CN115885173A - 红外线辐射元件及方法 - Google Patents

红外线辐射元件及方法 Download PDF

Info

Publication number
CN115885173A
CN115885173A CN202180021595.7A CN202180021595A CN115885173A CN 115885173 A CN115885173 A CN 115885173A CN 202180021595 A CN202180021595 A CN 202180021595A CN 115885173 A CN115885173 A CN 115885173A
Authority
CN
China
Prior art keywords
plate
heat sink
arm
emitter
arms
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202180021595.7A
Other languages
English (en)
Inventor
M·英博登
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
4k Microelectromechanical Systems Co ltd
Original Assignee
4k Microelectromechanical Systems Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 4k Microelectromechanical Systems Co ltd filed Critical 4k Microelectromechanical Systems Co ltd
Publication of CN115885173A publication Critical patent/CN115885173A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/68—Heating arrangements specially adapted for cooking plates or analogous hot-plates
    • H05B3/74—Non-metallic plates, e.g. vitroceramic, ceramic or glassceramic hobs, also including power or control circuits
    • H05B3/748—Resistive heating elements, i.e. heating elements exposed to the air, e.g. coil wire heater
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B1/00—Devices without movable or flexible elements, e.g. microcapillary devices
    • B81B1/006—Microdevices formed as a single homogeneous piece, i.e. wherein the mechanical function is obtained by the use of the device, e.g. cutters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/0205—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/0256—Compact construction
    • G01J3/0259—Monolithic
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/10—Arrangements of light sources specially adapted for spectrometry or colorimetry
    • G01J3/108—Arrangements of light sources specially adapted for spectrometry or colorimetry for measurement in the infrared range
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/12—Generating the spectrum; Monochromators
    • G01J3/26—Generating the spectrum; Monochromators using multiple reflection, e.g. Fabry-Perot interferometer, variable interference filters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/30—Measuring the intensity of spectral lines directly on the spectrum itself
    • G01J3/32—Investigating bands of a spectrum in sequence by a single detector
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/42—Absorption spectrometry; Double beam spectrometry; Flicker spectrometry; Reflection spectrometry
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/0004—Devices wherein the heating current flows through the material to be heated
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/02—Details
    • H05B3/06—Heater elements structurally combined with coupling elements or holders
    • H05B3/08—Heater elements structurally combined with coupling elements or holders having electric connections specially adapted for high temperatures
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/10—Heating elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor
    • H05B3/12—Heating elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor characterised by the composition or nature of the conductive material
    • H05B3/14—Heating elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor characterised by the composition or nature of the conductive material the material being non-metallic
    • H05B3/141—Conductive ceramics, e.g. metal oxides, metal carbides, barium titanate, ferrites, zirconia, vitrous compounds
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/10—Heating elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor
    • H05B3/12—Heating elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor characterised by the composition or nature of the conductive material
    • H05B3/14—Heating elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor characterised by the composition or nature of the conductive material the material being non-metallic
    • H05B3/141—Conductive ceramics, e.g. metal oxides, metal carbides, barium titanate, ferrites, zirconia, vitrous compounds
    • H05B3/143—Conductive ceramics, e.g. metal oxides, metal carbides, barium titanate, ferrites, zirconia, vitrous compounds applied to semiconductors, e.g. wafers heating
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/02—Sensors
    • B81B2201/0264—Pressure sensors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/04—Optical MEMS
    • B81B2201/047—Optical MEMS not provided for in B81B2201/042 - B81B2201/045
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/3504—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing gases, e.g. multi-gas analysis
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/20—Positioning, supporting, modifying or maintaining the physical state of objects being observed or treated
    • H01J2237/2008—Positioning, supporting, modifying or maintaining the physical state of objects being observed or treated specially adapted for studying electrical or magnetical properties of objects
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/20—Positioning, supporting, modifying or maintaining the physical state of objects being observed or treated
    • H01J2237/206—Modifying objects while observing
    • H01J2237/2065—Temperature variations
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L22/00—Testing or measuring during manufacture or treatment; Reliability measurements, i.e. testing of parts without further processing to modify the parts as such; Structural arrangements therefor
    • H01L22/10—Measuring as part of the manufacturing process
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B2203/00—Aspects relating to Ohmic resistive heating covered by group H05B3/00
    • H05B2203/002—Heaters using a particular layout for the resistive material or resistive elements
    • H05B2203/005—Heaters using a particular layout for the resistive material or resistive elements using multiple resistive elements or resistive zones isolated from each other
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B2203/00—Aspects relating to Ohmic resistive heating covered by group H05B3/00
    • H05B2203/032—Heaters specially adapted for heating by radiation heating
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B2214/00—Aspects relating to resistive heating, induction heating and heating using microwaves, covered by groups H05B3/00, H05B6/00
    • H05B2214/04—Heating means manufactured by using nanotechnology

Landscapes

  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Resistance Heating (AREA)
  • Micromachines (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)

Abstract

本发明涉及一种红外线辐射元件及方法。一种红外辐射元件(1)，适用于气体传感器、红外光谱仪或电子显微镜中的微型红外发射器(微热板)。微热板包括由多个支撑臂(4)支撑的板(2)。板和臂被制造为MEMS器件，包括单个连续的导电耐火陶瓷片，例如碳化铪(HfC)或碳化钽铪(TaHfC)。除了为板(2)提供结构悬臂支撑之外，每个臂(4)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)也可以成形为吸收在加热和冷却臂和板期间产生的热机械应力。例如，可以将面积小于0.05mm2且厚度为板(2)最大尺寸的1％到10％之间的板加热到4,000K或更高，然后用占空比低至0.5ms，从而允许以高达2kHz的频率进行脉冲操作。其小尺寸(10‑200μm)和低功耗(例如10‑100mW)使微型热板适用于低温应用、小型化设备或电池供电设备(如手机)。

Description

红外线辐射元件及方法
发明领域
本发明涉及微机电系统(MEMS)加热板的领域，例如可以用作例如用于气体传感器或用于IR光谱的红外线(IR)发射器。本发明具体但非排他地涉及用于IR发射器的散热器元件，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。
发明背景
MEMS微型热板用作近红外或中红外光谱范围内的红外发射器，用于各种应用，如红外光谱、气体传感照明、化学平台的热板或透射电子显微镜(TEM)中的热板插件)或扫描电子显微镜(SEM)。目前已知的设备能够以高达约100Hz的脉冲频率运行。需要增加此类设备的工作频率和/或降低功耗，但不损害IR发射特性。
现有技术
公开的专利申请EP2848914A1和WO2013183203A1描述了其中电阻层形成在绝缘体上的发射极器件。在电阻层中产生热量，金属连接器向板提供电但没有显着的热能。在每种情况下，器件的制造都相对复杂，并且发射器的发射特性受到对电阻层特性(包括其薄层电阻、发射率和熔点)的多个相互冲突的约束的限制。
美国专利US6297511描述了一种MEMSIR发射器，其中散热器元件是悬浮膜，形成为两个绝缘层之间的电阻导电层的夹层。Kook-NyungLee等人在《微机械与微工程杂志》上的文章“使用悬浮硅结构的高温MEMS加热器”，第一卷。美国专利19(2009)115011(8pp)描述了一种MEMS加热板，其中悬浮的硅梁覆盖有用作电阻加热器的铂轨道。本文中描述的设备能够在高达1,300K的温度下以100Hz的脉冲频率运行。美国专利US7968848描述了一种类似的带有悬挂硅散热器元件的加热器。
在Elsevier出版的SensorsandActuatorsA188(2012)pp173-180中L.Mele等人的题为“AmolybdenumMEMSmicrohotplateforhigh-temperatureoperation”的文章中，提出了钼作为加热丝材料，溅射到氮化硅绝缘层。尽管钼具有高熔点(2,966K)，但该器件的工作温度受到所使用的其他材料的限制，例如硅和氮化硅，它们分别在高达1,600K和2,000K的温度下会降解。理论上，可用的热红外发射器能够在高于约1,300K的温度下工作，但出于实际实施原因，它们的额定温度低于此温度(例如，最高1,000K)。这个工作温度上限对给定功耗下可以产生的红外辐射的强度和带宽施加了限制。
还已知通过用金属(例如银)涂覆硅板然后通过板的电阻支撑弹簧中产生的热量加热板以蒸发金属来提供金属原子源。HanHan等人在Nanoscale，2015，7，10735上发表的文章“Programmablesolidstateatomsourcesfornanofabrication”中描述了这种技术。MEMS蒸发器包括由两个多晶硅弹簧支撑的多晶硅板，当电流通过它们时，它们充当电阻加热元件。金属沉积在多晶硅板上，通过薄的AlO3涂层防止与金属的共晶相互作用。例如，加热板提供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在板上。本文档中没有建议将金属涂层板改造成用作微型加热板IR发射器。
现有技术的宏观卤素源是可用的，它们能够在3,000K下产生IR，但这些是大型、高功率、笨重的设备。
发明简述
本发明旨在克服现有技术的至少一些缺点。特别是，对于给定的辐射功率，与现有技术的散热器相比，需要一种可以在更小的面积内制造的散热器装置，其具有更小的热容量和/或可以在更高的频率下工作。为此，根据本发明的散热器装置在所附权利要求1中描述，根据本发明的产生红外辐射的方法在权利要求14中描述，并且根据本发明的制造方法在权利要求16中描述。在从属权利要求中描述了本发明的其他变体。
通过使用允许显着提高工作温度上限的材料，可以大大增加发射辐射的强度，如关于总红外功率的Stefan-Boltzmann定律和关于光谱密度的普朗克定律所述。对于给定的辐射功率，可以大大减少散热板的面积，降低功耗和/或提高最大加热/冷却频率。发射器的温度定义了峰值光谱波长。例如，在这种情况下，在1000K处，峰值可能在3微米左右的IR中。如果将板加热到4000K，则峰值位于电磁光谱的可见部分。使用MEMS形状因子和可扩展的制造方法，使超过传统卤素灯获得的温度的辐射元件成为可能。
在高温下，可能在低温下兼容的材料会发生化学反应并使设备退化，从而导致设备故障。一个例子是硅上的金，它形成共晶并将复合材料的熔化温度降低到363摄氏度，远低于每种材料单独的熔化温度。也可以考虑单掺杂材料，但掺杂在高温下可能不稳定，因为掺杂剂会扩散进或扩散出结构，从而改变其热和电性能。单个材料元件不会经历不同的热应力，这会由于不同组件的不均匀热膨胀而导致设备故障。这可能导致多材料界面的断裂、不希望的机械变形和分层。由于需要更少的制造掩模、沉积和蚀刻和/或剥离步骤，因此单一材料解决方案更易于制造。将参照附图详细描述本发明，其中：
图1和2分别以等角投影和平面图显示了根据本发明的基本散热器板的第一简化示意图。
图3以等角投影示出了在根据本发明的散热器装置的第一示例安装布置中形成在衬底的凹入凹陷区域上方的图1和图2的散热器。
图4和5示出了凹入基板的第一和第二变体沿图3的轴线A-A的示意性截面图。
图6以示意性平面图显示了图1和图2的散热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散热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散热器的变体的示例，其中加热器/支撑臂是锥形的。
图9以示意性平面图示出了根据本发明的散热器装置的另一变体的示例，其中加热器/支撑臂形成为弹性元件，具有用于吸收散热器板的热机械膨胀、收缩或其他运动的第一示例构造或武器。
图10以示意性平面图示出了根据本发明的散热器装置的另一个变体的示例，其中加热器/支撑臂形成为具有用于吸收散热器板的热机械膨胀、收缩或其他运动的第二示例构造的弹性元件.
图11以示意性平面图示出了根据本发明的散热器装置的另一变型的示例，其中加热器/支撑臂形成为弹性的具有用于吸收散热器板的热机械膨胀、收缩或其他运动的第三示例配置的元件。
图12和13分别以等角投影和平面图显示了根据本发明的散热器装置的另一个变体。
图14以示意性平面图示出了根据本发明的散热器的另一变体的示例，其中加热器/支撑臂形成为具有用于吸收散热器板的热机械膨胀、收缩或其他运动的另一示例构造的弹性元件。
图15示出了根据本发明的散热器的另一变型的示例，其中多个支撑臂连接到共同的安装件。该图还显示了本发明的散热器装置如何由PWM信号、电压源或电流源驱动。
图16显示了图15所示散热器变体的等效电阻电路示例。连接器3例如处于设定电位或接地电位或接近这些电位。八个臂4中的每一个由电阻R4表示，其通常比由R2示出的板2的电阻大得多，优选地大于10x，甚至更优选地大于100x。
图17显示了图15所示示例变体的热流示例。电力在所有8个臂4中被转换成热能，优选地相等。这种热能流到板2上。一些热热以(例如红外线)辐射的形式辐射离开板。臂4上辐射装置的最热点，由虚线表示，标记为Tmax。
图18示出了根据本发明的多个散热器装置的阵列配置的示例。
图19a示出了根据本发明的散热器装置在不同温度下的温度分布图。虚线表示元件的边界，包括连接焊盘3、臂4和板2。图19b示出了在不同温度下穿过根据本发明的散热器装置的发射辐射的强度分布图。虚线表示元件的边界，包括连接焊盘3、臂4和板2。
图19c显示了垫3、臂4和板3之间的温度梯度图。虚线表示元件的边界，包括连接焊盘3、臂4和板2。
图20显示了光谱辐射(Rspec)与不同温度下发射波长的关系图。
图21显示了根据本发明的示例性散热器装置的位移和温度对时间的曲线图。
图22至25显示了结合根据本发明的散热器的微热板IR发射器配置的变体。
图26a至26g示出了用于制造包括根据本发明的散热器的IR发射器的示例制造工艺。
图26h示出了本发明的制造晶片的变体，其中在图26g所示的IR发射器上制造应用装置。
图27显示了结合根据本发明的散热板的法布里-珀罗IR光谱仪应用装置的第一示例。
图28显示了结合根据本发明的散热器的法布里-珀罗IR光谱仪应用装置的第二示例。
应该注意，提供这些附图仅仅是为了帮助理解本发明的基本原理，而不应被视为限制所寻求的保护范围。在不同的附图中使用相同的附图标记时，这些附图标记旨在表示相似或等效的特征。然而，不应假设，使用不同的参考数字是为了表示它们所指的特征之间的任何特定程度的差异。
发明详述
本文所用术语“导电耐火材料”是指电阻率小于1Ohmcm、热导率在10W/mK至2200W/mK范围内且可加热的无机材料。(至少短时间，例如10ms)至高温(即超过700K或超过1000K或超过1600K，或非常高的温度(即温度超过1,600K，或优选超过2,000K，或更优选地超过2,500K，或者还更优选地超过3,000K)而没有任何显着程度的降解或变化。耐火材料的杨氏模量可在100-1000GPa范围内，抗弯强度可超过100MPa。除非另有说明，否则所有材料特性值均在室温下获取。合适的材料可以包括硅、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材料)，或导电耐火陶瓷，例如作为碳化铪、碳化钽、碳化铪钽、碳化钨、碳化钛、碳化铌、硼化铪、氮化铪或氮化铪钽，或上述化合物的任何部分组合，例如HC。需要提供如下所述的加热电性能。
术语“微型热板”在本文中用于指提供非常小、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“散热器”、散热器装置”和“散热器元件”是指非常小的板状或其他结构，其结合在诸如IR发射器装置的微热板装置中并加热以产生所需的强红外辐射。散热器板的面积例如可以小于0.1mm2，或者小于0.05mm2。
本发明已就其在宽带红外辐射的产生中的应用进行了描述。然而，本发明的散热器装置可用于发射可见光谱中的光——作为IR的补充或替代IR。这将本发明的原理应用于产生可见光可被视为一项独特的发明。
图1和2示出了适合用作IR发射器的散热器元件的散热器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下面描述的其他示例，并且通常适用于本发明的其他变体。散热器1包括由如上所述的导电耐火材料制成的结构2(在该示例情况下为正方形、矩形或平行四边形板)。如将要描述的，使用已知的半导体制造技术，辐射体的材料可以部分地(焊盘3)生长或沉积在衬底上，并且部分地(板2和臂4)生长或沉积在随后被去除的牺牲材料上，例如，碳化铪已经过测试和/或模拟，发现其表现出适合用于制造散热器元件1的热机械性能(例如，足够的导热性和导电性、热和化学稳定性以及足够的弹性)。为了在上述高温范围内操作，散热器1可以有利地容纳在真空中，或者容纳在稀薄的惰性气体中。板2的尺寸可以在2到500μm之间(在这个例子中是正方形/矩形/平行四边形的一侧的长度)，并且可以具有在正方形的边长的0.1到10％之间的厚度(或例如，如果不是正方形，则为板的最长尺寸)。尽管它被图示为具有均匀厚度的连续平面材料片，但结构2可以替代地形成为具有非平面(例如凹形)形状和/或具有不同的拓扑结构，例如网格或梯子或蛇形构造或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提高来自表面的发射率。图1至图3中显示了方形板，但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的平面垂直偏移，使得当焊盘与基板8接触时，板升高到基板8的水平面之上。手臂被描绘为有一个小的偏差。这可能是在加热和冷却过程中吸收热机械位移所必需的。然而，该说明仅是为了便于理解本发明在实际上，正如将在下面讨论的那样，可能需要臂4的其他形状和布置以提供足够的运动吸收。
板2由在板2和连接垫3之间延伸的多个臂4(例如，图示示例中的四个)支撑，也称为支撑元件或弹簧或加热器或加热器弹簧。如将结合图3描述的，连接焊盘3被设计成提供与衬底的机械连接，使得板仅由臂4和焊盘3相对于衬底支撑。连接垫3提供到臂4的电连接，从而提供到板2的电连接。板2、垫3和臂4优选地由单块连续材料制成。该材料可以具有均匀的体电阻率，也可以在散热器1的不同部分具有不同的体电阻率。例如，臂4的材料可以被掺杂或以其他方式处理以使臂具有比板2的材料更低的体积电阻率。例如，臂的材料的体电阻率可以优选地在105到0.1Ohmcm的范围内。图1所示示例中的每个臂4具有长度5、宽度6和厚度7，并且横截面积远小于板2的横截面积。宽度6和厚度7可以有利地呈现在1∶10和1∶1之间的纵横比(厚度：宽度)以提高稳定性。例如，臂长可以在例如5和200pm之间，或者优选地在10和150pm之间，或者更优选地在15和80pm之间。例如，厚度可以在0.1和5μm之间，或更优选地在1和3μm之间。例如，臂的最窄部分的宽度可以小至0.1pm或大至20pm或更大。在诸如石墨烯的单层材料的情况下，板2和臂4可能仅与单层一样厚(或者如果多层堆叠，则为单层堆叠)。
在臂4的两个外端之间施加电压(例如，通过与连接的焊盘3进行电连接)导致通过臂4中的欧姆加热产生热量。臂4热连接到散热器板2。可以悬挂在真空中的散热器板2用作臂4中产生的热量的散热器。在更高的温度下(例如3000K至4000K)随着IR增加而从板2辐射的在臂4中产生的热量的比例。图3显示了图1和2的散热器1如何能够安装或制造在基板8上，使得在其下方有凹形凹槽9。例如，这种结构可以使用已知的半导体制造技术来形成。如下文将要讨论的，凹形凹槽9可以形成有如图4所示的光滑弯曲(例如抛物线)表面，或者形成有不同的形状，例如图5所示的倾斜壁。凹形凹槽可用于将来自板2的IR辐射向外引导(远离基板8)，从而增强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到5中所示的示例具有四个加热臂/弹簧。但是，弹簧(臂4)的数量可以从2到16或更多。该数量可以优选地是偶数，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，臂中产生的热量传导至板2。实验和仿真表明，本例中的板可以在0.2到0.5ms内达到热稳态，这意味着温度可以调制在2kHz到5kHz之间。如果板2做得更小，50kHz甚至100kHz的工作频率是可能的。
例如，板的总功耗可能低至每个板10mW或大至1W，具体取决于散热器配置和板尺寸。
机械共振约为1MHz，这意味着该设备对所有典型的外部振动和冲击不敏感。根据设备的几何形状和所选择的材料，该值可以更低或更高。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，使得该结构能够承受例如设备掉落时由冲击引起的冲击。
图6显示了将散热器1安装到基板8上的另一种布置。在这种情况下，基板8可以用反射表面或层15涂覆或抛光，并且焊盘3形成或安装在垫片23上，垫片23用于使板2远离基板8。臂4由波浪线象征性地表示，但这些符号旨在通常对应于可以使用的加热器/弹簧臂的任何变体。垫片23可以由与垫片相同的材料制成牺牲层用于将器件材料与衬底8分离，或者它们可以由单独的绝缘或导电材料制成，优选具有高导热性。
图7示出了另一种变体，其中，代替图6的间隔物23，焊盘3被成形为提供从衬底8和反射表面/层15的期望的垂直偏移。
图8显示了散热器1的变体，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(例如通过如图所示使宽度6逐渐变细)和/或通过臂4的材料的可变掺杂以增加臂4的材料的体电阻率来实现。臂4朝向与板2相接的位置。电阻的局部增加意味着板附近的欧姆加热局部增加，因此产生的热量中有更大比例流入板中。可以在本发明的散热器的任何变体中使用这种逐渐减小的电阻。
图9至11示出了散热器元件1的不同变体，其中臂4被配置为吸收板2和/或臂4在它们加热和冷却时的机械变形。诸如HfC的耐火陶瓷的热膨胀系数可以在1-10x106/K的范围内，并且最好通过将加热器/支撑弹簧4成形为提供弹性缓冲膨胀和收缩运动。在3,500K的温度变化时，板2可膨胀或收缩大约1-3％(横跨整个板)。图9显示了具有较大(例如100pm宽)八角形板2的变体，而图10显示了具有较小八角形板2(例如10到30pm宽)的变体。在两个八角板示例中，每个连接垫3通过两个臂4连接到板2。在小板示例(图10)中，板2的热机械变形最小，整个板的温度基本均匀。
图11显示了另一种变体，其中每个垫3通过两个臂4连接到板2。设置有六个垫块3和六个双臂4，并且板2具有大致圆形形状小孔，在这种情况下是圆形的，但也有其他形状，例如，可以使用正方形或长方形，将其切成板2。根据所使用的制造工艺，当移除板下方的材料以创建独立结构时，这些孔可以帮助释放步骤。这样的孔在所提供的任何示例中可能是有利的，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。相比之下，图12和13显示了一种变体，其中每个臂4连接到一个连接垫3。例如，该示例中的板2的直径可以在10pm和200pm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中的应力最小的情况下实现这一点，臂的形状和取向沿着平行于板2外围旋转的外围路径。如图所示，臂4可以可选地包括阶梯或偏移部分，以允许臂重叠，从而允许较长的臂安装在板2周围的小周边区域中。该示例变体的臂4通过变窄的径向部分连接到板，该变窄的径向部分可以例如通过在径向部分的任一侧上的板2的周边中形成槽口来形成。当在焊盘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15显示了散热器元件的简化示意图示例，它们在原理上类似于图12和13的变体，其中板2基本上是圆形的，具有在板2和安装垫3之间延伸的切向弹簧/臂。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输入和输出连接的散热器。使用更多数量的较短臂会导致板中的热量分布更均匀，响应时间更快，但功耗也会更大。较大的板通常需要更多的弹簧才能有效加热。较长的弹簧提供更好的机械应力消除，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导致板2在加热和冷却时的非常小的旋转运动。这种设备示例的轮换出现在图12、13、14和15与之前的装置示例形成对比，在之前的装置示例中，板仅经历径向膨胀并且实际上没有观察到旋转。
由热膨胀产生的机械应力由臂4减轻。板2和臂4的热膨胀应当优选地得到补偿，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随着它们伸长而弯曲并且板2径向膨胀。在图12、13、14和15给出的示例中，由于板2的径向膨胀和臂4的线性膨胀，板2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电导率和热导率。
图15还示出了连接到脉宽调制信号10和电流源或偏置电压源的散热器1。在PWM模式下驱动时，可以改变PWM占空比以改变从散热器发射的IR的温度和光谱特性。在本例中，驱动信号是通过PWM信号定义的。PWM频率应优选地高于上述装置的热响应时间，优选地高出10倍或更多。作为PWM控制的补充或替代方案，该设备可以使用直流或交流电压偏置驱动，通常为1V，但可以低至1mV或高达100V，具体取决于散热器1的几何形状和材料。电压偏置将导致电阻率随温度增加的材料稳定运行。或者，散热器可以由电流偏置驱动，也可以在直流或交流模式下。该电流偏压的范围通常高达10mA，但可能更高或更低，具体取决于散热器1的几何形状或使用的材料。对于臂4电阻随温度升高而减小的设备而言，电流偏置散热器1将是稳定的选择。
可以添加额外的电极，例如图15中所示的散热器，以便测量两个焊盘3之间的电压。这可以实时监控设备的电阻。在臂4以及板2中，电阻随温度而变化。添加额外的电极，如图15所示，可以记录电压和电流。由此可以确定阻力，并且，通过适当的校准，电阻将转化为红外光谱和强度。这种反馈可用于提高所发射的红外辐射的稳定性。
图16显示了图15所示变体的等效电路图示例。在该变型中，有多个臂4(图示为八个)连接到板2。一个或多个臂4的第一子集(在该示例中为第一子集中的四个臂)电连接(在该示例中为并联)左侧的第一连接焊盘3和臂的第二子集(四个在该示例中的第二子集中的臂)类似地并联连接到右侧的第二连接焊盘3。当第一焊盘3设置为电位V或接近电位V，而第二焊盘3设置为不同的电位，例如接地电位或接近接地电位时，这导致电流I流动从第一焊盘3，通过第一组并联臂4，通过板2，并通过第二组并联臂4到达具有较低电位的第二焊盘3。如果所有臂4在电气上相同，则如基尔霍夫定律所述，每个臂4中的电流为1/4。因此，每个臂4中耗散的电功率也相等并且具有R412/16的值，其中R4是每个臂4的电阻。优选地，板2的电阻R2显着低于每个并联连接的子集的电阻，并且远低于每个单独的臂4的电阻R4。这确保了大部分电能在臂4中耗散，使得电流流经焊盘-臂-板-臂-焊盘的串联排列所产生的热量大部分在臂中产生，而较少的热量在臂中产生。板中产生。当被视为pad-arm(s)-plate-arm(s)-pad的串联电路时，每个armsub的电阻优选至少10倍，更优选至少50倍，甚至至少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，可以设置在任一焊盘上施加的电势，使得板电势2与基板8或反射表面15处于相同的电势。例如，如果一个焊盘的电位为V/2，而相对的焊盘的电位为-V/2，则板2的电位为0，这最好也是基板8和反射表面15的电位。
图17示意性地显示了图15所示示例变体的生成功率和热流。电能在臂4中转换为热能，使臂4成为辐射发射器的最热点。最好是最热的每个臂4上的点都靠近板2，如图17中的Tmaxin所示。这意味着与焊盘2的热阻相比，焊盘3的热路径中的热阻较高。在臂4中产生的热量中，有一小部分作为热能流入焊盘3，该焊盘的温度最好接近基板的温度，例如可以接近环境温度，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环境中操作，也可以低得多或高得多。在臂中产生的一些、优选大部分、更优选基本上全部的热能作为Ppithon流向板2，在板2处它将板2加热到所需温度。板2上的热能作为电磁辐射PiR-辐射以辐射方式发射，例如作为具有一些可见光辐射的红外辐射。
由于辐射发射的热功率为～T4，但从板2和臂4到焊盘3的热导为～T，发射器在较高温度下变得更有效。
图18显示了一个IR发射器，该发射器包括多个(在本例中为16个)散热器元件1的阵列，这些散热器元件1连接在一起，以便每个都可以由单独的PWM信号驱动。例如，这种阵列可以用于产生具有特定光谱分布的红外辐射。有效较大的表面积增加了产生的红外辐射。通过选择打开的散热器1的数量，可以在不改变光谱的情况下调整强度。单个电源可以驱动阵列中的所有散热器，晶体管在阵列的每个元件(散热器1)上设置PWM或电压或电流信号。
图19a显示了板的温度如何在不同的施加电压下在散热器板上变化的示例(例如沿图3中的轴A-A)。x轴显示从轴上的中心点测量的距离。y轴显示在沿轴的相应位置测量的板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)。在该示例中，板的直径或横向尺寸约为70pm，臂长约为15pm。在所示的三个温度曲线中的每一个中，连接焊盘3的温度基本上为在环境温度下恒定(例如290-300K)，而臂4中存在陡峭的温度梯度，而板2上的温度曲线或多或少是平坦的。在施加1.5V电压的情况下(在本示例中)，板2的中心区域比靠近加热/支撑臂内端的外围区域冷，在该区域从臂到板的热传递。这是在较高温度(例如约4,000K)下比在较低温度下发射的辐射显着更大的结果(以及因此更大的光功率和因此对板2更大的冷却)。例如，在4000K的光功率密度可以对应于在0.85发射率下的大约12MWnr2。在4000K时，波长为3微米的光谱辐射比在1000K时大约高两个数量级，峰值光谱辐射大约高三个数量级。
图19a所示的曲线对应于普朗克定律预测的曲线。另一方面，图19b显示了辐射强度的分布实际上如何随温度在同一散热器设备上发生变化。将施加的电压从0.5V提高到1.5V(从而将温度从大约1,600K提高到4,000K以上)，会使发射强度增加两个数量级以上。
图19c显示了温度的温度梯度如何在运行期间在散热器设备上变化的示例，例如在图19a和19b中使用的那个在该示例中，温度梯度在臂4的外部区域中与垫3相邻的点处具有最大值。这部分是因为垫3的温度比臂4低得多，部分是因为在该点的臂的横截面积小(因此电阻高)。这两个因素结合在一起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，温度梯度最小，因为板2处于或接近期望的排放温度。在这种状态下，温度梯度最小，流出臂并进入板的热能流量最大，从板2辐射的热功率由加热臂4的热流入补充。如本描述中其他地方所提到的，用于升高板温度的大部分或基本上所有的热量是由臂4中的电阻加热产生的，并且很少或没有热量是由低得多(与臂相比)的电阻产生的板2。图20显示了光谱辐射率(y轴，任意单位)在不同板温度下如何随波长(x轴)变化。
图21显示了在散热器1的板2的加热循环期间温度(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，电压偏置作为阶跃函数施加。从曲线可以看出，在这个例子中，热循环可以在大约0.3ms内达到稳定。在冷却阶段(未显示)可以看到类似的速率。
图22显示了一个IR发射器的示例，该发射器包括一个散热器元件，其散热器板2被制成真空封装，并具有一个IR透明窗口14，该窗口也用作真空室的封闭件。定向反射器表面15被布置用于将板2产生的IR反射向窗口14。在本发明的所有变体中，反射器表面或层15，如果存在的话，可以形成在散热器板2下方的凹槽9中和/或在散热器板上方的结构的侧壁上。例如，窗口14可以由蓝宝石、锗、硅或金刚石制成。根据需要，可以根据其特定的IR过滤特性来选择窗口14的材料。基板8可以由例如硅制成，优选地由具有高热导率的材料制成。间隔层11和13通常是电绝缘的并且可以由例如氧化硅、氮化硅和/或其他电介质或绝缘体制成，优选地具有高导热性。添加到11和13的界面的适当的电绝缘屏障允许11和13的材料由诸如半导体和诸如硅的导体的材料制成。反射壁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平面之间的硅以留下与衬底8的平面成125.26°的表面来形成。IR发射器的内部优选地被抽空到103Torr，或者优选地106或更好。
除了密封真空室之外，窗口14可以可选地实现其他功能，例如光学过滤或透镜化。窗口材料可以部分地限定从设备发射的红外光谱，并且可以将额外的涂层添加到表面以改变反射率和透射率特性。图23显示了一个例子，其中窗口14已被图案化、模制或以其他方式处理以在其外表面提供一个菲涅耳透镜，用于改变发射器IR的焦点特性。窗口14可替代地或附加地被配置为充当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，或具有沉积在其上的材料以形成用于波长选择和/或光路控制的超材料表面。
图24显示了一种布置，其中室壁具有抛物线或椭圆形轮廓，并且其中壁涂有IR反射涂层18，例如金属层，以提高离开真空室的IR的比例透过窗户14.IR反射涂层18可以包括在所描述的任何变体中。在另一变型中，图25显示了如何使散热器板2可转向或可摆动，例如通过电容或热机械致动器(未示出)。窗口可以任选地成形和/或涂覆以提供IR发射的期望光学效果。
图25所示的转向布置可以通过分割反射面15来实现。添加额外的电引线以接入分段金属反射器层15允许在反射器15和板2之间施加电势。由于板由弹簧(臂4)悬挂，板2可以自由倾斜、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F～e0A/a^V2，其中F是力，￡0是自由空间的介电常数，A和d是段的面积，并且分段电极和极板2之间的分离。V是分段反射器和板之间的电压)。增加段的数量将影响倾斜/倾斜/活塞板的能力，通常4段就足够了。通常可以达到10度的机械角，这可以用于控制发射的光和/或微调设备与其他光学组件的对准。
图26a至26g显示了一个简化示例，说明了如何在晶片衬底8上以晶片规模制造散热器以及IR发射器的其他组件。在图26b中，腔9被蚀刻并且反射(例如金属)涂层15被沉积。然后添加牺牲材料20，对其进行平面化和图案化，在其上形成器件层21(高温陶瓷)并将其图案化到构成器件的焊盘3、臂4和板2中。在图26e中，牺牲材料是移除，留下器件层21的每个辐射板悬浮在它们各自的反射腔9上。然后可以使用把手24添加窗口14，在高真空中，窗口14由间隔件23支撑并通过粘合剂22粘合，以形成密封的IR发射器，每个IR发射器包括如图26g所示的封闭高温散热器元件的真空室27。顶层(本例中的窗口14)然后可以用作进一步的晶圆级制造工艺的基础。应用装置25可以直接制造在IR发射器晶片上，或者它们可以单独制造然后对准并结合到IR发射器晶片以形成具有集成IR发射器的应用装置，如图26h所示。例如，这在使IR干涉仪或类似应用设备小型化时很有用。然后可以将单独的堆叠组件(例如气体传感器、化学传感器、IR干涉仪等)切割并封装在单独的表面贴装技术封装或其他分立器件中。在这种小型化水平上，可以生产具有红外发射器的应用设备，其占地面积小至300x300pm，甚至更小。
图26a-26g描述了一种示例方法，使用双晶片方法，其中一个晶片保持散热器元件和相关的电子引线，第二个晶片保持间隔物23、IR窗口和附加功能表面(键合层22和用于吸收气体的吸气层)。两个晶圆在真空中粘合和密封，以生成独立的独立真空室。在替代实现中，整个堆栈可以以堆叠方法制造。从图26e继续，可以添加并图案化额外的间隔材料，然后沉积图案化的吸气剂材料，最后沉积IR窗口14，例如可以由锗制成。
图27和28显示了具有集成高温陶瓷散热板的应用装置的两种变体的横截面图。在所示示例中，应用装置是气体传感器，包括法布里-珀罗干涉仪(FPI)25和IR发射器1，IR发射器1包括悬挂在真空室27中的凹形凹槽9上方的耐火陶瓷辐射板2，真空室27通过IR透明密封窗口14支撑在垫片23上。同样在真空下的空腔9具有反射涂层或表面15，用于将由辐射板2产生的IR导向窗口14。触点30允许与散热器的衬垫3电连接，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加热到温度超过1,600K，或2,000K，或2,500K，甚至高达4,000K或更高。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装置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。FPI可以通过致动器29以已知方式通过将上反射器32移动得更靠近或远离下反射器来调节。在图27所示的变体中，FPI的IR检测器位于FPI装置的上封闭构件的内表面上的固定位置。
相比之下，在图28的变体中，FPIIR检测器被安装为与FPI滤光片25的上反射元件32一起移动。FPIIR反射镜安装在移动反射器上，或安装为与移动反射器一起移动的这种布置不限于与本发明的反射器装置一起使用，并且可以与其他类型的IR发射器一起使用。
在FPI的两种变体中，当它们被实施为气体/化学传感器时，待检测/分析的气体位于空腔区域33中，该空腔区域包括两个部分反射镜31和32之间的空间。
FPI25可以直接制造在IR发射器1的窗口14上，或者它可以单独制造然后对准并结合到IR发射器1的窗口14上。
包括根据本发明的散热器装置的IR发射器的其他可能应用包括迈克尔逊莫利干涉仪(MMI)。在MMI中，光路与晶圆在同一平面内，这允许更长的光路，这有利于气体传感。
单个设备和封装的设备
图29和30MEMS加热板元件1的俯视图和横截面图，包括中心板4、系绳6和部分金属化14(通常为Au、Cr/Au或Ti/Pt/Au、如果发热风险很高，也可能是Pt或W)。板下方的电极16用于共振驱动和检测，电极16还形成镜子以将IR发射反射回设备中，这改善了效率。电极可以由高IR反射率材料制成，例如金或吸气材料，例如钛，以提高真空度。18是SiN等绝缘层。主体19，也称为手柄，通常是硅。图31和32类似于图29和30，但包括一个盖子22。盖子对红外线是透明的，但可以阻挡气体。用于NIR应用的典型材料是蓝宝石，或MgF2或CaF2，以包括高达10微米的更宽IR波段。其他合适的材料可以包括硫化锌、锗或硒化锌。板4上方和下方的空腔不包括数字。间隔件24可以设置窗口的高度并形成气密真空密封。这可以由氧化硅制成。
下拉快速冷却装置
图33a和33b说明了图29至32中描述的装置可能的两个位置，其中中心板被静电下拉以接触电极16。在该配置中，电绝缘的间隔元件17包括在电极16上。这些元件可防止中心板和电极之间的电短路，并降低可能阻止板重新调整到其原始位置的静摩擦风险。间隔元件可以放置在电极上，或者更好地位于在电极19中切割的孔中的氮化物上。拉入允许中心板随着基板温度快速热化。
用于发射腔的背面蚀刻装置
图34图示了替代封装配置中的MEMS热板装置1的线性阵列。在该实施方式中，手柄19被反蚀刻以形成空腔28的发射侧。该空腔再次用IR透明窗22气密密封。加热板26下方的空腔包括电极/反射器元件16。该元件连同间隔物24被制造在单独的晶片19b上并且倒装芯片密封地结合到包含IR热板元件的晶片上。
设备和LED
图35显示了一个热隔离良好且仅包含两个臂6的设备。在这种配置中，臂不是加热元件，但确实提供了对热中心板4的电气访问。这个加热板是通过照射它来加热的电磁辐射，例如来自LED或激光发射器34的光。该板是热隔离的，会加热到非常高的温度，将窄带辐射重新发射为宽带红外辐射。非接触式加热元件36包括电接入引线34和32。
带控制电子设备的设备
图36显示了电子控制电路。尽管电极标记为10V+、1I+、12I-和12V-，但加热板元件可以通过四根引线连接以进行4探针IV测量。源测量单元20可以对MEMS热板器件施加电压或电流偏置，并分别记录电流或电压。电压/电流源可以是直流设定电压、方波、斜坡或任意函数。SMU还可以包括一个PID反馈回路，以确保发射器的稳定运行。底部电极16连接到电压源40并且可以设置AC或DC电压以驱动垂直于平面的板。该源可以包括锁定放大器以及电压源，并用于检测MEMS加热板元件的谐振频率。图37包括用于非接触式加热元件的控制电子装置42。这可以是LED或激光驱动器模块。再次，包括一个SMU20，它可以测量MEMS加热板元件的电阻，它提供关于中心板温度的信息。
IV掺磷多晶硅的特性
图38显示了由掺杂磷的硅制成的电阻加热加热板元件的典型IV曲线。功率显示在右手轴上。在低电流下，响应是线性的2。随着元件加热，响应变为非线性4，电压上升更快，因为热量增加会增加加热元件的电阻。在更高的电流下，存在一个反转点6，在此之后电阻随着加热元件的加热增加而降低。图39和40分别说明了电压e相对于电流dV/dl作为电压和功率的函数的变化，图38中的反转点在此表示为加热元件的差分电阻中的峰值或5最大值6。

Claims (18)

1.一种用于红外发射器微热板的散热器装置(1)，该散热器装置(1)包括
红外发射器元件(2)，以及连接到发射器元件(2)的多个悬臂支撑臂(4)，其中：
发射器元件(2)由臂(4)悬挂；且
发射器元件和臂形成为一块连续的材料。
2.根据权利要求1所述的散热器装置(1)，其中，所述发射器元件(2)可通过所述臂(4)中的电阻加热加热到预定的IR发射温度。
3.根据权利要求1或2所述的散热器装置(1)，其中，所述IR发射温度大于700K，或者优选地大于1000K，或者优选地大于1,600K，或者优选地大于2,000K，或者更优选地大于2,500K，或更优选大于3,000K，或还更优选大于3,500K。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的散热器装置(1)，其中，所述材料是硅。
5.根据权利要求4所述的散热器装置(1)，其中，所述材料是导电耐火陶瓷。
6.根据权利要求5所述的散热器装置(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任一项所述的散热器装置(1)，其中，所述臂(4)的数量是偶数，并且其中所述偶数是至少4个，或者优选地至少6个，或者更优选地至少8个。
8.根据前述权利要求中任一项所述的散热器装置(1)，其中，所述臂(4)是可弹性变形的，以吸收所述发射器元件(2)和/或所述臂(4)的形状和/或尺寸的热机械变化在加热和冷却或发射器元件(2)期间。
9.根据前述权利要求中任一项所述的散热器装置(1)，其中，所述臂(4)中的每一个具有沿其长度变化的横截面，使得其横截面积在所述臂(4)的区域处最小与发射器元件(2)相邻。
10.一种IR发射器装置包括根据前述权利要求中任一项所述的散热器装置(1)，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)的外壳中。
11.根据权利要求10所述的IR发射器装置，其中，所述外壳被抽真空至10-3Torr，或小于10-4Torr，或优选为小于10-5Torr，或更优选为小于10-6Torr。
12.一种气体传感、压力传感、气体分析、IR光谱仪、SEM或TEM装置，包括根据权利要求10和11之一的IR发射器装置，或包括根据权利要求1至9之一的散热器装置(1)的IR发射器装置。
13.根据权利要求12所述的便携式通信装置，包括气体传感、压力传感、气体分析、IR光谱仪、SEM或TEM装置。
14.一种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之一的IR发射器装置，或包括根据权利要求1至9之一的散热器装置(1)的IR发射器装置。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括在所述臂(4)两端施加电压以将所述发射器元件(2)加热到大于700K、或优选地大于1000K、或优选地大于1,600K的温度，或优选地大于2,000K，或更优选地大于2,500K，或者还更优选地大于3,000K，或者还更优选地大于3,500K。
16.根据权利要求14所述的方法，包括以大于200Hz、或优选地大于700Hz、或更优选地大于1,000Hz的频率使电压脉冲化。
17.一种制造IR发射器装置的方法，包括在单个晶片上制造根据权利要求1至9中的一项所述的多个散热器装置(1)的第一制造工艺。
18.根据权利要求16所述的方法，包括第二制造工艺，该第二制造工艺与每个散热器装置(1)对齐，制造应用装置的一个或多个部件，特别是气体传感、压力传感、气体分析、IR光谱仪、SEM或TEM装置，以生产所述应用装置，包括所述各辐射装置(1)。
CN202180021595.7A 2020-01-15 2021-01-15 红外线辐射元件及方法 Pending CN115885173A (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CA3067973 2020-01-15
CA3067973 2020-01-15
PCT/EP2021/050878 WO2021144463A1 (en) 2020-01-15 2021-01-15 Infrared radiator element and methods

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN115885173A true CN115885173A (zh) 2023-03-31

Family

ID=74561845

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202180021595.7A Pending CN115885173A (zh) 2020-01-15 2021-01-15 红外线辐射元件及方法

Country Status (5)

Country Link
US (2) US20230209661A1 (zh)
EP (2) EP4091406A1 (zh)
CN (1) CN115885173A (zh)
CA (1) CA3079443A1 (zh)
WO (2) WO2021144464A1 (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023152628A1 (en) 2022-02-08 2023-08-17 4K-Mems Sa Ir emitter device
EP4333560A1 (en) 2022-09-05 2024-03-06 4K-Mems Sa Thermal light emitting device
CN117539302B (zh) * 2023-12-20 2024-03-22 四川智感蔚蓝科技有限公司 一种氮氧传感器的温度控制方法、装置、介质和设备

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7119337B1 (en) 1997-08-04 2006-10-10 Ion Optics, Inc. Infrared radiation sources, sensors and source combinations, and methods of manufacture
US5910659A (en) * 1996-04-30 1999-06-08 The United States Of America As Represented By The Secretary Of Commerce Flat panel thermal infrared generator
US6091050A (en) * 1997-11-17 2000-07-18 Roxburgh Limited Thermal microplatform
US6297511B1 (en) 1999-04-01 2001-10-02 Raytheon Company High frequency infrared emitter
US6804959B2 (en) * 2001-12-31 2004-10-19 Microsoft Corporation Unilateral thermal buckle-beam actuator
JP2011248960A (ja) * 2010-05-26 2011-12-08 Hitachi Ltd 磁気ディスク装置
WO2013168332A1 (ja) 2012-05-09 2013-11-14 パナソニック株式会社 赤外線放射素子
TWI498038B (zh) 2012-06-04 2015-08-21 Panasonic Corp 紅外線放射元件
WO2014168977A1 (en) * 2013-04-09 2014-10-16 International Technology Exchange, Inc. High-temperature nanocomposite emitting film, method for fabricating the same and its application
US10955599B2 (en) * 2016-04-01 2021-03-23 Infineon Technologies Ag Light emitter devices, photoacoustic gas sensors and methods for forming light emitter devices

Also Published As

Publication number Publication date
EP4091407A1 (en) 2022-11-23
CA3079443A1 (en) 2021-07-15
EP4091406A1 (en) 2022-11-23
WO2021144463A1 (en) 2021-07-22
US20230131181A1 (en) 2023-04-27
US20230209661A1 (en) 2023-06-29
WO2021144464A1 (en) 2021-07-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN115885173A (zh) 红外线辐射元件及方法
EP3821681B1 (en) High-temperature infrared radiator element and methods
US11245064B2 (en) MEMS heater or emitter structure for fast heating and cooling cycles
US11874218B2 (en) Metamaterial-based IR emitter having modulatable emissivity
US6417060B2 (en) Method for making a diode device
US6774003B2 (en) Method for making a diode device
US11879784B2 (en) Modeling the emission intensity of an IR emitter by varying the emission surface
Pitchappa et al. Frequency‐agile temporal terahertz metamaterials
US11651951B2 (en) Device and method for generating radiation
JP7330264B2 (ja) ダイヤフラム構造による可動ｉｒ放出器の変調
WO1997009593A1 (en) Infrared emitter and methods for fabricating the same
US6605339B1 (en) Micro heat barrier
TW202239261A (zh) 紅外線輻射器元件和方法
US6673254B1 (en) Methods for fabricating a micro heat barrier
KR102554847B1 (ko) 열적 적외선 소스
Supino et al. Electrostatic control of microstructure thermal conductivity
WO2023183958A1 (en) Infrared detector

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
CB02 Change of applicant information

Country or region after: Switzerland

Address after: Saint Bryce, Switzerland

Applicant after: 4K Microelectromechanical Systems Co.,Ltd.

Address before: Saint Bryce, Switzerland

Applicant before: 4K Microelectromechanical Systems Co.,Ltd.

Country or region before: Switzerland

CB02 Change of applicant information