CN113196871A - 高温红外辐射器元件和方法 - Google Patents

Abstract

一种红外辐射器元件(1)，适合用作气体传感器/红外光谱仪或电子显微镜中的微型红外发射器(微型热板)。该微型热板包括由多个支撑臂(4)支撑的板(2)。板和臂被制造为包括单个连续的导电耐火陶瓷片，如碳化铪(HfC)或碳化铪钽(TaHfC)的MEMS装置。每个臂(4)除了为板(2)提供结构悬臂支撑之外，还用作板(2)的加热元件。通过在臂(4)上施加电压来加热板(2)。臂(4)也可被成形为吸收在臂和板的加热和冷却期间出现的热机械应力。例如，可将面积小于0.05mm²且厚度为板(2)最大尺寸的1％至10％之间的板加热至4,000K或更高，然后再用冷却器冷却，工作周期仅为0.5ms，因此允许在高达2kHz的频率下进行脉冲操作。它的小尺寸(10‑200μm)和低功耗(如10‑100mW)使微型热板适用于低温应用，小型设备或电池供电的设备(如移动电话)中。

Description

高温红外辐射器元件和方法

技术领域

本发明涉及微机电系统(MEMS)热板领域，例如可以用作气体传感器或红外光谱仪中的红外(IR)发射器。本发明特别但非排他地涉及用于IR发射器的辐射器元件，其能够在超过2000K或超过3000K的温度下发射宽带红外辐射，例如以1kHz或甚至2kHz或更高的频率脉冲的宽带红外辐射。

背景技术

MEMS微型热板在近红外或中红外光谱范围内用作红外发射器，用于诸如红外光谱，气体感应照明，化学平台的热板或透射电子显微镜(TEM)或扫描电子显微镜(SEM)中的热板插入物等多种应用。当前已知的设备能够以高达大约100Hz的脉冲速率工作。需要提高这种设备的工作频率和/或降低其功耗，但又不损害IR发射特性。

现有技术

公开的专利申请EP2848914A1和WO2013183203A1描述了其中在绝缘体上形成电阻层的发射极器件。电阻层中会产生热量，并且金属连接器会为板提供电能量，但不会产生明显的热能。在每种情况下，器件的制造都相对复杂，并且发射极的发射特性受到电阻层特性(包括其薄层电阻，发射率和熔点)的多个相互矛盾的约束的限制。

美国专利US6297511描述了一种MEMS IR发射器，其中，辐射器元件是形成为两个绝缘层之间的电阻性导电层的三明治的悬浮膜。

Kook-Nyung Lee等人在Journal of Micromechanics and Microengineering,vol.19(2009)115011(8pp)上的文章“使用悬浮硅结构的高温MEMS加热器”描述了一种MEMS热板，其中，悬浮的硅束被用作电阻加热器的铂轨迹覆盖。该文中描述的设备能够在高达1300K的温度下以100Hz的脉冲频率工作。美国专利US7968848描述了一种具有悬挂式硅辐射器元件的类似加热器。

L.Mele等人在Elsevier出版的Sensors and Actuators A 188(2012)ppl73-180中题为“用于高温操作的钼MEMS微热板”的文章中，提出了钼作为加热器灯丝材料，溅射到氮化硅绝缘体层。尽管钼具有较高的熔点(2,966K)，但该器件的工作温度受到所用其他材料(例如硅和氮化硅)的限制，它们分别在高达1,600K和2,000K的温度下降解。从理论上讲，可用的红外热辐射器可以在大约1300K以上的温度下工作，但出于实际实施的原因，它们的额定温度低于此温度(例如，最高1000K)。该工作温度上限限制了对于给定的功耗可以产生的红外辐射的强度和带宽。

还已知通过在硅板上涂覆金属(例如银)然后通过利用板的电阻支撑弹簧中产生的热量来加热板以蒸发金属来提供金属原子源。Han Han等人在《纳米尺度》(Nanoscale)，2015，7，10735中发表的文章“用于纳米加工的可编程固态原子源”中描述了这种技术。MEMS蒸发器包括一个由两个多晶硅弹簧支撑的多晶硅板，该两个多晶硅弹簧起电阻作用电流通过加热元件时。金属沉积在多晶硅板上，通过薄的Al2O3涂层可以防止与金属的共晶相互作用。加热的板提供了例如用于纳米光刻的金属原子源。沉积的金属还用于将来自两个弹簧的热量分布到整个板上。在该文件中没有建议使金属涂覆的板适合用作微型热板IR发射器。

现有的能产生3,000K IR的宏观卤素源是可用的，但是它们是大型的，高功率的，笨重的设备。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的至少一些缺点。特别地，与现有技术的辐射器相比，需要一种辐射器设备，该辐射器设备对于给定的辐射功率可以在较小的面积中制造，该辐射器具有较小的热容量和/或可以在更高的频率下工作。为此，在所附权利要求1中描述了根据本发明的辐射器装置，在权利要求14中描述了根据本发明的产生红外辐射的方法，在权利要求16中描述了根据本发明的制造方法。在从属权利要求中描述了本发明的变型。

如Stefan-Boltzmann定律关于总IR功率和普朗克定律关于光谱密度所描述的那样，通过使用允许显著提高工作温度上限的材料，可以极大地提高发射辐射的强度。因此，对于给定的辐射功率，可以大大减小辐射器板的面积，可以减少功耗和/或可以增加最大加热/冷却频率。发射器的温度定义了峰值光谱波长。在这种情况下，例如在1000K处的峰值可能在IR中约为3微米。如果将板加热到4000K，则该峰位于电磁波谱的可见部分。有可能使辐射元件的温度超过传统卤素灯所能达到的温度，但是使用了MEMS尺寸因数和可扩展的制造方法。

以下参考附图详细描述本发明，其中：

图1和图2分别以等角投影图和平面图示出了根据本发明的基本辐射器板的第一简化示意图。

图3以等轴测投影图示出了在根据本发明的辐射器装置的第一示例安装布置中，形成在基板的凹入的凹进区域上的图1和图2的辐射器。

图4和5示出了凹进衬底的第一和第二变体沿图3的轴A-A的示意性截面图。

图6以示意性平面图示出了图1和2的辐射器板的第二示例安装布置。

图7以示意性平面图示出了根据本发明的辐射器板的第三示例安装布置。

图8以示意性平面图示出了根据本发明的辐射器的变型的示例，其中加热器/支撑臂是渐缩的。

图9以示意性平面图示出了根据本发明的辐射器装置的另一变型的示例，其中，加热器/支撑臂形成为具有第一示例构造的弹性元件，用于吸收辐射器板或臂的热机械膨胀、收缩或其他运动。

图10以示意性平面图示出了根据本发明的辐射器装置的另一变型的示例，其中加热器/支撑臂形成为具有第二示例构造的弹性元件，用于吸收辐射器板的热机械膨胀、收缩或其他运动。

图11以示意性平面图示出了根据本发明的辐射器装置的另一变型的示例，其中，加热器/支撑臂形成为具有第三示例构造的弹性元件，用于吸收辐射器板的热机械膨胀、收缩或其他运动。

图12和图13分别以等角投影图和平面图示出了根据本发明的辐射器装置的另一变型。

图14以示意性平面图示出了根据本发明的辐射器的另一变型的示例，其中，加热器/支撑臂形成为具有另一示例构造的弹性元件，用于吸收辐射器板的热机械膨胀、收缩或其他运动。

图15示出了根据本发明的辐射器的另一变型的示例，其中多个支撑臂连接到公共支架。该图还示出了如何通过PWM信号，电压源或电流源来驱动本发明的辐射器装置。

图16示出了用于图15中所示的辐射器的变体的等效电阻电路的示例。连接器3例如处于设定电势或接地电势或接近于这些电势。八个臂4中的每一个由电阻R4表示，该电阻通常比R2所示的板2的电阻大得多，优选大于10x，甚至更优选大于100x。

图17示出了针对图15中所示的示例变型例示出的热流的示例。在所有8个臂4中，优选地相等地将电能转换成热能。这些热流到板2上。一些热以辐射(例如红外辐射)的形式离开板。辐射装置在臂4上的最热点，由虚线表示，标记为Tmax。

图18示出了根据本发明的多个辐射器装置的阵列配置的示例。

图19a示出了在不同温度下，根据本发明的辐射器装置上的温度分布的曲线图。虚线表示元件的边界，包括连接垫3，臂4和板2。

图19b示出了在不同温度下，在根据本发明的辐射器装置上所发射的辐射的强度分布的曲线图。虚线表示元件的边界，包括连接垫3，臂4和板2。

图19c示出了垫3，臂4和板3之间的温度梯度的曲线图。虚线表示元件的边界，包括连接垫3，臂4和板2。

图20显示了不同温度下光谱辐射率(Rspec。)与发射波长的关系图。

图21示出了根据本发明的示例性辐射器装置的位移和温度相对于时间的曲线图。

图22至图25示出了结合有根据本发明的辐射器的微热板IR发射器构造的变型。

图26a至26g示出了用于制造包括根据本发明的辐射器的IR发射器的示例性制造过程。

图26h示出了本发明的制造晶片的变型，其中在图26g所示的IR发射器上制造了施加装置。

图27示出了结合有根据本发明的辐射板的法布里-珀罗红外光谱仪应用设备的第一示例。

图28示出了结合有根据本发明的辐射器的法布里-珀罗红外光谱仪应用设备的第二示例。

应当注意，提供附图仅是为了帮助理解本发明的原理，而不应视为限制所寻求的保护范围。在不同附图中使用相同的附图标记的情况下，这些附图标记旨在指示相似或等同的特征。但是，不应假定使用不同的附图标记表示了它们所引用的特征之间的任何特定差异程度。

具体实施方式

本文中使用的术语“导电耐火材料”是指电阻率小于1欧姆·厘米，导热率在10W/mK至2200W/mK范围内并且可以(至少在短时间(例如10毫秒)里)加热到非常高的温度(例如，温度超过1600K，或优选超过2,000K，或更优选超过2500K，或再更优选超过3,000K)而不会退化或改变任何重大程度的无机材料。耐火材料的杨氏模量可以在100-1000GPa的范围内，并且抗弯强度可以超过100MPa。除非另有说明，所有材料性能值均在室温下获取。合适的材料可以包括碳的同素异形体，例如石墨，金刚石(掺杂)，石墨烯，富勒烯，碳纳米管(CNT)和富勒烯或CNT沉积物(单晶或富勒烯金属复合物)，或导电耐火陶瓷，例如碳化铪，碳化钽，碳化钽铪，碳化钨，碳化钛，碳化铌，硼化铪，氮化铪或氮化钽铪，或上述化合物的任何成分组合，例如Hfo.gaC.，其可以根据需要任选地被掺杂，以提供如下所述的用于加热的电性能。

在本文中，术语“微热板”是指提供非常小、非常热的表面和/或非常小、非常强的红外辐射源(IR发射器)的小型化组件。术语“辐射器”，“辐射器装置”和“辐射器元件”指的是很小的板状或其他结构，其被置入诸如IR发射器之类的微热板装置中并被加热以产生所需的强红外光。辐射板的面积可以小于例如0.1mm²，或者小于0.05mm²。

已经相对于其在宽带红外辐射的产生中的应用描述了本发明。然而，本发明的辐射器装置可以用于发射可见光谱的光，这是红外的补充或替代。将本发明的原理应用于产生可见光可以被认为是不同的发明。

图1和图2示出了适合用作IR发射器的辐射器元件的辐射器1的第一示例。除非另有说明，否则关于该示例描述的原理和特征也适用于以下描述的其他示例，并且通常也适用于本发明的其他变形。辐射器1包括如上所述的由导电耐火材料制成的结构2(在该示例中为正方形，矩形或平行四边形板)。如将要描述的，辐射体的材料可以部分(焊盘3)生长或沉积在基板上，部分(板2和臂4)生长或沉积在牺牲材料上，该牺牲材料随后使用例如已知的半导体制造技术将其去除。碳化铪已经过测试和/或模拟，并已经发现其具有合适的热机械性能(例如，足够的热和电导率，热和化学稳定性以及足够的弹性)，可用于制造辐射器元件1。

为了在上述高温范围内工作，辐射器1可以有利地容纳在真空中或稀有惰性气体中。板2的尺寸可以在2至500μm之间(在该示例中，正方形/矩形/平行四边形的一侧的长度)，并且可以具有例如在正方形的侧边的长度(或者如果不为正方形，则为平板最长尺寸)的0.1％至10％之间的厚度。尽管将其图示为具有均匀厚度的连续平面材料片，但是结构2也可以形成为具有非平面(例如凹形)形状和/或具有不同的拓扑结构，例如网格或梯形或蛇形构造，或者具有穿孔或表面特征或纹理。例如，可以添加这样的表面特征或纹理以改善从表面的发射率。在图1至图3中示出了正方形板，但是实际上该板可以是任何方便的形状。例如，它可以是圆形，三角形，正方形或多边形。如图所示，板2和臂4可以是共面的，或者它们可以是非共面的。臂4可以形成为使得板2从焊盘3的平面纵向地偏移，使得当焊盘与基板8接触时，板升高到基板8的高度的上方。臂被显示为具有很小的偏差。这对于吸收加热和冷却过程中的热机械位移可能是必要的。然而，该图示仅是为了易于理解本发明。实际上，如下文将要讨论的，可能需要臂4的其他形状和布置以便提供足够的运动吸收。

板2由多个臂4(例如在所示示例中为四个)支撑，该多个臂4也称为支撑元件或弹簧或加热器或加热器弹簧，它们在板2和连接垫3之间延伸。关于图3，连接垫3被设计成提供到基板的机械连接，使得板仅由臂4和垫3相对于基板支撑。连接垫3提供到臂4的电连接，并且因此，板2、垫3和臂4优选地由单块连续的材料制成。该材料可以具有均匀的体电阻率，或者可以具有在散热器1的不同部分中不同的体电阻率。例如，可以对臂4的材料进行掺杂或以其他方式进行处理，以使臂具有较低的体电阻率。臂材料的体电阻率例如可以优选地在10^-5至0.1Ohm cm的范围内。在图1所示的示例中，每个臂4具有长度5，宽度6和厚度7，以及比板2的横截面小得多的横截面。宽度6和厚度7可以有利地是为了改善稳定性，目前的长宽比(厚度：宽度)在1:10和1：1之间。例如，臂长可以在5至200μm之间，或者优选在10至150μm之间，或者更优选在15至80μm之间。厚度可以例如在0.1至5μm之间，或更优选地在1至3μm之间。例如，臂的最窄部分的宽度可以小至0.1μm或多至20μm或更大。在单层材料(例如石墨烯)的情况下，板2和臂4的厚度只能与单层(如果堆叠了多层，则为单层的堆叠)一样厚。

在臂4的两个外端之间施加电压(例如，通过电连接到连接的焊盘3)导致臂4中的欧姆加热产生热量。臂4与散热器板2热连接。可以悬挂在真空中的板2充当在臂4中产生的热量的吸收器。在较高温度(例如3000K至4000K)下，从板辐射的在臂4中产生的热量的比例2随着IR的增加。

图3示出了如何将图1和2的散热器1安装或制造在基板8上，使得在其下方具有凹入的凹部9。例如，可以使用已知的半导体制造技术来形成这种结构。如下面将要讨论的，凹入凹槽9可以形成有如图4所示的光滑的弯曲(例如，抛物线形)表面，或者具有不同的形状，例如图5所示的成角度的壁。将来自板2的IR辐射直接向外(远离基板8)引导，从而增强了微热板组件的净辐射功率。这可以通过反射表面或涂层15来实现。

图1至5所示的示例具有四个加热器臂/弹簧。但是，弹簧(臂4)的数量可以在2到16或更多的范围内。该数目可以优选地是偶数，因为这使得更容易平衡输入和输出电流并因此实现更均匀的热分布。如上所述，在臂中产生的热量被传导到板2。实验和仿真表明，该示例中的板可以在0.2到0.5毫秒内达到热稳态，这意味着可以将温度调制为2kHz到5kHz。如果将板2做得更小，则可能的工作频率为50kHz，甚至100kHz。该板的总功耗可能会低至每块板10mW或最高1W，例如，这取决于散热器的配置和板的大小。

机械共振约为1MHz，这意味着该器件对所有典型的外部振动和冲击不敏感。该值可以更高或更低，具体取决于设备的几何形状及其制成的所选材料。机械模式可以高于1kHz，或者优选地大于10kHz，或者更优选地大于100kHz，从而使得该结构能够承受例如在设备掉落时由于冲击而引起的冲击。

图6示出了用于将辐射器1安装到基板8上的替代布置。在这种情况下，基板8可以被涂覆或抛光有反射表面或层15，并且焊盘3被形成或安装在间隔物23上，该间隔物23起着作用。臂4由波浪线象征性地表示，以将板2保持远离基板8。但是这些符号通常旨在对应于可以使用的加热器/弹簧臂的任何变型。间隔物23可以由与用于将器件材料与衬底8分离的牺牲层相同的材料制成，或者替代地，它们可以由优选具有高导热率的单独的绝缘或导电材料制成。

图7示出了另一变型，其中，代替图6的间隔件23，垫3被成形为提供与基板8和反射表面/层15的期望的垂直偏移。

图8示出了散热器1的一种变型，其中臂4的电阻在靠近板2处增加。这可以通过使臂4的横截面积逐渐变细(例如，如图所示使宽度6逐渐变细)来实现，和/或通过对臂4的材料进行可变掺杂，以增加臂4的材料朝向板2的位置的体电阻率。电阻的局部增大意味着板附近的欧姆加热的局部增大，从而使所产生的更多热量流入板中。电阻的这种变细可以用于本发明的散热器的任何变型中。

图9至图11示出了散热器元件1的不同变型，其中，臂4构造成吸收板2和/或臂4在加热和冷却时的机械变形。诸如HfC之类的难熔陶瓷的热膨胀系数可以在1-10x10^-6/K的范围内，并且最好通过对加热器/支撑弹簧4进行整形，从而提供一种热机械运动的余量。弹性缓冲，防止膨胀和收缩运动。在3500K的温度变化下，平板2可能会膨胀或收缩大约1-3％(在整个平板上)。图9示出了具有较大的(例如，跨度为100pm)八角形板2的变体，而图10示出了具有较小的(例如，跨度为10至30pm)八角形板2的变体。在两个八角形板示例中，每个连接垫3均通过两个臂4连接到板2。在小板示例中(图10)，板2的热机械变形最小，并且整个板的温度基本均匀。

图11示出了另一变型，其中每个垫3通过两个臂4连接到板2。提供六个垫3和六个双臂4，并且板2具有大致圆形的形状。在板2上切出一些小孔，在这种情况下为圆形，但也可以使用其他形状，例如正方形或矩形，具体取决于所使用的制造工艺，当低于移除板以创建独立式结构。这样的孔在所提供的任何示例中都是有利的，并且不限于图11中描绘的实施方式。

在图9、10和11的示例中，每个连接垫3连接到多个臂4。相反，图12和13示出了一种变型，其中每个臂4连接到一个连接垫3。例如，该示例的直径可在10μm至200μm之间。在这种情况下，臂4和板2布置成使得热机械位移导致板2的旋转运动。

为了在臂4中以最小的应力来实现该目的，使臂的形状和取向沿着与板2的外围的旋转平行的外围路径进行。臂4可以可选地包括阶梯状或偏置的部分，如为了使臂重叠，从而允许将较长的臂安装在板2周围的较小外围区域中，该示例变型的臂4通过可形成的变窄的径向部分连接至板。例如，通过在板2的周边的径向部分的两侧上形成凹口。当在垫3上施加电压时，变窄的径向部分用作板2的主要加热源。

图14和图15示出了散热器元件的简化示意性示例，其原理上与图12和图13的变体相似，其中板2基本上是圆形的，并且切向弹簧/臂在板2和安装垫3之间延伸。在图14的示例中，每个连接垫3通过四个弹簧4连接到板2。通常，提供偶数个臂/弹簧是有利的，因为这使得更容易制造具有平衡电的散热器。输入和输出连接。使用大量较短的臂会导致板中的热量分布更加均匀，响应时间更快，但同时也会导致更大的功耗。较大的板通常需要更多的弹簧才能有效地对其进行加热。较长的弹簧可提供更好的机械应力释放，但响应时间较慢。如果设备受到冲击，更长、更薄的弹簧也更容易断裂。图14和15的圆形板和切向弹簧在板2加热和冷却时导致板2的很小的旋转运动。图12、13、14和15中显示的设备示例的这种旋转与以前的设备示例相反，在先前的设备示例中，板仅经历径向膨胀，并且几乎没有观察到旋转。

由臂4减轻了由热膨胀产生的机械应力。优选应补偿板2和臂4的热膨胀，以确保机械完整性并保持机械，电和热连续性。在图9、10和11的示例中，热膨胀导致臂4随着其伸长而弯曲，并且板2径向地膨胀。在图12、13、14和15中给出的例子中，板2由于板2的径向膨胀和臂4的线性膨胀而旋转。臂4也将弯曲。在图1的示例中，热应力将导致高于给定温度的屈曲。臂4可以具有附加结构，例如但不限于凹口，锥形和蛇形结构，以调节和控制机械变形以及导电性和导热性。

图15还示出了连接到脉冲宽度调制信号10的辐射器1，以及电流源或偏置电压源。当以PWM模式驱动时，可以改变PWM占空比以改变从辐射器发射的IR的温度和光谱特性。在此示例中，驱动信号通过PWM信号定义。PWM频率应优选高于上述设备的热响应时间，优选高10倍或更多倍。作为PWM控制的补充或替代，可以用直流或交流电压偏置驱动该设备，该偏置电压通常为1V量级，但可以低至1mV或高至100V，具体取决于散热器1的几何形状和材料。电压偏置将使材料的电阻率相对于温度升高而稳定运行。或者，也可以在直流或交流模式下通过电流偏置来驱动辐射器。该电流偏置通常将在最高10mA的范围内变化，但可能会更高或更低，具体取决于散热器1的几何形状或所使用的材料。对于臂4电阻随温度升高而降低的设备，电流偏置散热器1将是稳定的选择。

可以将其他电极添加到例如图15所示的辐射器中，以允许在两个焊盘3之间测量电压。这可以实时监视设备的电阻。在臂4以及板2中，电阻随温度变化。添加额外的电极(如图15所示)可以记录电压和电流。由此可以确定电阻，并通过适当的校准将电阻转换为红外光谱和强度。这样的反馈可以用于改善所发射的IR辐射的稳定性。

图16示出了图15所示的变体的等效电路图的示例。在该变体中，有多个臂4(示出了八个)连接到板2。一个或多个臂4的第一子集。(在此示例中，第一子集中的四个臂)(在此示例中并联)电连接到左侧的第一连接垫3，并且，第二个子臂(在此示例中，第二子集中的四个臂)类似地连接并联连接到右侧的第二连接垫3。当第一焊盘3被设置为电势V或接近电势V，并且第二焊盘3被设置为不同的电势例如接地电势或接近地电势时，这导致电流I流动。从第一焊盘3开始，通过并联臂的第一子集4，通过板2，并且通过并联臂4的第二子集，到具有较低电势的第二焊盘3。

如果所有臂4在电气上都是相同的，则如基尔霍夫定律所述，每个臂4中的电流为1/4。因此，在每个臂4中耗散的电力也相等并且具有R₄I²/16的值，其中R₄是每个臂4的电阻。优选地，板2的电阻R₂显着低于电阻每个并联连接的子集的电阻，并且比每个单独的臂4的电阻R₄低得多。这确保了大部分电能在臂4中耗散，从而使得流经串联连接的电流产生的大部分热量垫臂-板-臂-垫的布置在臂中产生，而在板中产生较少。当被视为垫臂-板臂-垫-垫的串联电路时，每个臂子集的电阻优选地为至少10倍，或更优选地为至少50倍或什至至少为100倍。大于或大于板的电阻。为了使板2和基板8或反射表面15之间的静电相互作用最小化，可以设置在任一垫上的施加电势，使得板电势2与基板8或反射表面15处于相同电势。一个焊盘处于电势V/2，而相对的焊盘处于-V/2，则板2的电势为0，这也优选地是基板8和反射表面15的电势。

在图17中，示意性地示出了图15所示的示例变型的产生的功率和热流。在臂4中电能P_el转换成热能，使臂4成为辐射发射器的最热点。优选地，每个臂4上的最热点靠近板2，如图17中的T_max所示。这意味着与板2的热阻相比，通向垫3的热路径中的热阻高。在臂4中产生的热量中，少量的热量作为热能P_Bth流入焊盘3，焊盘3优选处于接近基板温度的温度，该温度可以接近环境温度，例如例子。环境温度可以是室温，通常为300K，但如果发射器在低温恒温器或加热的环境中运行，则温度也可以更低或更高。在臂中产生的一些，优选地大部分，且最优选地基本上全部热功率P_Pith在板2上产生，在这里该热功率将板2加热到所需的温度。板2上的热能作为电磁辐射P_IR-radiation辐射，例如作为具有一些可见光辐射的红外辐射而辐射出。

由于发射的热功率辐射与T⁴成正比，而从板2和臂4到焊盘3的热传导与T成正比，所以发射器在更高的温度下变得更有效率。

图18显示了一个IR发射器，该IR发射器包括多个(在此示例中为16个)辐射器元件1组成的阵列，这些辐射器元件相连，以便每个辐射器元件都可以由单独的PWM信号驱动。这样的阵列可以用于例如产生具有特定光谱轮廓的红外辐射。有效地更大的表面积增加了所产生的IR辐射。通过选择打开的辐射器1的数量，可以在不改变光谱的情况下调节强度。单个电源可以使用晶体管来驱动阵列中的所有辐射器，这些晶体管可以在阵列的每个元件(辐射器1)上设置PWM或电压或电流信号。图19a示出了对于不同的施加电压(例如，沿着图3中的轴线A-A)，板的温度如何在散热器板两端变化的示例。x轴显示了从该轴上的中心点开始测量的距离。y轴表示在沿轴的相应位置处测量的板2和臂4的温度。曲线的部分被标记以指示对应的部分(垫3，臂4或板2)。在此示例中，板的直径或横向尺寸约为70μm，臂长约为15μm。在所示的三个温度曲线的每一个中，连接垫3的温度在环境温度(例如，290-300K)下基本恒定，而臂4中的温度梯度陡峭，并且在整个臂上的温度曲线大致平坦在施加1.5V电压的情况下(在此示例中)，板2的中央区域比加热/支撑臂内端附近的周边区域冷却，在此处，热量从臂2传递到加热/支撑臂。盘子发生了。这是由于在较高的温度(例如约4,000K)下比在较低的温度下发射的辐射明显更大(因此具有更大的光功率并因此对板2具有更大的冷却)的结果。例如，在4000K下的光功率密度在0.85发射率下可相当于大约12MWm²。在4000K处，在3微米波长处的光谱辐射率比在1000K处大大约两个数量级，并且峰值光谱辐射率大约大三个数量级。

图19a中所示的曲线对应于普朗克定律预测的曲线。另一方面，图19b显示了同一散热器设备上的辐射强度分布实际上如何随温度变化。将施加的电压从0.5V提高到1.5V(从而将温度从大约1600K提高到超过4,000K，会使发射强度增加两个数量级以上。

图19c示出了例如在图19a和19b中使用的那样的温度的温度梯度如何在散热器装置上在整个散热器装置上变化的示例。在该示例中，温度梯度在臂4的外部区域中邻近垫3的点处具有最大值。这部分是因为垫3的温度远低于臂4的温度，并且部分是由于此时臂的横截面积较小(因此电阻较高)。这两个因素的总和意味着在这一点上存在最大的温度梯度，但最小的热能流。在臂4的另一端，朝向板2，温度梯度是最小的，因为板2处于或接近期望的发射温度。在这种状态下，温度梯度最小，流出臂并进入板的热能流率最大，并且从板2辐射的热能被来自加热臂4的热流入所补充。在本说明书中其他地方提到的，用于升高板的温度的大部分或基本上全部热量是由臂4中的电阻加热产生的，而板2的与之相比较低的电阻(与臂相比)产生的热量很少或没有产生热量。

图20显示了在不同板温度下光谱辐射率(y轴，任意单位)如何随波长(x轴)变化。

图21示出了在散热器1的板2的加热周期期间温度(左侧垂直轴)和热机械位移(右侧垂直轴)如何随时间变化的示例，如果从时间t＝0开始施加电压偏置作为阶跃函数。从曲线可以看出，在该示例中，热循环可以在约0.3ms内达到稳定。在冷却阶段可以看到相似的速率(未显示)。

图22示出了IR发射器的示例，该IR发射器包括制造的辐射器元件，该辐射器元件的辐射板2处于真空包装中，并且具有IR透明窗口14，该窗口也用作真空室的封闭物。定向反射器表面15被布置成用于将由板2产生的IR朝着窗户14反射。在本发明的所有变型中，反射器表面或层15(如果有的话)可以形成在辐射板2下方的凹口9中和/或在散热板上方结构的侧壁上。窗口14可以由例如蓝宝石，锗，硅或金刚石制成。窗口14的材料可以根据其特定的IR过滤特性来选择。衬底8可以由硅制成，例如，优选地由具有高导热率的材料制成。间隔层11和13通常是电绝缘的并且可以由例如优选具有高导热率的氧化硅、氮化硅和/或其他电介质或绝缘体制成。添加到11和13的界面的适当的电绝缘阻挡层允许11和13的材料由诸如半导体和诸如硅之类的导体的材料制成。可以通过各向异性蚀刻、灰度光刻或以其他方式去除111和100平面之间的硅以形成与基板8的平面成125.26°的表面来形成反射壁。IR发射器的内部优选地抽成10^-3Torr或最好是10^-6或更高的真空。

窗口14除了密封真空室之外还可以可选地执行其他功能，例如光学过滤或透镜化。窗口材料可以部分地限定从装置发射的IR光谱，并且可以将附加涂层添加到表面以改变反射率和透射率特性。图23示出了一个示例，其中窗口14已经被设置图案、模制或以其他方式处理以在其外表面上提供菲涅耳透镜，以改变发射器IR的聚焦特性。窗口14可以替代地或另外地被配置有用作IR的特定光谱分量的通过或阻挡滤波器。窗口可以被图案化或掺杂，或在其上沉积材料以形成用于波长选择和/或光路控制的特异材料表面。

图24示出了一种布置，其中腔室壁具有抛物线形或椭圆形的轮廓，并且其中壁上涂覆有IR反射涂层18，例如金属层，以提高离开真空腔室的IR的比例。红外反射涂层18可以包括在所描述的任何变型中。在另一种变型中，图25示出了如何通过例如电容性或热机械致动器(未示出)使散热器板2可转向或可摆动。窗口可以可选地被成形和/或涂覆以提供期望的IR发射的光学效果。

图25所示的转向装置可以通过分割反射表面15来实现。增加额外的电导线以访问分割的金属反射器层15允许在反射器15和板2之间施加电势。由于板被弹簧(臂4)所悬挂，板2可以做自由翻转、倾斜或活塞运动。改变板方向所需的力由电容力施加(大约为

其中F是力，ε₀是自由空间的介电常数，A和d分别是段的面积和段电极与板之间的距离，V是分段反射器与板之间的电压)。分段数量的增加将影响板的翻转/倾斜/活塞能力，通常4个分段就足够了。通常可以达到10度的机械角度，这可以用于控制发出的光和/或微调设备与其他光学组件的对齐方式。

图26a至26g示出了可以如何在晶片衬底8上以晶片级制造辐射器以及IR发射器的其他部件的简化示例。在图26b中，蚀刻了空腔9并且反射(例如金属)涂层15被沉积。然后添加牺牲材料20，使其平坦化并图案化，在其上形成器件层21(高温陶瓷)并将其图案化为构成器件的焊盘3、臂4和板2。在图26e中，去除了牺牲材料，而使器件层21的每个散热板都悬在它们各自的反射腔9上方。然后，可以在高真空下使用由垫片23支撑并由粘合剂22粘合的手柄24添加窗14，形成密封的红外发射器，每个红外发射器都包括一个包围着高温辐射器元件的真空腔室27，如图26g所示。然后，顶层(在该示例中为窗14)可以用作进一步的晶圆级制造工艺的基础。可将施加装置25直接制造在IR发射器晶片上，或者可将它们分开制造，然后对准并结合至IR发射器晶片，以形成具有集成的IR发射器的施加装置，如图26h所示。例如，这在使红外干涉仪或类似应用设备小型化时很有用。然后可以将各个堆叠的组件(例如，气体传感器，化学传感器，IR干涉仪等)切成小块，并包装在各个表面安装技术封装或其他分立器件中。在这种小型化水平上，可生产出配有红外发射器的应用设备，其占地面积小至300x300μm，甚至更小。

图26a-26g描述了一种使用两晶片方法的示例方法，其中一个晶片保持辐射器元件和相关的电子引线，第二个晶片保持间隔件23，IR窗口和其他功能性表面(接合层22和吸收气体的吸气剂层)。将两个晶片在真空中粘合并密封，以生成单独的独立真空室。在一种替代的实现方式中，整个堆叠可以堆叠的方式制造。从图26e继续，可以添加另外的间隔物材料并对其进行图案化，随后沉积图案化的吸气剂材料，最后沉积例如可以由锗制成的IR窗14。

图27和28示出了具有集成的高温陶瓷散热器板的施加装置的两个变体的截面图。在所示的示例中，施加装置是包括法布里-珀罗干涉仪(FPI)25和IR发射器1的气体传感器，该IR发射器包括悬浮在真空室27中的凹形凹槽9上方的耐火陶瓷散热器板2，该真空室由IR透明材料气密密封窗口14，其支撑在间隔物23上。同样在真空下的腔9具有反射涂层或表面15，用于将由散热板2产生的IR引导至窗口14。触点30允许电连接至散热片的焊盘3，从而可以在加热器/支撑弹簧4上施加电压或电流，从而将板2加热到超过1600K，2,000K，2,500K或什至高达4,000K或更高的温度。散热板2、弹簧4和垫3可以由例如HfC或TaC或TaHfC或一些其他合适的耐火陶瓷材料制成。FPI设备25包括上部和下部部分反射器31和32，它们一起形成法布里-珀罗谐振腔并用作光学带通滤波器。

可以通过致动器29以已知的方式通过将上反射器32移近或远离下反射器来调整FPI。在图27所示的变形中，FPI的IR检测器位于FPI装置的上封闭件内表面的固定位置。相比之下，在图28的变形中，安装FPI IR检测器以便与FPI滤光器25的上反射元件32一起移动。在这种布置中，FPI IR反射镜安装在移动的反射镜上，或者为了与移动的反射器一起移动而安装，不限于与本发明的反射器设备一起使用，并且可以与其他类型的IR发射器一起使用。

在FPI的两个变形中，当它们被实现为气体/化学传感器时，要被检测/分析的气体在空腔区域33中，该空腔区域包括两个部分反射镜31和32之间的空间。

FPI 25可以直接制造在IR发射器1的窗口14上，也可以单独制造然后对准并结合到IR发射器1的窗口14上。

包括根据本发明的辐射器装置的IR发射器的其他可能的应用包括迈克尔逊莫利干涉仪(MMI)。在MMI中，光路与晶片在同一平面内，这允许更长的光路，这对于气体感测是有利的。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种用于红外发射器微热板的辐射器装置(1)，该辐射器装置(1)包括红外发射器元件(2)和连接到所述发射器元件(2)的多个支撑臂(4)，其中：

发射器元件(2)被臂(4)悬挂，且

发射器元件(2)可被臂(4)中的电阻加热加热到预定的IR发射温度。

2.根据权利要求1所述的辐射器装置，其特征在于，所述发射器元件(2)被构造成完全或主要通过从所述臂(4)倒发射器元件(2)的热传导而被所述臂(4)中的所述电阻加热所加热至所述预定的IR发射温度。

3.根据权利要求1或2所述的辐射器装置(1)，其中，所述IR发射温度大于1600K，或者优选地大于2000K，或者更优选地大于2500K，或者还更优选地大于3000K，或更优选大于3500K。

4.根据权利要求1至3中的一项所述的辐射器装置(1)，其中，所述发射器元件(2)和所述臂(4)形成为单块连续的材料。

5.根据权利要求4所述的辐射器装置(1)，其中，所述材料是导电耐火陶瓷。

6.根据权利要求5所述的辐射器装置(1)，其中，所述陶瓷包括碳、HfC、TaHfC或碳化钨。

7.根据前述权利要求中的一项所述的辐射器装置(1)，其中，所述臂(4)的数量是偶数，且其中所述偶数是至少4个，或者优选地至少6个，或更优选地至少8个。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的散热器装置(1)，其中，所述臂(4)可弹性变形以吸收所述发射器元件(2)和/或所述臂在加热和冷却期间的形状和/或尺寸的热机械变化。

9.根据前述权利要求中的一项所述的辐射器装置(1)，其中，每个所述臂(4)具有沿着其长度变化的横截面，使得其横截面面积在所述臂(4)与发射器元件(2)相邻的区域处最小。

10.包括根据前述权利要求中的任一项所述的辐射器装置(1)的IR发射器装置，其中，所述发射器元件(2)和所述臂(4)被封装在包括IR透明窗(21)的壳体中。

11.根据权利要求10所述的IR发射器装置，其中，所述壳体被抽空至10^-3Torr，或小于10^-4Torr，或优选地抽空至小于10^-5Torr，或更优选地小于10^-6Torr。

12.气体感测、压力感测、气体分析、IR光谱仪、SEM或TEM设备，其包括根据权利要求10和11中的一项所述的IR发射器设备或包括根据权利要求1至9中的一项所述的辐射器设备(1)的IR发射器设备。

13.包括根据权利要求12的气体感测、压力感测、气体分析、IR光谱仪、SEM或TEM设备的便携式通信设备。

14.产生宽带红外辐射的方法，其特征在于：

使用根据权利要求10和11中的一项所述的IR发射器装置或包括根据权利要求1至9中的一项所述的辐射器装置(1)的IR发射器装置，以及

在臂(4)上施加电压以将发射器元件(2)加热到大于1,600K、或者优选地大于2,000K、或更优选地大于2,500K、或者还更优选地大于3,000K、或者更优选大于3500K的温度。

15.根据权利要求14所述的方法，包括使所述电压具有大于200Hz、或者优选地大于700Hz、或者更优选地大于1000Hz的频率的脉冲。

16.一种制造IR发射器装置的方法，包括在单个晶片上制造多个根据权利要求1至9中的一项所述的辐射器装置(1)的第一制造过程。

17.根据权利要求16所述的方法，包括第二制造过程，该第二制造过程与每个辐射器装置(1)对准地制造施加装置的一个或多个部件，特别是气体感测、压力感测、气体分析、IR光谱仪、SEM或TEM装置，以制造包括所述各辐射器装置(1)的所述施加装置。

Claims (17)

1.一种用于红外发射器微热板的辐射器装置(1)，该辐射器(1)包括：

结构(2)，以下称为板，适于通过加热至预定温度来辐射红外辐射；

多个板支撑元件(4)，每个板支撑元件以机械方式连接以支撑板(2)，并且以欧姆方式形成至板(2)的电连接；

产生热量以加热板的装置(2)；

其特征在于：

支撑元件(4)和板(2)被构造成使得当电流通过支撑元件(4)到达板(2)时，所述热量通过电阻在支撑元件(4)中产生并通过热传导转移到板(2)中。

2.根据权利要求1所述的辐射器装置，其特征在于，所述发射器元件(2)被构造成完全或主要通过从所述臂(4)倒发射器元件(2)的热传导而被所述臂(4)中的所述电阻加热所加热至所述预定的IR发射温度。

3.根据权利要求1或2所述的辐射器装置(1)，其中，所述IR发射温度大于1600K，或者优选地大于2000K，或者更优选地大于2500K，或者还更优选地大于3000K，或更优选大于3500K。

4.根据权利要求1至3中的一项所述的辐射器装置(1)，其中，所述发射器元件(2)和所述臂(4)形成为单块连续的材料。

5.根据权利要求4所述的辐射器装置(1)，其中，所述材料是导电耐火陶瓷。

6.根据权利要求5所述的辐射器装置(1)，其中，所述陶瓷包括碳、HfC、TaHfC或碳化钨。

7.根据前述权利要求中的一项所述的辐射器装置(1)，其中，所述臂(4)的数量是偶数，且其中所述偶数是至少4个，或者优选地至少6个，或更优选地至少8个。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的散热器装置(1)，其中，所述臂(4)可弹性变形以吸收所述发射器元件(2)和/或所述臂在加热和冷却期间的形状和/或尺寸的热机械变化。

9.根据前述权利要求中的一项所述的辐射器装置(1)，其中，每个所述臂(4)具有沿着其长度变化的横截面，使得其横截面面积在所述臂(4)与发射器元件(2)相邻的区域处最小。

10.包括根据前述权利要求中的任一项所述的辐射器装置(1)的IR发射器装置，其中，所述发射器元件(2)和所述臂(4)被封装在包括IR透明窗(21)的壳体中。

11.根据权利要求10所述的IR发射器装置，其中，所述壳体被抽空至10^-3Torr，或小于10^-4Torr，或优选地抽空至小于10^-5Torr，或更优选地小于10^-6Torr。

12.气体感测、压力感测、气体分析、IR光谱仪、SEM或TEM设备，其包括根据权利要求10和11中的一项所述的IR发射器设备或包括根据权利要求1至9中的一项所述的辐射器设备(1)的IR发射器设备。

13.包括根据权利要求12的气体感测、压力感测、气体分析、IR光谱仪、SEM或TEM设备的便携式通信设备。

14.产生宽带红外辐射的方法，其特征在于：

使用根据权利要求10和11中的一项所述的IR发射器装置或包括根据权利要求1至9中的一项所述的辐射器装置(1)的IR发射器装置，以及

在臂(4)上施加电压以将发射器元件(2)加热到大于1,600K、或者优选地大于2,000K、或更优选地大于2,500K、或者还更优选地大于3,000K、或者更优选大于3500K的温度。

15.根据权利要求14所述的方法，包括使所述电压具有大于200Hz、或者优选地大于700Hz、或者更优选地大于1000Hz的频率的脉冲。

16.一种制造IR发射器装置的方法，包括在单个晶片上制造多个根据权利要求1至9中的一项所述的辐射器装置(1)的第一制造过程。

17.根据权利要求16所述的方法，包括第二制造过程，该第二制造过程与每个辐射器装置(1)对准地制造施加装置的一个或多个部件，特别是气体感测、压力感测、气体分析、IR光谱仪、SEM或TEM装置，以制造包括所述各辐射器装置(1)的所述施加装置。

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