CN110891332A - 光激发式微型热红外线放射装置 - Google Patents
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Abstract
一种光激发式微型热红外线放射装置，包含基板、发光元件及热红外线放射单元。发光元件设置于基板并包括出光侧。热红外线放射单元设置于基板的对应发光元件处，并包括薄膜结构。薄膜结构具有紧邻发光元件的出光侧的光吸收膜层，光吸收膜层吸收发光元件发出的光线而有效率地升温放射热红外线。
Description
技术领域
本发明涉及一种热红外线放射装置，特别是指一种借由发光二极管等发光元件来驱动热红外线放射的光激发式微型热红外线放射装置。
背景技术
通电加热式的芯片型红外线发射装置是借由通入电能，让其内部用于放射红外线的结构升温发热，借以产生红外线的放射，目前已广泛运用于非色散型红外线(non-dispersive infrared，NDIR)的气体传感器。例如，美国专利公告第7989821号专利、公开第20120267532号专利申请案、公告第8575578号专利，都属于上述通电加热式的芯片型红外线发射装置。
美国专利公告第7989821号专利提出一种红外线放射源(infrared source)，所述红外线放射源的磊晶薄膜(EPI membrane)上具有借由掺杂硼或磷的多晶硅制成以用于放射红外线的放射部(emitter part)，以及借由掺杂的多晶硅制成并连接放射部以提供放射部升温所需电能的导电层(electrical conductive layer)，所述导电层接收外部提供的电能后能致使放射部升温，使得放射部产生红外线放射。
美国专利公开第20120267532号专利申请案提出一种红外线放射器(IR sensor)，所述红外线放射器是以相容CMOS制程的方式，在硅基材上的氧化层(buried oxidelayer)、介电层(dielectric layer)及钝化层(passivation layer)中整合钨电阻加热器(tungsten resistive heater)，由钨电阻加热器通入电能后让结构升温，而产生红外线放射。
美国专利公告第8575578号专利提出一种芯片级红外线放射器封装结构(chip-scale infrared emitter package)，所述红外线放射器封装结构是在基座(base)上的薄膜层(membrane)设置金属材质的电阻器(electric resistor)，由所述电阻器通入电能让薄膜层升温，以产生红外线放射。
然而，上述通电加热式的红外线放射装置，其施加电能后需要花费较多时间才能让用于放射红外线的结构升温至预定温度，因此温度响应速度慢，无法在通电后迅速产生红外线放射，而且也相当耗费电源。此外，美国专利公开第20120267532号专利申请案及公告第8575578号专利均采用金属材质的导电结构来传递电能至非金属材质的红外线放射结构，由于红外线放射装置通常是在摄氏数百度的状态下运作，相互层叠接触的导电结构及红外线放射结构容易因为彼此的热膨胀系数差异过大而产生热应力，使红外线放射装置在长时间的高温运作状态下容易因热应力而产生结构损伤，影响整体运作效能及使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够解决前述问题的光激发式微型热红外线放射装置。
本发明光激发式微型热红外线放射装置在一些实施态样中，包含基板、发光元件及热红外线放射单元。所述发光元件设置于所述基板，并包括远离所述基板的出光侧。所述热红外线放射单元设置于所述基板的对应所述发光元件处，并包括薄膜结构。所述薄膜结构具有紧邻所述发光元件的出光侧的光吸收膜层，所述光吸收膜层吸收所述发光元件发出的光线以升温放射热红外线。
在一些实施态样中，所述热红外线放射单元还包括设置于所述基板且形成容纳所述发光元件的空腔的基座结构。所述薄膜结构设置于所述基座结构且覆盖所述空腔及所述发光元件，并包括将所述光吸收膜层夹设于内的第一膜层及第二膜层。
在一些实施态样中，所述光吸收膜层的材质选自多晶硅、碳化硅及氮化镓的其中一者。所述第一膜层及所述第二膜层的材质选自氮化硅、碳化硅、氮化镓、氧化锆及氧化镁的至少一者。
在一些实施态样中，所述第一膜层及所述第二膜层于邻近所述光吸收膜层的外缘贯穿形成至少一个用于阻隔热传导的镂空部。
在一些实施态样中，所述光吸收膜层的厚度不小于0.7微米。
在一些实施态样中，所述发光元件为发光二极管晶粒或激光二极管晶粒。
本发明的有益的效果在于：所述光激发式微型热红外线放射装置借由将所述光吸收膜层设置于紧邻所述发光元件的出光侧处，能让所述光吸收膜层吸收发光元件放射出的大多数光能，而能借由此种光激发机制有效率地让所述光吸收膜层产生热红外线放射。此外，根据所述光吸收膜层、所述第一膜层及所述第二膜层的材质选用，能让此三者具有相近的热膨胀系数，即便在高温状态下运作也不会因为热膨胀系数不匹配而产生过大的热应力，因而能确保所述光激发式微型热红外线放射装置的信赖性(Reliability)及使用寿命。另，根据所述光吸收膜层、所述第一膜层及所述第二膜层的厚度配置，能让入射所述薄膜结构的光线绝大部分由所述光吸收膜层所吸收，而增进能量转换效率。再者，所述发光元件采用发光二极管晶粒或激光二极管晶粒等半导体发光元件，不仅体积极小且能在极短时间内完成开启或关闭的状态切换，而且所述薄膜结构及所述光吸收膜层的面积、体积极小，因此所述光吸收膜层无论是吸收光能时的温度上升或减少、停止光能供应后的温度下降，都能在数毫秒内完成相应的温度响应，因此所述光激发式微型热红外线放射装置不仅能实现为一微型化的装置，而且能在极短时间内完成启动、关闭，或是以高频方式切换热红外线的放射状态，有利于满足各种使用需求。
附图说明
图1是一侧视示意图，说明本发明光激发式微型热红外线放射装置的一实施例；
图2是一俯视图，说明所述光激发式微型热红外线放射装置的一热红外线放射单元的实施态样；
图3是一曲线图，说明不同温度下光子能量与吸收系数的对应关系；
图4是一热显像图，说明所述光激发式微型热红外线放射装置于运作状态下的表面温度分布；
图5是一方波信号图，说明所述光激发式微型热红外线放射装置于启动及关闭时的响应状态；
图6是一温度对输入功率的曲线图，说明所述光激发式微型热红外线放射装置与一传统通电加热式芯片型红外线放射装置的运作状态比较；及
图7是一红外线放射功率对温度的曲线图及对应的数据表，说明所述光激发式微型热红外线放射装置于红外线放射的全波长光谱波段及特定波长光谱波段的相对关系。
具体实施方式
参阅图1与图2，为本发明光激发式微型热红外线放射装置1的一实施例，所述光激发式微型热红外线放射装置1包含一基板2、一发光元件3及一热红外线放射单元4。
所述基板2为装载所述发光元件3及所述热红外线放射单元4的基材，例如可使用陶瓷电路板、印刷电路板(PCB)等电路板结构，借以与外部控制装置(图中未绘制)或其他协同运作装置(图中未绘制)连接使用，并能作为所述发光元件3与外部装置电性连接的导接媒介。
所述发光元件3装设于所述基板2上，并与所述基板2电连接，且包括一远离所述基板2的出光侧31。本实施例中，所述发光元件3例如是采用发光二极管晶粒(LED die)或激光二极管晶粒(laser diode die)等半导体发光元件的晶粒作为让所述热红外线放射单元4升温的光激发源，因此所述发光元件3具有体积小、发光效率高、使用寿命佳、开关响应速度快等特点。在一些实施态样中，所述发光元件3例如可以采用边长800～1000微米、厚度不大于200微米、主发光波长为0.44微米的覆晶式蓝光发光二极管晶粒(flip-chip blue LEDdie)，采用覆晶式晶粒可省略打线程序(wire bonding)直接将发光元件3借由焊料接合(solder bonding)方式固定且电连接于所述基板2，且蓝光发光二极管是目前技术相对成熟的半导体发光元件，具有稳定的性能表现且成本较低，有助于所述光激发式微型热红外线放射装置1的量产商品化。然而根据不同需要，所述发光元件3也可以使用覆晶式蓝光发光二极管晶粒以外的发光元件，不以上述实施方式为限。
所述热红外线放射单元4设置于所述基板2的对应所述发光元件3处，并包括一基座结构41及一薄膜结构42。
所述基座结构41设置于所述基板2上且围绕所述发光元件3，并于中央位置贯穿形成一能容纳所述发光元件3的空腔411。所述基座结构41是让所述薄膜结构42能设置于间隔所述发光元件3的出光侧31处的支撑连结结构，同时也能对所述发光元件3提供保护作用。在一实施态样中，所述基座结构41例如是由一厚度300微米的硅晶圆，由连接所述基板2的一侧经由非等向性湿式蚀刻(anisotropic wet etching)方式形成所述空腔411，采用非等向性湿式蚀刻在硅晶圆上制作所述空腔411具有速度快、成本低廉并能与现有半导体制程技术兼容的优点，而且根据硅晶圆的非等向性湿式蚀刻特性，所述空腔411的内壁会如图1般以向上渐缩的斜面状呈现。然而，根据不同需要，所述空腔411也可以采用例如干式蚀刻(dry etching)等方式制作成而呈现为垂直的内壁，且所述基座结构41也不限于要以硅晶圆加工形成，因此所述基座结构41的实施方式不以前述揭露内容为限。
所述薄膜结构42设置于所述基座结构41上且覆盖所述空腔411及所述发光元件3，并紧邻所述发光元件3，具体包括一第一膜层421、一第二膜层422及一光吸收膜层423。所述第一膜层421及所述第二膜层422例如可采用氮化硅、碳化硅、氮化镓、氧化锆或氧化镁的其中一者或多者制作，两者重叠地设置于所述基座结构41上，可作为所述光吸收膜层423的保护结构，并于所述基座结构41的蚀刻过程中作为蚀刻屏蔽(etching mask)。所述第一膜层421及所述第二膜层422于邻近所述光吸收膜层423的外缘贯穿形成多个用于阻隔热传导的镂空部424，并于所述镂空部424之间的结构形成多个连结部425，所述连结部425以及所述连结部425以内的所述第一膜层421、所述第二膜层422、所述光吸收膜层423则形成位于所述空腔411及所述发光元件3上的悬空结构。所述光吸收膜层423紧邻所述发光元件3且被夹设于所述第一膜层421及所述第二膜层422之间，可借由多晶硅、碳化硅或氮化镓等材质的其中一者制作，于吸收所述发光元件3发出的光线后能升温产生热红外线放射。
在一实施态样中，所述第一膜层421及所述第二膜层422的材质为氮化硅并以低压化学气相沉积技术(low-pressure chemical vapor deposition，LPCVD)制作，两者的厚度分别为0.16微米，或者也可以将两者的厚度分别配置为所述发光元件3的发光主波长的四分之一。以光学薄膜来说，薄膜厚度为入射光线的波长的四分之一时，会具有最佳的穿透率，因此如将第一膜层421及所述第二膜层422的厚度分别配置为所述发光元件3的主发光波长的四分之一，可让所述发光元件3发出的光线以最高程度穿透所述第一膜层421而被所述光吸收膜层423吸收，而有效节省能耗。相应于所述第一膜层421及所述第二膜层422的实施态样，所述光吸收膜层423的材质则选用多晶硅并以低压化学气相沉积法，由于硅与氮化硅的热膨胀系数非常接近，因此在高温运作状态下所述第一膜层421、所述第二膜层422及所述光吸收膜层423之间不易因热膨胀系数不匹配的因素产生过大的热应力，而能让所述薄膜结构42不会因为高温运作而容易损坏。此外，由于所述第一膜层421、所述第二膜层422及所述光吸收膜层423是以氮化硅与多晶硅制作，此等材质的熔点非常高，例如硅的熔点是摄氏1414度，氮化硅的熔点是摄氏1900度，因此以此等材质制作所述薄膜结构42，能确保所述薄膜结构42适用于高温状态的运作。另，在较佳实施态样中，所述光吸收膜层423的较佳厚度为不小于0.7微米，此厚度范围可确保入射所述光吸收膜层423的光线能最大程度地被吸收，但所述光吸收膜层423的厚度不以此为限。
参阅图1及图3，其中图3为不同温度下光子能量(photon energy)与吸收系数(absorption coefficient)的关系曲线，用于说明前一段落中对于所述光吸收膜层423的较佳厚度范围不小于0.7微米的实施理由，其中，点链线(短线-长线交错的线段)是温度77K的曲线，实线是温度300K的曲线，虚线是温度676K的曲线。首先，延续前述说明以所述发光元件3的主波长为0.44微米的蓝光为例，计算所述光吸收膜层423于676K温度下的吸收系数。根据以下关系式：
其中，E为光子能量，h为普朗克常数，c为光速，λ为波长。对波长0.44微米的光子而言，其光子能量(E)为
(单位为电子伏特，也就是eV)。对应图3中温度676K的曲线上的P点可知，于所述光子能量(2.8eV)下相应的吸收系数约为6×104(cm-1)。复根据以下的比尔-朗伯定律(Beer-Lambert law)：
I(x)＝I0×e-αx
其中，x为入射光穿透膜层的厚度，I0为入射光的初始光强度，I(x)为入射光穿透膜层厚度x后的光强度，α为吸收系数。前述说明中本实施例是将所述光吸收膜层423的较佳厚度配置为不小于0.7微米，如以0.7微米作为所述光吸收膜层423厚度，以吸收系数α为6×104来计算，则在676K的温度下波长0.44微米的光线穿透0.7微米厚的所述光吸收膜层423之后，光强度I(0.7)约为0.015I0，也就是说在676K(摄氏403度)的温度下，所述发光元件3发出的主波长0.44微米的蓝光入射厚度0.7微米的所述光吸收膜层423后，大约有98.5％会被所述光吸收膜层423吸收，若所述光吸收膜层423的厚度增加则吸收比例会相应的提升，因此可知本实施例根据所述发光元件3的主发光波长及所述光吸收膜层423的材质与厚度选用，能最大程度地让所述光吸收膜层423吸收入射的光线，而实现最佳的能量转换效率。此外，从图3的三条曲线可知，对于相同的光子能量(即相同波长的入射光线)而言，温度越高则结构的吸收系数也会对应增加，因此所述光吸收膜层423在高于676K的温度下运作时，会吸收更高比例的入射光线，如此能以更佳的能量转换效率在被所述发光元件3发出的光线激发后放射热红外线。然而，要说明的是，根据实际需要，所述发光元件3的发光主波长、所述光吸收膜层423的厚度配置及材质选用均可对应调整，不以前述揭露内容为限。
参阅图1及图4，其中，图4为所述光激发式微型热红外线放射装置1的俯视角度的热影像图。根据图4右方的温度分布比例尺(scale bar)可知，该图所测得的温度分布于摄氏32.8至299度之间。图4中标示A的矩形区域，大致是所述光吸收膜层423的所在区域，最高温度为摄氏325度，而所述光吸收膜层423以外的区域则相对低温，由此可知对所述光吸收膜层423确实能在吸收所述发光元件3发出的大部分光线后升温以放射出热红外线。
参阅图1及图5，其中，图5中位于下方的曲线为外部电路供应所述发光元件3的方波电源讯号曲线(下称曲线A)，上方则为以红外线光强度传感器(TE-cooled detector)同步侦测所述光激发式微型热红外线放射装置1的热红外线放射状态的方波信号曲线(下称曲线B)。所述曲线A代表外部电路是以0.6安培的电流供应所述发光元件3一持续时间为50毫秒的方波电源。所述曲线B则呈现一个上升时间(rise time)为8毫秒、持续时间约50毫秒、下降时间(fall time)为3毫秒的方波信号。从所述曲线B可知，由曲线A的电源提供所述发光元件3电力后，所述光激发式微型热红外线放射装置1能在极短时间内立即产生热红外线放射，且在稳定的电源供应下能持续放射具有稳定光强度表现的热红外线，而在不供应电源后所述光激发式微型热红外线放射装置1的热红外线放射也会在极短时间内消失，如此便能证明所述光激发式微型热红外线放射装置1以极小面积实施所述光吸收膜层423，能让所述光吸收膜层423在吸收光能后的温度上升或是减少(停止)光能供应后的温度下降都能在极短时间内产生相应的响应，并具备产生稳定强度热红外线输出的性能表现。
参阅图1及图6，为一温度(单位为K)对输入功率(单位为W)的曲线比较图，其中带有三角形图标的曲线表示出所述光激发式微型热红外线放射装置1的所述光吸收膜层423在不同输入功率下的运作温度，带有方形图标的曲线则表示一传统通电加热式芯片型红外线放射装置在不同输入功率下的运作温度。从图6可知，在相同的输入功率状态下(也就是提供相同功率的电源)，所述光激发式微型热红外线放射装置1的所述光吸收膜层423的运作温度与该传统通电加热式芯片型红外线放射装置的温度只有微幅的差距，但所述光激发式微型热红外线放射装置1如前述具有较佳的温度响应速度。
参阅图1及图7，为一红外线放射功率(单位为mW)对温度(单位为K)的曲线图及数据表，其中带有黑色圆形图标的曲线P0(total)代表所述光激发式微型热红外线放射装置1的所述光吸收膜层423在不同温度下的全波段光谱(entire wavelength spectrum)的红外线放射功率，而带有白色圆形图标的曲线P0(3 to 5μm)则代表所述光吸收膜层423在不同温度下波长介于3至5微米的红外线放射功率，该3至5微米的红外线放射被广泛运用于气体感测等特定用途。此外，在该数据表中的撷取率(extraction ratio)定义为P0(3 to 5μm)相对于P0(total)的比例。从图7可知，所述光激发式微型热红外线放射装置1的撷取率在所述光吸收膜层423处于598K至1298L的温度范围内并非是一固定值，如此适用于不同的应用状态。
综合前述说明，本发明光激发式微型热红外线放射装置1借由将所述光吸收膜层423设置于紧邻所述发光元件3的出光侧31处，能让所述光吸收膜层423吸收发光元件3所发出的大多数光能，而能高效地借由光激发机制让所述光吸收膜层423产生热红外线放射。此外，根据所述薄膜结构42的材质选用及厚度设计，能让所述光吸收膜层423吸收绝大部分的入射光而增进能源转换效率，并适合在高温状态下运作，且所述光吸收膜层423及所述第一膜层421、所述第二膜层422之间因热膨胀系数的匹配，不易产生过大的热应力，能有效提升使用寿命及可靠度。另，由于所述发光元件3采用发光二极管晶粒或激光二极管晶粒等半导体发光元件，不仅体积小且能在极短时间内完成开启或关闭的状态切换，而且所述薄膜结构42及所述光吸收膜层423的面积、体积极小，无论是吸收光能时的温度上升或减少光能供应后的温度下降，都能在数毫秒内完成响应，因此所述光激发式微型热红外线放射装置1不仅能以实现化为一微型化装置，而且能在极短时间内完成启动、关闭，或是让热红外线以高频方式切换放射状态，有利于满足各种使用需求。因此，本发明光激发式微型热红外线放射装置1确实能达到本发明的目的。
Claims (6)
1.一种光激发式微型热红外线放射装置，其特征在于，所述光激发式微型热红外线放射装置包含：
基板；
发光元件，设置于所述基板，并包括远离所述基板的出光侧；及
热红外线放射单元，设置于所述基板的对应所述发光元件处，并包括薄膜结构，所述薄膜结构具有紧邻所述发光元件的出光侧的光吸收膜层，所述光吸收膜层吸收所述发光元件发出的光线以升温放射热红外线。
2.根据权利要求1所述的光激发式微型热红外线放射装置，其特征在于：所述热红外线放射单元还包括设置于所述基板且形成容纳所述发光元件的空腔的基座结构，所述薄膜结构设置于所述基座结构且覆盖所述空腔及所述发光元件，并包括将所述光吸收膜层夹设于内的第一膜层及第二膜层。
3.根据权利要求2所述的光激发式微型热红外线放射装置，其特征在于：所述光吸收膜层的材质选自多晶硅、碳化硅及氮化镓的其中一者，所述第一膜层及所述第二膜层的材质选自氮化硅、碳化硅、氮化镓、氧化锆及氧化镁的至少一者。
4.根据权利要求2所述的光激发式微型热红外线放射装置，其特征在于：所述第一膜层及所述第二膜层于邻近所述光吸收膜层的外缘贯穿形成至少一个用于阻隔热传导的镂空部。
5.根据权利要求1所述的光激发式微型热红外线放射装置，其特征在于：所述光吸收膜层的厚度不小于0.7微米。
6.根据权利要求1所述的光激发式微型热红外线放射装置，其特征在于：所述发光元件为发光二极管晶粒或激光二极管晶粒。
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