CN117269070A - 一种多通道微型窄带红外辐射源及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开一种多通道微型窄带红外辐射源，一种多通道微型窄带红外辐射源，包括：至少四个辐射元件；所述至少四个辐射元件通过电路相连，串行工作；其中，所述辐射元件包括：基底、加热电极层、绝缘层、超材料和背腔，所述超材料包括：金属反射层、介质层和图案层；所述至少四个辐射元件之间相同层的厚度一致；所述基底的一面设有背腔，所述加热电极层位于所述基底远离背腔的一面，所述绝缘层设置在所述加热电极层和所述金属反射层之间，所述介质层设置在所述金属反射层和所述图案层之间；所述基底包括本体和支撑部，所述支撑部位于所述本体与所述加热电极层之间。

Description

一种多通道微型窄带红外辐射源及其制备方法
技术领域
本申请涉及红外辐射源技术领域，具体涉及一种多通道微型窄带红外辐射源及其制备方法。
背景技术
气体传感器是一类重要的感知器件，被广泛应用于工业生产、环境保护、医学诊断、国防安全等领域。基于红外吸收原理的气体传感器具有环境耐受性好、选择性强、性能稳定、寿命长等优点。而红外辐射源是此类传感器的关键部件，用于辐射特定波长的红外光。当分子中某基团的振动频率与红外辐射频率一致时，光的能量会通过分子偶极矩的变化传递给分子，从而使这个基团吸收一定频率的红外光，因此，气体传感器检测到的光信号就会减弱，辐射能再经过电路处理后，被转化为与气体浓度相关的电学参数，从而实现对气体成分、浓度等的直接测量。
针对特定场景下的混合气体成分，在空间受限条件下完成多组分气体的测量并保障测量精度，对红外传感器提出了挑战。例如，井下作业中的二氧化碳、甲烷、乙炔混合气体测量；尾气排放中甲烷、二氧化碳、二氧化氮、氧化亚氮、二氧化硫混合气体的测量；流程工业种二氧化硫、甲烷、乙烯、丁烷混合气体的测量；电力管网中六氟化硫、四氟化碳等混合气体的测量。
现有辐射源受限于滤光片等元件，集成度低，限制了其在受限空间环境中的应用。现有的辐射源只能辐射出单一峰值波长，不能灵活调节，而不同气体分子的红外吸收峰不同且吸收带很窄，因此，现有辐射源只能实现单一气体分子的检测，要想产生大范围多辐射中心波长，多采用调节膜厚方式制备所需红外辐射源，而以上操作都是通过在辐射源设计、制备过程中调整各参数来产生其他峰值波长的，需要多次沉积、光刻等工艺才能实现检测多种气体的辐射源制备，在使用时不具有灵活性、便捷性，无法满足工业生产、大气环境监测、室内空气质量监测等应用场景对气体传感器的需求。
目前典型的红外辐射源通常以单晶硅作为基底材料，从结构上包括：硅基底、绝缘绝热薄膜、加热电极层、超材料、背腔。由于硅的热导率很高(149W/(m·k))，基底的散热很强，有大量的热量流失。为了减少基底与环境之间的热通量、达到理想的局部辐射效果，通常需要在硅基底背面制作背腔结构，并将该结构上方的基底完全刻蚀，留下悬空的多层薄膜结构，而基底上方的多层薄膜结构的厚度通常只有2μm左右，悬空结构导致了整个器件机械强度低、高温下容易变形不稳定。通常，基底背面刻蚀掩膜版的制备方法为光刻工艺，即先涂覆光刻胶并将其图案化，再涂覆掩膜物质再将其图案化得到刻蚀掩膜版，增加了制造时间和成本。背腔的传统制作方法为湿法刻蚀，但由于湿法刻蚀本质上是各向同性刻蚀，且刻蚀速率慢(通常为1μm/min)，不利于低成本、大批量、高质量的快速加工。喷砂加工是一种高效率的深刻蚀技术，但由于喷砂刻蚀速率很快(最高可到1000μm/min)，需要选择柔性材料如PDMS作为刻蚀掩膜材料。若采用纯喷砂工艺制备背腔，虽然提高了刻蚀速率，但相应的，加工的背腔与设计的背腔相比几何形状误差较大，产品良率低，无法满足高效率或高精度的加工需求。
发明内容
为了解决本领域存在的上述不足，本申请旨在提供一种多通道微型窄带红外辐射源及其制备方法。
根据本申请的一方面，提供一种多通道微型窄带红外辐射源，包括：至少四个辐射元件；所述至少四个辐射元件通过电路相连，串行工作；
其中，所述辐射元件包括：基底、加热电极层、绝缘层、超材料和背腔，所述超材料包括：金属反射层、介质层和图案层；
所述至少四个辐射元件之间相同层的厚度一致；
所述基底的一面设有背腔，所述加热电极层位于所述基底远离背腔的一面，所述绝缘层设置在所述加热电极层和所述金属反射层之间，所述介质层设置在所述金属反射层和所述图案层之间；
所述基底包括本体和支撑部，所述支撑部位于所述本体与所述加热电极层之间。
根据本申请的一些实施例，所述基底的材料选自：熔融石英或硼硅酸盐。
根据本申请的一些实施例，所述加热电极层的材料包括Ti/Pt；所述加热电极层厚度为150-250nm。
根据本申请的一些实施例，所述绝缘层的材料选自：氧化硅或氮化硅；所述绝缘层厚度为400-600nm。
根据本申请的一些实施例，所述金属反射层的材料包括Ti/Au；所述金属反射层厚度为130-170nm。
根据本申请的一些实施例，所述介质层材料包括氧化铝；所述介质层厚度为60-120nm。
根据本申请的一些实施例，所述图案层材料包括Ti/Au；所述图案层厚度为110-130nm。
根据本申请的一些实施例，所述背腔内壁倾斜角范围为70-85°；
优选地，所述基底的厚度为300-600μm；
所述支撑部的厚度5-20μm。
根据本申请的另一方面，提供一种上述的多通道微型窄带红外辐射源的制备方法，包括：
制备加热电极层：准备基底材料，在基底表面制备粘附层以及加热层；
制备绝缘层：在加热电极层表面制备绝缘层；
制备金属反射层和介质层：在绝缘层表面制备金属反射层与介质层；
制备图案层：在介质层表面制备图案层；
制备刻蚀掩膜层：采用激光刻蚀的方法在基底远离粘附层的表面制备刻蚀掩膜；
制备背腔结构：采用喷砂刻蚀+激光刻蚀的方法在基底远离粘附层的表面制备背腔。
根据本申请的一些实施例，还包括：去除刻蚀掩膜层：采用激光加工或打磨的方法去除基底上的刻蚀掩膜；
优选地，所述背腔的刻蚀深度为280-595μm。背腔深度＝基底厚度-支撑部厚度。
与现有技术相比，本申请至少包括如下有益效果：
本申请提供一种多通道微型窄带红外辐射源，采用至少四个辐射元件组成辐射源，利用不同单元结构具有不同红外频谱响应的特性，实现红外辐射频谱可调；
本申请的多通道微型窄带红外辐射源，通过开关控制模块控制各辐射元件工作，既可以避免多个元件同时工作时由于红外光干涉而导致辐射峰的偏移甚至消失的问题，又可以保证同一时刻只有一个元件工作延长使用寿命；
本申请采用热导率低、绝缘、耐高温的熔融石英或硼硅酸盐玻璃作为基底材料，可避免现有辐射源受基底材料导电导热性能影响而带来的热量流失大问题；尤其是石英基底辐射源与环境之间的热通量更少，保留在辐射源的热量更多，能进一步提高红外辐射强度；
本申请的不同辐射元件之间相同层的厚度一致，因此使用一套工艺流程可以制备出检测多种气体的辐射源，所述辐射源的峰值辐射率接近1；
采用激光加工的方法制备刻蚀掩膜，利用激光对掩膜材料进行直写，可避免采用光刻工艺制备刻蚀掩膜版，减少工艺步骤，降低工艺复杂度，减少制造时间和生产成本，从而提高辐射源的生产普遍性，亦使得加工出来的掩膜结构更加精确，减少了背腔结构由于掩膜图案带来的形状误差；
同时，本申请采用激光刻蚀与喷砂刻蚀相结合的方法制作背腔结构。在兼顾刻蚀速率的同时，提高了加工的精度，降低了精密减薄的风险，使加工过程更加可控，所加工出的背腔表面粗糙度均匀、结构清晰、侧壁倾角大、几何形状误差小，同时也保证了加工良率。
附图说明
图1为本申请示例实施例的辐射源原理框图。
图2为本申请示例实施例的辐射元件剖面图。
图3为本申请示例实施例的超材料结构尺寸示意图.
图4为本申请示例实施例的辐射源制备工艺流程图。
图5为本申请对比例的辐射源结构示意图。
图6为本申请对比例的红外辐射源制备方法流程图。
图7为本申请示例实施例及对比例的不同加工方法制备的背腔对比图。
图8为本申请示例实施例1的辐射源的辐射率曲线图。
图9为本申请示例实施例2的辐射源的辐射率曲线图。
图10为本申请示例实施例3的辐射源的辐射率曲线图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
特别需要指出的是，针对本申请所做出的类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都被视为包括在本申请。相关人员明显能在不脱离本申请内容、精神和范围内对本文所述的方法和应用进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本申请技术。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。
本申请如未注明具体条件者，均按照常规条件或制造商建议的条件进行，所用原料药或辅料，以及所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
下面对本申请进行详细说明。
红外辐射源作为气体传感器的重要部件，用于辐射特定波长的红外光。目前的红外辐射源多存在以下问题：
辐射峰值波长单一：现有辐射源超材料阵列图案单一，产生单一辐射峰值波长，只能在小范围波段内与一种气体分子的吸收光谱发生响应，但实际使用气体传感器进行监测时，大多需要对多种气体(不少于4种)进行识别与浓度检测，因此，单一辐射峰值波长不能满足复杂环境尤其是多目标气体传感对辐射源的要求。对于该问题，目前多采用调节超材料各层膜厚制造不同辐射源以满足对不同气体的测量精度，但这需要多次沉积、光刻等工艺才能实现，无疑增加了制造成本。
工艺繁琐：目前制备刻蚀掩膜版过程中，均需进行一次光刻工艺。包括涂胶、软烘、对准、曝光、显影等步骤，其中，曝光需要提前制备光刻掩膜版，然而通常每次光刻图案都是不同的，光刻掩膜版大多只使用一次，因此，目前的制备方法在增加制造时间和成本的同时还可能造成掩膜版的浪费。此外，显影步骤需要用到化学显影剂，使光刻涉及到废液处理，若处理不当甚至可能带来环保问题。但若直接利用喷砂颗粒刻蚀光刻胶过程，难以保证刻蚀掩膜版边界清晰，从而增大后续加工出来的背腔的几何形状误差。
几何形状误差大：常见的两种制备背腔结构的方式：一是采用传统纯湿法刻蚀，但其刻蚀速度慢(通常为1μm/min)，且其本质是各向同性刻蚀，控制难度较大，不便于提供刻蚀的停止层，无法精确控制背腔的刻蚀深度，难以实现高深宽比和侧壁倾角，所制备出来的背腔几何形状误差大、良率低；二是采用纯喷砂工艺，由于砂材颗粒速度很快(最高可达1000μm/min)，在进行微小尺寸(通常不超过20μm)减薄时控制难度较大，增大基底上方材料被刻穿的风险，造成整个器件的损坏；还由于砂材颗粒在撞击过程中动能会减少，各颗粒的能量损失不同，到达基底材料的速度不一致，导致加工出来的背腔表面粗糙度不均匀、边界不清晰，加工出来的形状与预设图案差别较大。并且，要想实现高深宽比加工，不得不多次使用喷砂颗粒，这更进一步增大了形状误差和整个器件结构被破坏的风险。
本申请的红外辐射源：
本申请所述辐射源至少由四个辐射元件排列而成(以下以四个辐射元件为例进行说明)，可在四种气体的红外吸收峰产生峰值波长。通过控制电路可实现四个辐射元件串行工作，其原理框图如图1所示。
其中，电源模块用作开关控制模块与各辐射元件的供电系统；开关控制模块用于控制各辐射元件工作，通过控制单个辐射元件工作既可以避免多个元件同时工作时由于红外光干涉而导致辐射峰的偏移甚至消失，又可以保证同一时刻只有一个元件工作，延长使用寿命；四个辐射元件用于产生4处红外光的峰值波长。电源模块可以选择外接直流电源或使用电池供电；开关控制模块可以用单片机进行自动控制，也可以直接使用4位拨码开关手动控制工作的辐射元件。
本申请所述辐射源各辐射元件之间的差异仅存在于图案层上图案的形状和大小，其余结构均保持一致，辐射元件剖面图如图2所示。所述辐射元件从结构上包括：石英基底21、加热电极层22、绝缘绝热薄膜23、超材料28(包括金属反射层24、介质层25以及图案层26)、背腔27。
所述石英基底21是辐射元件的支撑主体，其材料为熔融石英，也可以是硼硅酸盐等其他玻璃材料。由于石英的热导率(149w/m·K)较硅的热导率(1w/m·K)低了两个数量级，因此，石英基底辐射源与环境之间的热通量更少，能将更多的热量保留在辐射源中，进一步提高红外辐射强度。
所述熔融石英基底21的强度与硅基底相当，可以满足MEMS工艺和器件对基底强度的要求，也可以相容金属电极图形化的标准MEMS表面工艺。此外，由于石英基底21为绝缘材料，因此，可直接在石英基底上留下支撑部211，而无须在所述石英基底21与加热电极层22之间设置悬浮绝缘层，增强了结构的稳定性。
所述加热电极层22设置于所述石英基底21的表面，其材料为Ti/Pt，其中，Pt用作加热主体材料，Ti用作粘附材料，以增强基底与金属Pt之间的粘附性。
所述石英基底21远离所述加热电极层22的表面设置有空腔27，空腔27可以为六面体、长方体、半球体等形状。
所述绝缘绝热薄膜23设置于加热电极层22的表面，其材料为氧化硅或氮化硅。
所述金属反射层24设置于绝缘绝热薄膜23的表面，所选材料为Ti/Au，其中材料Au在中红外波段具有优异的表面等离子特性，通过选择合适的厚度，可使该层对红外光的透射率T＝0，以达到全反射的效果；Ti用作粘附材料，以增强Au与绝缘绝热薄膜23之间的粘附性。
所述介质层25设置于金属反射层24的表面，所选材料为氧化铝。
所述图案层26位于介质层25的上方，所选材料为Ti/Au，Au的图案在该层周期性排列，Ti用作粘附材料。
本申请所述辐射源超材料图案层形状可以为正方形块与圆形块等如图3所示。
典型的，所述石英基底21的厚度为300至600微米。所述支撑部211的厚度可以5-20微米。
本申请的多通道微型窄带红外辐射源的制备方法，具体制备过程包括(以石英基底为例)：
1、提供石英基底21；所述基底厚度为300-600μm。
2、制备加热电极22：采用光刻和溅射工艺先后在石英基底21正面制备粘附层以及加热层，再进行剥离得到图形化的加热电极22。
可选地，所述粘附层为30-70nm厚的钛金属层，所述加热层为120-180nm厚的铂金属层。
3、制备绝缘层23：先使用PECVD工艺在加热电极22正面沉积绝缘层材料；然后在绝缘层材料上旋涂光刻胶并图案化；刻蚀裸露在外的绝缘层材料，最后去胶得到图案化的绝缘层23。
可选地，所选材料为氧化硅，其厚度为400-600nm。
4、制备金属反射层24和介质层25：首先在制备好绝缘层23的石英基底21正面旋涂光刻胶并进行图案化，然后采用金属溅射工艺溅射粘附层和全反射层，再生长介质层，最后进行去胶得到图案化的金属反射层24与介质层25。
可选地，金属反射层24所选材料为钛/金，其中钛用作粘附层，其厚度为30-50nm；金用作全反射层，其厚度为100-120nm；所述介质层25所选材料为氧化铝，其厚度为60-120nm。
5、制备图案层26：制备光刻掩膜版，在制备好介质层25的石英基底21正面旋涂光刻胶并进行图案化，然后溅射图案层材料，进行剥离得到图形化的图案层26。
可选地，所述图案层26所选材料为钛/金，其厚度为110-130nm。
6、制备刻蚀掩膜层：在石英基底21背离加热电极层22的一侧旋涂PDMS，采用激光加工的方法切割PDMS得到。
可选地，为皮秒短脉冲激光加工，可避免长脉冲激光对材料的热应力而造成破坏型损伤，刻蚀速率为1.1-1.3μm/s。
7、制备背腔结构27：在喷砂刻蚀掩膜的保护下利用喷砂工艺刻蚀裸露出来的石英基底21。
可选地，所述刻蚀深度为280-595μm。所用喷砂颗粒为25μm的氧化铝粉末，刻蚀速率370-380μm/s，喷砂压力为0.1MPa，行进速率为3m/min。
8、对背腔进行修整：采用激光刻蚀减薄石英基底21并进行喷砂刻蚀后的腔体侧壁修饰得到背腔结构27与支撑部211。
可选地，所述支撑部厚度为5-20μm，修饰后的内壁倾斜角范围为70°-85°，可根据实际加工情况调整激光刻蚀速率。
9、去除石英基底21背面的刻蚀掩膜层：采用激光加工的方法去除基底上的刻蚀掩膜。
由于基底具有背腔结构，比较容易利用激光加工的方法选择性去除刻蚀掩膜层。
上述工艺流程中，可以先制备背腔结构，再制备基底正面图案(包括加热电极、绝缘层、金属反射层、介质层以及图案层等)。
最后经过划片得到所述辐射源，其尺寸为10毫米×10毫米(各辐射元件尺寸为5毫米×5毫米)。所述辐射源可以在400℃以上高温工作，可有效用于对甲烷、二氧化氮、二氧化硫、四氟化碳、一氧化氮、丁烷等易燃易爆、有毒有害气体的检测。
实施例1
本申请的多通道微型窄带红外辐射源
基底准备：准备300μm厚的6寸熔融石英晶圆；
制备加热电极：采用光刻和溅射工艺先后在石英基底正面制备粘附层以及加热层，再采用lift-off工艺进行剥离得到图形化的加热电极。其中，所述粘附层为30nm厚的钛金属层，所述加热层为120nm厚的铂金属层；
制备绝缘层：所选材料为氧化硅，其厚度为400nm。先使用PECVD工艺在加热电极正面沉积氧化硅；然后在氧化硅上旋涂2.8μm厚的光刻胶并图案化，所选光刻胶型号为AZ5214E；利用RIE工艺刻蚀裸露在外的氧化硅，最后去胶得到图案化的绝缘层；
制备金属反射层和介质层：金属反射层材料为钛/金，其中钛用作粘附层，其厚度为30nm；金用作全反射层，其厚度为100nm；所述介质层所选材料为氧化铝，其厚度为70nm。首先在制备好绝缘层的石英基底正面旋涂光刻胶并进行图案化，然后采用金属溅射工艺溅射粘附层钛和全反射层金，采用ALD(原子层沉积)工艺生长氧化铝，最后进行去胶得到图案化的金属反射层与介质层；
制备图案层：图案层所选材料为钛/金，其中钛用作粘附层，其厚度为30nm，图案层为金，其厚度为100nm。制备好光刻掩膜版后，在制备好介质层的石英基底正面旋涂光刻胶并进行图案化，然后采用金属溅射工艺溅射一层金，最后采用lift-off工艺进行剥离得到图形化的图案层；
制备刻蚀掩膜层：在石英基底背离加热电极层的一侧旋涂PDMS；采用激光加工的方法切割PDMS得到喷砂刻蚀掩膜，刻蚀速率为1.1μm/s；
制备背腔结构：在喷砂刻蚀掩膜的保护下利用喷砂工艺刻蚀裸露出来的石英基底，刻蚀深度为295μm。所用喷砂颗粒为25μm的氧化铝粉末，刻蚀速率370μm/s，喷砂压力为0.1MPa，行进速率为3m/min；
对背腔进行修整：采用激光刻蚀减薄石英基底并进行喷砂刻蚀后的腔体侧壁修饰得到背腔结构与支撑部，其中，所述支撑部厚度为5μm，修饰后的内壁倾斜角为70°；
去除石英基底背面的刻蚀掩膜层：采用激光加工的方法去除基底上的刻蚀掩膜。由于基底具有背腔结构，比较容易利用激光加工的方法选择性去除刻蚀掩膜层。
其中，超材料图案层形状——圆形块
各辐射元件结构参数及对应的辐射率如表1所示。4个辐射元件之间的超材料各层厚度保持一致，即：金属反射层24的厚度tA为130nm，其中，粘附层钛的厚度为30nm，全反射层金的厚度为100nm；介质层25的厚度tB均为70nm；图案层26的厚度tC均为130nm，其中粘附层钛的厚度为30nm，图案层金的厚度为100nm。所选超材料图案均为直径为D、周期为P的圆形块。
具体地，本实施例所述四通道窄带红外辐射源的辐射率如图6所示：辐射元件1的图案周期P1为2.8μm，直径D1为1.29μm，该超材料阵列在波长4.65μm处达到峰值辐射率0.96，与一氧化碳(CO)气体的红外吸收峰保持一致，可用于对一氧化碳气体的检测，如曲线1所示；辐射元件2的图案周期P2为3μm，直径D2为1.52μm，该超材料阵列在波长5.3μm处达到峰值辐射率0.98，与一氧化氮(NO)气体的红外吸收峰保持一致，可用于对NO气体的检测，如曲线2所示；辐射元件3的图案周期P3为3.4μm，边长D3为2.14μm，该超材料阵列在波长6.17μm处达到峰值辐射率0.99，与二氧化氮(NO2)气体的红外吸收峰保持一致，可用于对NO2气体的检测，如曲线3所示；辐射元件4的图案周期P4为3.8μm，边长D4为2.37μm，该超材料阵列在波长7.35μm处达到峰值辐射率0.93，与二氧化硫(SO2)气体的红外吸收峰保持一致，可用于对二氧化硫气体的检测，如曲线4所示。
表1
实施例2
本申请的多通道微型窄带红外辐射源
基底准备：准备500μm厚的6寸熔融石英晶圆；
制备加热电极：采用光刻和溅射工艺先后在石英基底正面制备粘附层以及加热层，再采用lift-off工艺进行剥离得到图形化的加热电极。其中，所述粘附层为50nm厚的钛金属层，所述加热层为150nm厚的铂金属层；
制备绝缘层：所选材料为氧化硅，其厚度为500nm。先使用PECVD工艺在加热电极正面沉积氧化硅；然后在氧化硅上旋涂2.8μm厚的光刻胶并图案化，所选光刻胶型号为AZ5214E；利用RIE工艺刻蚀裸露在外的氧化硅，最后去胶得到图案化的绝缘层；
制备金属反射层和介质层：金属反射层材料为钛/金，其中钛用作粘附层，其厚度为40nm；金用作全反射层，其厚度为110nm；所述介质层所选材料为氧化铝，其厚度为60nm。首先在制备好绝缘层的石英基底正面旋涂光刻胶并进行图案化，然后采用金属溅射工艺溅射粘附层钛和全反射层金，采用ALD(原子层沉积)工艺生长氧化铝，最后进行去胶得到图案化的金属反射层与介质层；
制备图案层：图案层所选材料为钛/金，钛用作粘附层，其厚度为30nm，金为图案层，其厚度为80nm。制备好光刻掩膜版后，在制备好介质层的石英基底正面旋涂光刻胶并进行图案化，然后采用金属溅射工艺溅射一层金，最后采用lift-off工艺进行剥离得到图形化的图案层；
制备刻蚀掩膜层：在石英基底背离加热电极层的一侧旋涂PDMS；采用激光加工的方法切割PDMS得到喷砂刻蚀掩膜，刻蚀速率为1.2μm/s；
制备背腔结构：在喷砂刻蚀掩膜的保护下利用喷砂工艺刻蚀裸露出来的石英基底，刻蚀深度为490μm。所用喷砂颗粒为25μm的氧化铝粉末，刻蚀速率375μm/s，喷砂压力为0.1MPa，行进速率为3m/min；
对背腔进行修整：采用激光刻蚀减薄石英基底并进行喷砂刻蚀后的腔体侧壁修饰得到背腔结构与支撑部，其中，所述支撑部厚度为10μm，修饰后的内壁倾斜角为80°；
去除石英基底背面的刻蚀掩膜层：采用激光加工的方法去除基底上的刻蚀掩膜。由于基底具有背腔结构，比较容易利用激光加工的方法选择性去除刻蚀掩膜层。
其中，超材料图案层形状——正方形块
各辐射元件结构参数及对应的辐射率如表2所示。
4个辐射元件之间的超材料各层厚度保持一致，即：金属反射层24的厚度tA均为150nm，其中，粘附层钛的厚度为40nm，全反射层金的厚度为110nm；介质层25的厚度tB均为60nm；图案层26的厚度tC均为110nm，其中，粘附层钛的厚度为30nm，图案层金的厚度为80nm。所选超材料图案均为长为L，周期为P的正方形块。
具体地，本实施例所述四通道窄带红外辐射源的辐射率如图6所示：辐射元件1的图案周期P1为2.6μm，边长L1为0.74μm，该超材料阵列在波长3.42μm处达到峰值辐射率0.94，与丁烷(C4H10)气体的红外吸收峰保持一致，可用于对丁烷气体的检测，如曲线5所示；辐射元件2的图案周期P2为2.8μm，边长L2为1.07μm，该超材料阵列在波长4.65μm处达到峰值辐射率0.98，与一氧化碳(CO)气体的红外吸收峰保持一致，可用于对CO气体的检测，如曲线6所示；辐射元件3的图案周期P3为3μm，边长L3为1.25μm，该超材料阵列在波长5.3μm处达到峰值辐射率0.99，与一氧化氮(NO)气体的红外吸收峰保持一致，可用于对NO气体的检测，如曲线7所示；辐射元件4的图案周期P4为3.1μm，边长L4为2.13μm，该超材料阵列在波长7.77μm处达到峰值辐射率0.93，与四氟化碳(CF4)气体的红外吸收峰保持一致，可用于对四氟化碳气体的检测，如曲线8所示。
表2
实施例3
本申请的多通道微型窄带红外辐射源
基底准备：准备600μm厚的6寸熔融石英晶圆；
制备加热电极：采用光刻和溅射工艺先后在石英基底正面制备粘附层以及加热层，再采用lift-off工艺进行剥离得到图形化的加热电极。其中，所述粘附层为70nm厚的钛金属层，所述加热层为180nm厚的铂金属层；
制备绝缘层：所选材料为氧化硅，其厚度为600nm。先使用PECVD工艺在加热电极正面沉积氧化硅；然后在氧化硅上旋涂2.8μm厚的光刻胶并图案化，所选光刻胶型号为AZ5214E；利用RIE工艺刻蚀裸露在外的氧化硅，最后去胶得到图案化的绝缘层；
制备金属反射层和介质层：金属反射层材料为钛/金，其中钛用作粘附层，其厚度为50nm；金用作全反射层，其厚度为120 nm；所述介质层所选材料为氧化铝，其厚度为120nm。首先在制备好绝缘层的石英基底正面旋涂光刻胶并进行图案化，然后采用金属溅射工艺溅射粘附层钛和全反射层金，采用ALD(原子层沉积)工艺生长氧化铝，最后进行去胶得到图案化的金属反射层与介质层；
制备图案层：图案层所选材料为钛/金，其中钛用作粘附层，其厚度为30nm；金为图案层，其厚度为100nm。制备好光刻掩膜版后，在制备好介质层的石英基底正面旋涂光刻胶并进行图案化，然后采用金属溅射工艺溅射一层金，最后采用lift-off工艺进行剥离得到图形化的图案层；
制备刻蚀掩膜层：在石英基底背离加热电极层的一侧旋涂PDMS；采用激光加工的方法切割PDMS得到喷砂刻蚀掩膜，刻蚀速率为1.3μm/s；
制备背腔结构：在喷砂刻蚀掩膜的保护下利用喷砂工艺刻蚀裸露出来的石英基底，刻蚀深度为580μm。所用喷砂颗粒为25μm的氧化铝粉末，刻蚀速率380μm/s，喷砂压力为0.1MPa，行进速率为3m/min；
对背腔进行修整：采用激光刻蚀减薄石英基底并进行喷砂刻蚀后的腔体侧壁修饰得到背腔结构与支撑部，其中，所述支撑部厚度为20μm，修饰后的内壁倾斜角为85°；
去除石英基底背面的刻蚀掩膜层：采用激光加工的方法去除基底上的刻蚀掩膜。由于基底具有背腔结构，比较容易利用激光加工的方法选择性去除刻蚀掩膜层。
其中，超材料图案层形状——正方形块
各辐射元件结构参数及对应的辐射率如表3所示。
4个辐射元件之间的超材料各层厚度保持一致，即：金属反射层24的厚度tA均为170nm，其中，粘附层钛的厚度为50nm，全反射层金的厚度为120nm；介质层25的厚度tB均为120nm；图案层26的厚度tC均为130nm，其中，粘附层钛的厚度为30nm，图案层金的厚度为100nm。所选超材料图案均为长为L，周期为P的正方形块。
具体地，本实施例所述四通道窄带红外辐射源的辐射率如图6所示：辐射元件1的图案周期P1为2.6μm，边长L1为0.72μm，该超材料阵列在波长3.27μm处达到峰值辐射率0.93，与甲烷(CH4)气体的红外吸收峰保持一致，可用于对甲烷气体的检测，如曲线9所示；辐射元件2的图案周期P2为3.4μm，边长L2为1.65μm，该超材料阵列在波长6.17μm处达到峰值辐射率0.91，与二氧化氮(NO2)气体的红外吸收峰保持一致，可用于对NO2气体的检测，如曲线10所示；辐射元件3的图案周期P3为4.4μm，边长L3为2.14μm，该超材料阵列在波长7.35μm处达到峰值辐射率0.99，与二氧化硫(SO2)气体的红外吸收峰保持一致，可用于对SO2气体的检测，如曲线11所示；辐射元件4的图案周期P4为5μm，边长L4为2.34μm，该超材料阵列在波长7.77μm处达到峰值辐射率0.93，与四氟化碳(CF4)气体的红外吸收峰保持一致，可用于对四氟化碳气体的检测，如曲线12所示。
表3
对比例1
一种红外辐射源，以单晶硅作为基底材料，结构包括：
硅基底11、绝缘绝热薄膜(12、14)、加热电极层13、超材料(金属反射层15、中间介质层16、图案层17)、背腔18。
其中，硅基底是器件的支撑主体，绝缘绝热薄膜通常包括下层薄膜12和上层薄膜14两部分。下层薄膜12通常是在硅基底11上生长的氧化硅或氮化硅薄膜，用来绝缘绝热并支撑加热电极层13，并平衡在沉积薄膜工艺加工时产生的残余应力；上层薄膜14通常也是氧化硅或氮化硅薄膜，用于绝缘并减少加热电阻与硅衬底之间的热传导。加热电极13用于发热，提供辐射源所需的工作温度并产生红外辐射，通常是金属薄层。同样，金属反射层15通常也是金属薄层，通过直接调整该层的厚度改变透射率从而间接调整辐射源的辐射率。中间介质层16通常是金属氧化物或半导体，通过加热在金属反射层15与中间介质层16的交界面激发出局域表面等离激元；图案层17通常是周期性排列的金属阵列，对到达该层的红外光起到波长选择作用。由于硅的热导率很高(149W/(m·k))，基底的散热很强。为了减少基底与环境之间的热通量、达到理想的局部辐射效果，通常需要在硅基底背面制作背腔结构18并将该结构上方的基底完全刻蚀，留下悬空的多层薄膜结构，而基底上方的多层薄膜结构的厚度通常只有2μm左右，悬空结构导致了整个器件机械强度低、高温下容易变形不稳定。
按照上述方法制备的辐射源，只有一种尺寸的超材料图案，只能产生一处峰值波长。与之对比，本申请实施例的辐射源可产生4处峰值波长。
对比例2
一种典型的辐射源制备流程包括：在硅基底11上通过PECVD沉积氧化硅薄膜12；旋涂光刻胶19并进行图案化；
通过溅射及lift-off工艺制备加热电极13；采用PECVD工艺在加热电极13正面制备氧化硅薄膜14并进行图案化；
采用溅射及lift-off工艺制备在氧化硅薄膜14正面制备金属反射层15，采用原子层沉积方法在金属反射层15正面制备介质层16，并进行图案化；
采用溅射及lift-off工艺在介质层16正面制备图案层17；在基底背面旋涂光刻胶(SU-8胶)并进行图案化，以备制作背腔结构；
将柔性材料PDMS20涂覆在基底背面；利用机械切削工艺减薄SU-8/PDMS复合结构，直至SU-8图形的下表面完全暴露；经过喷砂处理将SU-8胶去除干净，留下PDMS刻蚀掩膜结构；
对基底进行喷砂刻蚀得到背腔结构18；最后通过湿法刻蚀或机械剥离等方法去除PDMS。
对于该过程刻蚀掩膜版的制备，用到了一次光刻工艺，增加了制造时间和成本。采用纯喷砂工艺制备背腔，虽然提高了刻蚀速率，但相应的，加工出来的背腔与设计的背腔相比几何形状误差较大，产品良率低，无发满足高效率或高精度的加工需求。
各辐射元件结构尺寸及对应的辐射率如表4所示，对比例2的制备方法四个辐射元件的金属反射层、介质层以及图案层厚度不一致，需要多次沉积、溅射工艺步骤才能制备完成。与本申请相比，本申请的制备方法减少了工艺步骤，可以利用一次沉积和溅射工艺制备出可以检测多种气体的辐射源，极大提高了生产效率、降低了制造成本。
关于本申请的方法制备的背腔结构，如图7所示，本申请采用“喷砂+激光”的方法所加工出的背腔精度高、表面质量好且结构清晰，利用激光加工精度高的特点，减少了几何形状误差，比纯湿法刻蚀提高了成品率和深宽比，比纯喷砂刻蚀增加了背腔体积。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种多通道微型窄带红外辐射源，其特征在于，包括：至少四个辐射元件；所述至少四个辐射元件通过电路相连，串行工作；
其中，所述辐射元件包括：基底、加热电极层、绝缘层、超材料和背腔，所述超材料包括：金属反射层、介质层和图案层；
所述至少四个辐射元件之间相同层的厚度一致；
所述基底的一面设有背腔，所述加热电极层位于所述基底远离背腔的一面，所述绝缘层设置在所述加热电极层和所述金属反射层之间，所述介质层设置在所述金属反射层和所述图案层之间；
所述基底包括本体和支撑部，所述支撑部位于所述本体与所述加热电极层之间。
2.根据权利要求1所述的多通道微型窄带红外辐射源，其特征在于，所述基底的材料选自：熔融石英或硼硅酸盐。
3.根据权利要求1所述的多通道微型窄带红外辐射源，其特征在于，所述加热电极层的材料包括Ti/Pt；所述加热电极层厚度为150-250nm。
4.根据权利要求1所述的多通道微型窄带红外辐射源，其特征在于，所述绝缘层的材料选自：氧化硅或氮化硅；所述绝缘层厚度为400-600nm。
5.根据权利要求1所述的多通道微型窄带红外辐射源，其特征在于，所述金属反射层的材料包括Ti/Au；所述金属反射层厚度为130-170nm。
6.根据权利要求1所述的多通道微型窄带红外辐射源，其特征在于，所述介质层材料包括氧化铝；所述介质层厚度为60-120nm。
7.根据权利要求1所述的多通道微型窄带红外辐射源，其特征在于，所述图案层材料包括Ti/Au；所述图案层厚度为110-130nm。
8.根据权利要求1所述的多通道微型窄带红外辐射源，其特征在于，
所述背腔内壁倾斜角范围为70°-85°；
优选地，所述基底的厚度为300-600μm；
所述支撑部的厚度5-20μm。
9.一种权利要求1-8任一所述的多通道微型窄带红外辐射源的制备方法，其特征在于，包括：
制备加热电极层：准备基底材料，在基底表面制备粘附层以及加热层；
制备绝缘层：在加热电极层表面制备绝缘层；
制备金属反射层和介质层：在绝缘层表面制备金属反射层与介质层；
制备图案层：在介质层表面制备图案层；
制备刻蚀掩膜层：采用激光刻蚀的方法在基底远离粘附层的表面制备刻蚀掩膜；
制备背腔结构：采用喷砂刻蚀+激光刻蚀的方法在基底远离粘附层的表面制备背腔。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，还包括：去除刻蚀掩膜层：采用激光加工或打磨的方法去除基底上的刻蚀掩膜；
优选地，所述背腔的刻蚀深度为280-595μm。
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