、氧化硅和氮氧化硅。
在实施例中，一个或多个半透明金属层的厚度可以从2nm至50nm的范围选择，优选地，从3nm至20nm的范围选择，更优选地，从5nm至15nm的范围选择。
在实施例中，分层结构的发射区域可以被图案化、部分图案化或非图案化。例如，可以通过图案化的光学匹配的介电层和/或图案化的半透明金属层来获得图案化的发射区域。如果分层结构的区域保持非图案化，那么它更有效地用于红外发射。另一方面，在发射区域被图案化或部分图案化的情况下，可以实现发射区域的准确几何形状。准确的几何形状允许在非色散红外(NDIR)应用中使用成像光学器件。
电加热结构(诸如加热电阻器或布线)可以被布置在屏蔽介电层的任何一层中或任何层之间。借助于屏蔽材料，可以保护结构内部的加热丝。在实施例中，可以针对分层结构的发射区域中的均匀温度分布而对电加热器结构进行优化。
在图1A的截面侧视图中和在图1B的俯视图中示意性地图示了根据本发明的示例性实施例的分层红外发射器设备。示例性分层红外发射器结构可以制造在硅衬底24之上。分层结构也可以制造在一些其它类型的衬底上，或者没有单独的衬底24。衬底24可以具有中央开口25。然后，衬底24可以在分层结构下方形成支撑框架。衬底材料24可以例如在中央开口25的位置处被蚀刻掉。
示例性分层红外发射器结构可以在衬底24之上包含自支撑介电屏蔽层17。在屏蔽层17之上，可以提供第二介电屏蔽层16、半透明金属层15和第三介电屏蔽层14。在第三介电屏蔽层14之上，可以存在第四介电屏蔽层13和具有高折射率的光学匹配的介电层12。在光学匹配的介电层12之上，可以存在第五屏蔽层11，其顶表面可以形成发射器设备的发射表面10。
在最上面的屏蔽层11中，可以存在嵌入的加热电阻器布线20。可以在布线20的端部处提供从顶表面延伸到加热电阻器布线20的接触端子21和22，用于供给电加热电流。可替代地，加热电阻器20可以嵌入到一些其它介电层(诸如介电屏蔽层)中。在图1B所示的示例中，加热电阻器20的布局是均匀的，但是，可替代地，加热电阻器的布局或图案可以被定制成在分层结构的发射区域中提供均匀的温度分布。例如，电阻器布线20的宽度和/或间距可以随着沿着发射区域的位置变化而变化。
来自发射表面10的红外发射的方向由宽箭头示出。在所示示例中，分层结构和发射表面被定制用于前面操作。可替代地，例如，分层结构和发射表面可以被定制用于通过衬底24中的中央开口25进行红外发射的背面操作。对于背面操作，图1A的示例结构中所示的层可以以相反的顺序布置在衬底24之上。
图1A和1B的实施例中所示的示例性分层结构中的不同层的材料和厚度可以如上所述选择。合适的材料和厚度的示例在表1中给出。
表1
在图1A和1B所示的示例中，分层红外发射器结构的发射区域是未图案化的。
在图2A的截面侧视图中和在图2B的俯视图中示意性地图示了根据本发明的另一个示例性实施例的分层红外发射器设备。在图2A和2B所示的示例中，分层红外发射器结构的发射区域被图案化，意味着分层结构的整个区域的几何限定部分被用作发射区域。
示例性分层红外发射器结构可以在硅衬底24之上制造。分层结构也可以在一些其它类型的衬底上制造，或者没有单独的衬底24。衬底24可以具有中央开口25。然后，衬底24可以在分层结构下方形成支撑框架。衬底材料8可以例如在中央开口25的位置处被蚀刻掉。
示例性分层红外发射器结构可以在衬底24之上包含自支撑介电屏蔽层17。在屏蔽层17之上，可以提供第二介电屏蔽层16和半透明金属层15。半透明金属层15可以被图案化，使得其延伸超过介电屏蔽层16和分层结构的整个区域的几何限定部分。
在图案化的半透明金属层15和第二介电屏蔽层16之上，可以存在堆叠的第三介电屏蔽层13和第四介电屏蔽层13。在屏蔽层13之上，可以存在具有高折射系数的光学匹配的介电层12。光学匹配的介电层12可以被图案化，使得其延伸超过介电屏蔽层13和分层结构的整个区域的几何限定部分。由此，屏蔽层13的剩余部分可以被留下暴露以形成分层结构的外表面。最后，光学匹配的介电层可以被第五介电屏蔽层11覆盖和包围，第五介电屏蔽层11的顶表面可以形成发射器设备的发射表面10。
在最底部的屏蔽层17中，可以嵌入加热电阻器布线20。可以在布线20的端部处提供从屏蔽层13的顶表面通过屏蔽层13和16延伸到屏蔽层17中的加热电阻器布线20的接触端子21和22，用于供给电加热电流。可替代地，加热电阻器20可以嵌入到一些其它介电层中。在图2B所示的示例中，加热电阻器20的布局是均匀的，但是，可替代地，它也可以被定制为提供均匀的温度分布。
在所示示例中，分层结构和发射表面被定制用于前面操作。可替代地，例如，分层结构和发射表面可以被定制用于通过衬底24中的中央开口25进行红外发射的背面操作。对于背面操作，图2A的示例结构中所示的层可以以相反的顺序布置在衬底24之上。
图2A和2B的实施例中所示的示例性分层结构中的不同层的材料和厚度可以如上所述选择。合适的材料和厚度的示例在表2中给出。
表2
图3示出了具有表1或2中给出的示例性参数的分层红外发射器结构的作为波长的函数的仿真发射率的示例。
图4示出了半透明Nb层的厚度对分层红外发射器结构的作为波长的函数的仿真发射率的影响的示例。其它参数值与图3中的相同。
分层红外发射器设备尤其适用于光谱和NDIR气体、液体和固体物质测量应用。
本发明及其实施例不限于上述示例，而是可以在权利要求的范围内变化。
Claims (17)
1.一种分层红外发射器设备，所述设备包括分层结构以及电加热装置，所述分层结构具有堆叠在多个介电层之间的至少一个金属层，所述电加热装置布置在任何介电层中或任何介电层之间以将所述至少一个金属层加热到所需的红外发射温度，其中所述分层结构中的每个金属层是半透明金属层，其中所述介电层中的至少一个介电层适于将至少一个半透明金属层与所述分层结构的发射外表面进行光学匹配，其中至少一个光学匹配的介电层布置在所述至少一个半透明金属层与发射外表面之间，并且其中至少一个光学匹配的介电层由多晶硅材料或具有高折射率的其它介电材料制成，并且其中所述多个介电层还包括适于防止所述分层结构的不同层之间以及与环境物质的化学反应的屏蔽介电层，并且其中所述屏蔽介电层中的至少一个屏蔽介电层布置在所述至少一个光学匹配的介电层与发射外表面之间，并且所述屏蔽介电层中的至少一个屏蔽介电层布置在所述至少一个光学匹配的介电层与所述半透明金属层之间。
2.如权利要求1所述的分层红外发射器设备，其中所述所需的红外发射温度在从400℃至1000℃范围内。
3.如权利要求1所述的分层红外发射器设备，其中所述至少一个金属层仅包括一个金属层。
4.如权利要求1所述的分层红外发射器设备，其中所述分层结构包括半透明金属层的堆叠。
5.如权利要求1-4中任一项所述的红外发射器设备，其中所述半透明金属层的厚度选自2nm至50nm的范围。
6.如权利要求1-4中任一项所述的红外发射器设备，其中所述半透明金属层的厚度选自3nm至20nm的范围。
7.如权利要求1-4中任一项所述的红外发射器设备，其中所述半透明金属层的厚度选自5nm至15nm的范围。
8.如权利要求1-4中任一项所述的红外发射器设备，其中所述半透明金属层由热稳定金属制成，所述金属选自难熔金属。
9.如权利要求8所述的红外发射器设备，其中所述金属选自钼、钨、钛、钽、钯、铂或铌的组。
10.如权利要求1所述的红外发射器设备，其中所述至少一个光学匹配的介电层的厚度比所述至少一个半透明金属层的厚度大。
11.如权利要求1-4中的任一项所述的红外发射器设备，其中所述至少一个光学匹配的介电层和/或所述至少一个半透明金属层被图案化或部分图案化。
12.如权利要求1-4中的任一项所述的红外发射器设备，其中所述屏蔽介电层适于包围至少一个半透明层以防止与所述分层结构的其它层的化学反应以及与环境物质的化学反应。
13.如权利要求1-4中的任一项所述的红外发射器设备，其中所述屏蔽介电层中的至少一个屏蔽介电层由选自硝酸铝、多晶体和金属氧化物的组的材料制成。
14.如权利要求13所述的红外发射器设备，其中所述金属氧化物包括氧化铝。
15.如权利要求1-4中的任一项所述的红外发射器设备，其中所述分层结构从发射侧到相对侧依次包括：
至少一个屏蔽介电层，
具有高折射率的光学匹配的介电层，
至少一个屏蔽介电层，
半透明金属层，
至少一个屏蔽介电层，
并且其中所述电加热装置被布置在所述屏蔽介电层中或所述屏蔽介电层之间。
16.如权利要求1-4中的任一项所述的红外发射器设备，其中所述分层结构从发射侧到相对侧依次包括：
第一屏蔽介电层，
具有高折射率的光学匹配的介电层，
第二屏蔽介电层，
第三屏蔽介电层，
作为所述分层结构中的唯一金属层的半透明金属层，
第四屏蔽介电层，以及
第五屏蔽介电层，并且
所述电加热装置被布置在所述屏蔽介电层的任何层中或所述屏蔽介电层的任何层之间。
17.一种将如权利要求1-11中任一项所述的红外发射器设备用于光谱或NDIR气体、液体或固体物质测量的用途。
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