TW202239261A - 紅外線輻射器元件和方法 - Google Patents

Abstract

IR輻射器元件(1)，適合用作氣體感測器、IR光譜儀或電子顯微鏡中的微型紅外發射器(微型熱板)。微型熱板包括由多個支撐臂(4)支撐的板(2)。板和臂被製造為包括單一連續件的導電耐火陶瓷片(例如碳化鉿(HfC)或碳化鉭鉿(TaHfC))的微機電系統裝置。每個臂(4)除了對板(2)提供結構懸臂支撐之外，還作為用於板(2)的加熱元件。藉由在臂(4)上施加電壓來加熱板(2)。臂(4)也可以成形為吸收在加熱及冷卻臂與板的期間出現的熱機械應力。例如，該板可具有小於0.05mm²的面積，且具有厚度為板(2)的最大尺寸的1%至10%。例如可被加熱至4000K或更高，然後以0.5ms的較小占空比再次冷卻，藉此允許在高達2kHz的頻率下進行脈衝操作。其小尺寸(10至200μm)和低功耗(例如10至100mW)使該微型電熱板適合用於微型裝置或電池供電裝置，例如行動電話，中的低溫應用。

Description

紅外線輻射器元件和方法

本發明係有關於一種微機電系統(MEMS)的熱板的領域，如可用於例如一用於氣體感測器或紅外線光譜儀的紅外線發射器。本發明特別但並非互斥地有關於用於在超過2000K，或超過3000K的溫度，例如以1kHz或甚至2kHz或更高的頻率的脈衝方式發出寬頻帶紅外線輻射的輻射器元件。

微機電系統的微熱板是作為在近紅外線或中紅外線的光譜範圍內的紅外線發射器用於此種發散應用，如紅外線光譜儀，其照射用於氣體感測，如用於化學平台的熱板，或如插置於穿透式電子顯微鏡(TEM)或掃描式電子顯微鏡(SEM)的熱板。目前所知的裝置能夠在達到大約100Hz的脈衝率操作。有需求提高這種裝置的操作頻率及/或降低這種裝置的能耗，但是對紅外線的發射特性不會打折扣。

已公開的專利申請案EP2848914A1及WO2013183203A1敘述了發射裝置，其中一電阻層係形成於一絕緣件。熱產生於電阻層，而且金屬連接器提供了電能及不顯著的熱能於該板件。在每個例子中，該裝置的製造相當複雜，且發射器的發射特性受限於多個作用在電阻層的互相衝突的特性，包括其片電阻、發射率及熔點。

美國專利US6297511敘述一個微機電系統的紅外線發射器，其中輻射元件為一懸吊的膜片，其形成一電阻性導電層夾在兩個絕緣層間的如三明治般的結構。

由Kook-Nyung Lee等作者在期刊「Micromechanics and Microengineeringvol.19(2009)115011(8pp)」所發表的論文「A high-temperature MEMS heater using suspended silicon structures」敘述一微機電系統熱板，其中懸吊的矽臂係放置在鉑線的上方，鉑線係做為電阻性加熱件。在這篇論文所描述的裝置能夠在高達1300K的溫度以脈衝率100Hz操作。美國專利US7968848描述一種類似的具有懸吊的矽輻射元件的加熱器。

在一篇標題為「A molybdenum MEMS microhotplate for high-temperature operation」由L.Mele等作者在期刊Sensors and Actuators A 188(2012)pp173-180發表由Elsevier出版的論文中，鉬被提出作為加熱件材料而被濺鍍於氮化矽的絕緣層上。雖然鉬具有高熔點(2966K)，但其操作溫度被其他所使用的材料限制，如矽及氮化矽，其分別在溫度到達1600K及2000K時降低性能。理論上，現有的紅外線發射器可以在大約1300K以上操作，但由於實際操作的理由，其係於比此溫度更低的溫度操作(例如達到1000K)。此操作溫度的上限對於一給定能耗所產生的紅外線輻射的強度及頻寬產生限制。

藉由在矽板上塗佈金屬(例如銀)然後利用板的電阻支撐彈片中產生的熱量來加熱板使金屬蒸發而提供金屬原子源的技術是已知的。Han Han等人發表由Nanoscale，2015，7，10735出版的論文「Programmable solid state atom sources for nanofabrication」中描述了這種技術。MEMS蒸發器包括一個由兩個多晶矽彈簧支撐的多晶矽板，當電流通過這兩個多晶矽彈簧時，其作用為電阻性 加熱元件。金屬沉積在多晶矽板上，通過薄的Al₂O₃覆層可防止與金屬發生共晶交互作用。被加熱的板提供了例如用於奈米光刻的金屬原子源。沉積的金屬還用於將來自兩個彈簧的熱量分佈到整個板上。在該文件中沒有建議覆有金屬的板適合用作微型熱板紅外線發射器。

現有技術中能在3000K產生紅外線的宏觀鹵素源是可用的，但是其為大型、高功率且笨重的設備。

本發明旨在克服至少一些現有技術的缺點。特別是與現有技術的輻射器相比，需要一種對於給定的輻射功率可以在更小的區域中製造的輻射器設備，該現有技術的輻射器具有較小的熱容量和/或可以以更高的頻率工作。為此，根據本發明的輻射器裝置係在所附請求項1中描述，在請求項14中描述了根據本發明的產生紅外線輻射的方法，並且在請求項16中描述了根據本發明的一種製造方法。在附屬的請求項中描述了本發明的更進一步的變型。

藉由使用可顯著提高工作溫度上限的材料，可大幅地提高發射輻射的強度，如與總IR功率相關的史蒂芬-波茲曼定律和與光譜密度相關的普朗克定律所描述者。因此，對於給定的輻射功率而言，可大幅地減小輻射板件的面積，可減少功耗且/或可增加最大加熱/冷卻頻率。發射器的溫度定義了峰值光譜波長。在這種情況下，例如在1000K處的峰值可能在IR中約為3微米。如果將板加熱到4000K，則該峰值位於電磁波譜的可見光部分。使輻射元件的溫度超過了傳統鹵素燈所能達到的溫度，但是使用了MEMS成型因素和可擴展的製造方法。

在高溫下，可能在低溫下相容的材料會發生化學反應，並使設備退化，從而導致設備故障。一個例子是在矽上的金，其形成共晶並將複合材料的熔化溫度降低到攝氏363度，遠低於每種材料的熔化溫度。也可以考慮單一摻雜的材料，但是摻雜在高溫下可能不穩定，因為摻雜劑會擴散到結構中或擴散到結構外，因此改變其熱性質和電性質。單一材料元素不會承受不同的熱應力，該熱應力可能會由於不同組件的不平等熱膨脹而導致裝置故障。這可能導致斷裂，不希望的機械變形以及多材料界面的分層。單一材料解決方案的導致更簡單的製造而需要較少的製造光罩，沉積，蝕刻和/或剝離步驟。

將參考圖式而詳細描述本發明，其中：

1:輻射器

2:板

3:焊墊

4:臂

5:長度

6:寬度

7:厚度

8:基板

9:反射腔

14:窗

15:反射器表面

16:電極/反射器元件

18:紅外線反射塗層

19:手柄

19b:晶片

20:犧牲材料

21:器件層

22:粘合劑

23:墊片

24:間隔件

25:應用裝置

27:真空腔室

29:致動器

22:接合層

30:接點

31:上部部分反射器

32:下部分反射器部

33:腔體區域

28:腔

26:熱板

34、32:導線

36:接觸式加熱元件

40:電壓源

42:控制電子設備

R2、R4:電阻

T_max:最熱點

P_Bth:熱能

P_Pith:熱能

P_IR-radiation:電磁輻射

圖1和圖2分別以等角投影圖及平面圖表示了根據本發明的基本輻射器板的第一簡化示意圖。

圖3以等角投影圖表示了在根據本發明的輻射器裝置的第一示例安裝配置中，圖1和圖2的輻射器形成在基板的凹入的凹進區域上。

圖4和圖5表示了凹入基板的第一和第二變形例沿圖3的軸A-A的示意剖視圖。

圖6以示意平面圖表示了圖1及圖2的輻射器板的第二示例安裝配置。

圖7以示意性平面圖表示了根據本發明的輻射器板的第三示例安裝配置。

圖8以示意性平面圖表示了根據本發明的輻射器的變型的示例，其中加熱器/支撐臂是漸縮的。

圖9以示意性平面圖表示根據本發明的輻射器裝置的另一變形的示例，其中，加熱器/支撐臂形成為具有第一示例構造的彈性元件，用於吸收輻射器板或臂的熱機械膨脹、收縮或其他運動。

圖10以示意性平面圖表示了根據本發明的輻射器裝置的另一變型的示例，其中加熱器/支撐臂形成為具有第二示例構造的彈性元件，用於吸收輻射器板的熱機械膨脹、收縮或其他運動。

圖11以示意性平面圖表示了根據本發明的輻射器裝置的另一變型的示例，其中，加熱器/支撐臂形成為具有第三示例構造的彈性元件，用於吸收輻射器板的熱機械膨脹、收縮或其他運動。

圖12和圖13分別以等角投影圖及平面圖表示了根據本發明的輻射器裝置的另一變型。

圖14以示意性平面圖表示了根據本發明的輻射器的另一變型的示例，其中，加熱器/支撐臂形成為具有另一示例構造的彈性元件，用於吸收輻射器板的熱機械膨脹、收縮或其他運動。

圖15表示根據本發明的輻射器的另一變型的示例，其中多個支撐臂連接到共同支架。該圖還表示如何藉由脈衝寬度調變訊號、電壓源或電流源來驅動本發明的輻射器裝置。

圖16表示用於圖15中所示的輻射器的變體的等效電阻電路的示例。連接器3例如處於設定電動勢或接地電動勢或接近這些電動勢。八個臂4中的每個臂由電阻R4表示，該電阻通常比R2所示的板2的電阻大得多，較佳係大於10倍，甚至更佳係大於100倍。

圖17表示針對圖15中所示的示例變型例表示的熱流的示例。在全部八個臂4中，較佳地相等地將電能轉換成熱能。這些熱量流到板2上。一些熱以輻射(例如紅外線輻射)的形式離開板。輻射裝置在臂4上的最熱點，由虛線表示，標記為T_max。

圖18表示根據本發明的多個輻射器裝置的陣列配置的示例。

圖19a表示在不同溫度下，根據本發明的輻射器裝置上的溫度分佈的曲線圖。虛線表示元件的邊界，包括連接墊3、臂4和板2。

圖19b表示在不同溫度下，在根據本發明的輻射器裝置上所發射的輻射的強度分佈的曲線圖。虛線表示元件的邊界，包括連接墊3，臂4和板2。

圖19c表示墊3、臂4和板3之間的溫度梯度的曲線圖。虛線指出包括連接墊3、臂4和板2的元件的邊界。

圖20表示不同溫度下光譜輻射率(Rspec.)與發射波長的關係圖。

圖21表示根據本發明的示例性輻射器裝置的位移和溫度相對於時間的曲線圖。

圖22至圖25表示根據本發明的與輻射器結合的微熱板紅外線發射器構造的變型。

圖26a至26g表示了用於製造包括根據本發明的輻射器的紅外線發射器的示例性製造過程。

圖26h表示本發明的製造晶片的變型，其中在圖26g所示的紅外線發射器上製造了應用裝置。

圖27表示結合有根據本發明的輻射板的法布里-珀羅(Fabry-Perot)紅外光譜儀應用裝置的第一示例。

圖28表示結合有根據本發明的輻射器的法布里-珀羅(Fabry-Perot)紅外光譜儀應用裝置的第二示例。

應當注意者為所提供的圖式僅是為了幫助理解本發明的原理，而不應視為限制所尋求的保護範圍。在不同圖式中使用相同的符號的情況下，這些符號旨在指示相似或等同的特徵。但是，不應假定使用不同的附圖標記是打算表示其所參照的特徵間的任何特定差異程度。

本文中使用的術語「導電耐火材料」是指電阻率小於1歐姆．厘米，導熱率在10W/mK至2200W/mK範圍內並且可以加熱的無機材料。(至少短時間(例如10毫秒))到高溫(即超過700K或超過1000K或超過1600K)或非常高的溫度(即溫度超過1600K，或較佳地超過2000K，或更加地超過2500K，或又更加地超過3000K)而不會有顯著程度的劣化或改變。耐火材料的楊氏模數可能在100至1000GPa的範圍內，而彎曲強度可能會超過100MPa，除非另有說明，所有材料性能值均在室溫下得出，合適的材料包括矽、碳的同素異形體，例如石墨、金剛石(摻雜)、石墨烯、富勒烯、碳納米管(CNT)以及富勒烯或CNT沉積物(單晶或全晶芳烴金屬複合物)或導電耐火陶瓷，例如碳化鉿，碳化鉭，碳化鉭鉿，碳化鎢，碳化鈦，碳化鈮，硼化鉿，氮化鉿或氮化鉭，或上述化合物的任何分數組合，例如Hf_0.98C。可以根據需要任選地對其摻雜，以提供如下所述的用於加熱的電性能。

本文中使用的術語「微熱板」是指提供非常小、非常熱的表面和/或非常小、非常強的紅外輻射源(IR發射器)的微型組件。術語「輻射器」， 「輻射器裝置」和「輻射器元件」指的是很小的板狀或其他結構，其被併入諸如IR發射器裝置的微熱板裝置中並被加熱以產生所需的強紅外光。輻射板可具有例如小於0.1mm²或小於0.05mm²的面積。

已經相對於其在寬帶紅外輻射的產生中的應用描述了本發明。然而，本發明的輻射器裝置可以用於發射可見光譜的光，作為紅外線的補充或替代。將本發明的原理應用於產生可見光可以被認為是不同的發明。

圖1和圖2表示了適合用作IR發射器的輻射器元件的輻射器1的第一示例。除非另有說明，否則關於該示例描述的原理和特徵也適用於以下描述的其他示例，並且通常也適用於本發明的其他變體。輻射器1包括如上所述的由導電耐火材料製成的結構2(在該示例中為正方形、矩形或平行四邊形板)。如將要描述的，輻射體的材料可以部分(焊墊3)生長或沉積在基板上，部分(板2和臂4)生長或沉積在隨後被移除的犧牲材料上，例如其係使用已知的半導體製造技術將其去除。碳化鉿已經過測試和/或模擬，發現具有合適的熱機械性能(例如，足夠的熱導率和電導率、熱和化學穩定性以及足夠的彈性)，可用於製造輻射器元件1。

為了在上述高溫範圍內操作，輻射器1可以有利地容納在真空中或稀有惰性氣體中。板2的尺寸可以在2至500μm之間(在該示例中，正方形/矩形/平行四邊形的一側的長度)，並且可以具有在正方形的側邊的長度的0.1%至10%之間的厚度(或者例如，如果不為正方形，則為平板最長尺寸的一半)。儘管表示為具有均勻厚度的連續的平面材料片，但是結構2也可以形成為具有非平面(例如凹陷)形狀和/或具有不同的拓撲結構，例如網格或梯形或蛇形構造，或者具有穿孔或表面特徵或紋理。例如，可以添加這樣的表面特徵或紋理以改 善表面的發射率。在圖1至圖3中表示了正方形板，但是實際上該板可以是任何方便的形狀。例如，其可為圓形、三角形、正方形或多邊形。如圖所示，板2和臂4可以是共面的，或者其可為非共面的。臂4可以形成為使得板2從焊墊3的平面垂直地偏移，使得當焊墊與基板8接觸時，板升高到基板8的水平上方。被描述為具有很小的偏差。這對於吸收加熱和冷卻過程中的熱機械位移可能是必要的。然而，該圖式僅是為了易於理解本發明。實際上，如下文將要討論的，可能需要臂4的其他形狀和配置以便提供足夠的運動吸收。

板2由多個臂4(例如在所示的示例中為四個)支撐，該多個臂4也稱為支撐元件或彈簧或加熱器或加熱器彈簧，其延伸於板2和連接墊3之間。如與圖3相關的敘述，連接墊3被設計成提供到基板的機械連接，使得板僅由臂4和墊3相對於基板支撐。連接墊3提供到臂4的電連接，且因而電連接至板2。板2、墊3和臂4較佳地由單塊連續的材料製成。該材料可以具有均勻的體電阻率，或者可以具有在輻射器1的不同部分中不同的體電阻率。例如，臂4的材料可以被摻雜或以其他方式處理以賦予臂較低的體電阻率。臂材料的體電阻率可以較佳地例如在10^-5至0.1Ohm cm的範圍內。在圖1所示的示例中，每個臂4具有長度5，寬度6和厚度7，以及比板2的橫截面小得多的橫截面。寬度6和厚度7可以有利地是為了改善穩定性而具有長寬比(厚度：寬度)在1：10和1：1之間。例如，臂長可以在5至200μm之間，或者較佳地在10至150μm之間，或者更佳地在15至80μm之間。厚度可以例如在0.1至5μm之間，或更佳地在1至3μm之間。臂的最窄部分的寬度例如可小至0.1μm或大至20μm或更大。在單層材料(例如石墨烯)的情況下，板2和臂4的厚度可以是只與單層(如果堆疊了多層，則為單層的堆疊)一樣厚。

在臂4的兩個外端之間施加電壓(例如，藉由電連接至連接墊3)導致臂4中的歐姆加熱產生熱量。臂4熱連接至輻射器板2。懸掛在真空中的輻射板2可以作為在臂4中產生的熱量的吸收器。在較高的溫度(例如3000K至4000K)下，在臂4中產生而以紅外線輻射至板2的熱的比例增加。

圖3表示如何將圖1和2的輻射器1安裝或製造在基板8上，使得在其下方具有凹入的凹部9。例如，可以使用已知的半導體製造技術來形成這種結構。如下所述，凹入凹槽9可以形成有光滑的彎曲(例如，拋物線形)表面，如圖4所示，或者可以具有不同的形狀，例如圖5所示的成角度的壁。將來自板2的IR輻射直接向外(遠離基板8)引導，藉此增強微熱板組件的淨輻射功率。此可藉由反射表面或塗覆層15來達成。

圖1至5所示的示例具有四個加熱器臂/彈簧。但是，彈簧(臂4)的數量可以在2到16或更多的範圍內。該數目較佳地可為偶數，由於其使得更容易平衡輸入和輸出電流並因此達成更均勻的熱分佈。如上所述，在臂中產生的熱量被傳導到板2。實驗和模擬表現出，此示例中的板可以在0.2到0.5毫秒內達到熱穩定狀態，這意味著溫度可在2kHz到5kHz進行調變。如果將板2做得更小，則操作頻率可能為50kHz，甚至100kHz。

該板的總功耗可以低至每塊板10mW或高至1W，例如，視輻射器的配置及板的尺寸而定。

機械共振約為1MHz的數量級，這意味著該器件對所有典型的外部振動和衝擊不敏感。該值可以更高或更低，具體視裝置的幾何形狀及其製作所選的材料而定。機械模式可以高於1kHz，或者較佳地大於10kHz，或者更佳地大於100kHz，使得例如當設備掉落時，該結構能夠承受由於撞擊所引起的衝擊。

圖6表示了用於將輻射器1安裝到基板8上的替代配置。在這種情況下，基板8可以被塗覆或拋光而有反射表面或層15，並且焊墊3被形成或安裝在間隔件23上，該間隔件23作用為將板2保持遠離基板8。臂4用波浪線象徵性地表示，但是這些符號通常旨在對應於可以使用的加熱器/彈簧臂的任何變型。間隔件23可以由與用於將器件材料與基板8分離的犧牲層相同的材料製成，或者替代地，其可由較佳具有高導熱率的單獨的絕緣或導電材料製成。

圖7表示了另一變型，其中，代替圖6的間隔件23，墊3被成形為提供從基板8及反射表面/層15的所希望的垂直偏移。

圖8表示了輻射器1的變型，其中臂4的電阻在靠近板2處增加。這可藉由使臂4的橫截面面積逐漸變細(例如，如圖所示使寬度6逐漸變細)和/或藉由對臂4的材料進行可變摻雜而達成，以增加臂4的材料朝向板2的位置的體電阻率。電阻的局部增大意味著板附近的歐姆加熱的局部增大，因此所產生的熱量中較大部分流入板中。電阻的這種變細可以用於本發明的輻射器的任何變型中。

圖9至圖11表示了輻射器元件1的不同變型，其中，臂4建構成吸收板2和/或臂4在加熱和冷卻時的機械變形。諸如HfC之類的難熔陶瓷的熱膨脹係數可以在1至10 x 10^-6/K的範圍內，並且最好以此方式藉由對加熱器/支撐彈簧4進行造型，而產生對此種熱機械運動的餘裕，以提供抵抗伸縮運動的彈性緩衝器。在3500K的溫度變化下，板2可能會膨脹或收縮大約1至3%(在整個板上)。圖9表示了具有較大(例如，跨度為100μm)的八角形板2的變體，而圖10表示了具有較小的(例如，跨度為10至30μm的)八角形板2的變體。在兩個八角形板示 例中，每個連接墊3均藉由兩個臂4連接到板2。在小型板的示例中(圖10)，板2的熱機械變形最小，並且整個板的溫度基本均勻。

圖11表示了另一變型，其中每個墊3藉由兩個臂4連接到板2。提供六個墊3和六個雙臂4，並且板2具有大致圓形的形狀。在板2上切出一些小孔，在這種情況下為圓形，但也可以使用其他形狀，例如正方形或矩形。當移除低於板的材料以創建獨立式結構時，例如此種孔可以在釋放步驟中形成，端視所使用的製造工法而定。此種孔在所提供的任何示例中都是有利的，並且不限於圖11中描繪的實施方式。

在圖9、10和11的示例中，每個連接墊3連接到多個臂4。相反地，圖12和13表示了一種變型，其中每個臂4連接到一個連接墊3。例如，該示例的直徑可以在10μm至200μm之間。在這種情況下，臂4和板2被配置成使得熱機械位移導致板2的旋轉運動。為了在臂4中以最小的應力達成該旋轉運動，臂係沿著平行於板2的外周的旋轉的外圍路徑成形和取向。臂4可任選地包括如圖所示的階梯或偏置部分，以允許臂重疊，從而允許將較長的臂裝配在小的外圍區域中。該示例變型的臂4藉由變窄的徑向部分連接至板，該變窄的徑向部分可例如通過在板2的外圍在徑向部分的任一側上形成凹口而形成。當在墊3上施加電壓時，變窄的徑向部分用作板2的主要加熱源。

圖14和圖15表示了輻射器元件的簡化示意性示例，其原理上與圖12和圖13的變體相似，其中板2基本上是圓形的，並且具有在板2和安裝墊3間延伸的切向彈簧/臂。在圖14的示例中，每個連接墊3通過四個彈簧4連接到板2。通常，提供偶數個臂/彈簧是有利的，因為這使得更容易製造具有平衡的電氣輸入和輸出連接的輻射器。使用大量較短的臂會導致板中的熱量分佈更加均勻，響 應時間更快，但同時也會導致更大的功耗。較大的板通常需要更多的彈簧才能有效地對其進行加熱。較長的彈簧可提供更好的機械應力釋放，但響應時間較慢。如果設備受到衝擊，更長，更薄的彈簧也更容易斷裂。圖14和15的圓形板和切向彈簧在板2加熱和冷卻時導致板2的很小的旋轉運動。圖12、13、14和15中顯示的設備示例的這種旋轉與以前的設備示例相反，在先前的設備示例中，板僅經歷徑向膨脹，並且幾乎沒有觀察到旋轉。

臂4減輕了由熱膨脹產生的機械應力。較佳地應補償板2和臂4的熱膨脹，以確保機械完整性並保持機械、電和熱連續性。在圖9、10和11的示例中，熱膨脹導致臂4隨著其伸長而彎曲，而且板2係徑向地膨脹。在圖12、13、14和15中給出的例子中，板2由於板2的徑向膨脹和臂4的線性膨脹而旋轉。臂4也將彎曲。在圖1的示例中，熱應力將導致高於給定溫度的屈曲。臂4可以具有附加結構，例如但不限於凹口、錐形和蛇形結構，以調節和控制機械變形以及導電性和導熱性。

圖15還表示了連接到脈衝寬度調變訊號10的輻射器1，以及電流源或偏壓電壓源。當以PWM模式驅動時，可以改變PWM佔空比以改變從輻射器發射的IR的溫度和光譜特性。在此示例中，驅動訊號通過PWM訊號定義。較佳地，PWM頻率應該比上述裝置的熱響應時間高10倍或更多倍。作為PWM控制的補充或替代，可以用直流或交流偏壓電壓驅動該裝置，該偏壓電壓通常為1V量級，但可以低至1mV或高至100V，具體視輻射器1的幾何形狀和材料而定。電壓偏壓將使材料相對於溫度的電阻率升高而穩定操作。或者，也可以在直流或交流模式下通過電流偏壓來驅動輻射器。該電流偏置通常將在最高10mA的範圍內 變化，但可能會有所不同，具體取決於輻射器1的幾何形狀或所使用的材料。對於臂4電阻隨溫度升高而降低的設備，電流偏置輻射器1將是穩定的選擇。

可以將其他電極添加到例如圖15所示的輻射器中，以允許在兩個焊墊3之間測量電壓。這可實時監視設備的電阻。在臂4以及板2中，電阻隨溫度變化。添加額外的電極(如圖15所示)可以記錄電壓和電流。由此可以確定電阻，並通過適當的校準將電阻轉換為紅外光譜和強度。這樣的反饋可以用於改善所發射的IR輻射的穩定性。

圖16表示了圖15中描繪的變體的等效電路圖的示例。在該變體中，有多個臂4(表示了八個)連接到板2。一或多個臂4的第一子集。(在此示例中，第一子集中的四個臂)(在此示例中並聯)電連接到左側的第一連接墊3，並且第二個子臂(在此示例中，第二子集中的四個臂)類似地連接並聯連接到右側的第二連接墊3。當第一焊墊3被設置為電動勢V或接近電動勢V，並且第二焊墊3被設置為不同的電動勢，例如地電動勢或接近地電動勢時，這導致電流I從第一焊墊3經由並聯臂4的第一子集、經由板2、且經由並聯臂4的第二子集流到具有較低電勢的第二焊墊3。如果所有臂4為電氣特性相同，則如克希荷夫定律(Kirchhoff’s law)所述，每個臂4中的電流為I/4。因此，在每個臂4中耗散的電功率也相等並且具有R4 I 2/16的值，其中R4是每個臂4的電阻。較佳地，板2的電阻R2顯著低於每個並聯連接子集的電阻，並且遠低於每個獨立臂4的電阻R4。這確保了大部分電能都散佈在臂4中，因而使得流經串聯的墊-臂-板-臂-墊的相互連接配置的電流所產生的大部分熱是在臂中生成的，而在板中生成的則更少。當被看作是焊盤-臂-板-臂-板-焊盤的串聯電路時，每個臂子集的電阻較佳為至少10倍，或更佳為至少50倍或甚至大於或多於至少100倍板的電阻。為了使板2與 基板8或反射表面15之間的靜電相互作用最小化，可以設置在任一墊上的施加電動勢，使得板電動勢2與基板8或反射表面15處於相同電動勢。一個焊墊處於電動勢V/2，而相對的焊墊處於-V/2，則板2的電動勢為0，此較佳亦為基板8和反射表面15的電動勢。

在圖17中，其為圖15中所示的示例變體示意性地說明了產生的功率和熱流。在臂4中將電能P_el轉換為熱能，使臂4成為輻射發射器的最熱點。較佳地，每個臂4上的最熱點靠近板2，如圖17中的T_max所示。這意味著與板2的熱阻相比，通向墊3的熱路徑中的熱阻高。在臂4中產生的熱量中，少量的熱量作為熱能P_Bth流入焊墊3，焊墊3係較佳地處於接近基板溫度的溫度，例如該溫度可以是接近環境溫度。環境溫度可以是室溫，通常為300K，但如果發射器在低溫恆溫器或加熱的環境中運行，則溫度也可以更低或更高。在臂中產生的一些，較佳地或最佳地，大體上整體地，所有的熱能作為P_PIth流到板2上，此處其板2被加熱到希望的溫度。板2上的熱能以電磁輻射P_IR-radiation的形式輻射地發射，例如以帶有一些可見光輻射的紅外輻射的形式輻射。

當發射的熱功率輻射為~T4等級，而從板2和臂4到焊盤3的熱傳導為~T等級時，發射器在更高的溫度下變得更有效率。

圖18顯示了一個IR發射器，該IR發射器包括多個(在此示例中為16個)輻射器元件1組成的陣列，輻射器元件1連接成使得每個輻射器元件可以由單獨的PWM信號驅動。這樣的陣列可以用於例如產生具有特定光譜輪廓的紅外輻射。有效地更大的表面積增加了所產生的IR輻射。藉由選擇打開的輻射器1的數量，可以在不改變光譜的情況下調節強度。單個電源可以使用電晶體來驅 動陣列中的所有輻射器，這些電晶體可以在陣列的每個元件(輻射器1)上設置PWM或電壓或電流信號。

圖19a表示了對於不同的施加電壓(例如，沿著圖3中的軸線A-A)，板的溫度如何在輻射器板兩端變化的示例。x軸顯示了從該軸上的中心點開始測量的距離。y軸表示在沿該軸的相應位置處測量的板2和臂4的溫度。曲線的部分被標記以指出對應的部分(墊3、臂4或板2)。在該示例中，板的直徑或橫向尺寸為大約為70μm，而且臂長為大約為15μm。在所示的三個溫度曲線的每個曲線中，連接墊3的溫度在環境溫度(例如，290至300K)下基本恆定，而臂4中的溫度梯度陡峭，並且板2的整個溫度範圍內或多或少為平坦。在施加1.5V電壓的情況下(在此示例中)，板2的中央區域比加熱/支撐臂內端附近的周邊區域冷，在此處，發生熱量從臂2傳遞板。這是由於在較高的溫度(例如約4000K)下比在較低的溫度下發射的輻射明顯更大(因此具有更大的光功率並因此對板2具有更大的冷卻)的結果。例如，在4000K下的光功率密度可以對應於在0.85發射率下的大約12MWm^-2。在4000K處，在3微米波長處的光譜輻射率比在1000K處大約大了兩個數量級，並且峰值光譜輻射率大約大了三個數量級。

圖19a中所示的曲線對應於普朗克定律(Planck’s law)預測的曲線。另一方面，圖19b顯示了同一輻射器裝置上的輻射強度分佈實際上如何隨溫度變化。將施加的電壓從0.5V提高到1.5V(因此將溫度從大約1600K提高到超過4000K)，其會使發射強度增加兩個數量級以上。

圖19c表示了例如此溫度的溫度梯度如何在整個輻射器裝置上在操作過程中變化的示例，如圖19a和19b中所使用者。在該示例中，溫度梯度在臂4的外部區域中鄰近墊3處的點具有最大值。此係部分由於墊3的溫度遠低於臂 4的溫度，且部分是由於此點的臂的橫截面積小(因此電阻較高)。這兩個因素的總和意味著在此點上存在最大的溫度梯度，但最小的熱能流。在臂4朝向板2的另一端溫度梯度為最小，其由於板2處於或接近希望的發射溫度。在這種狀態下，溫度梯度最小，流出臂並進入板的熱能流率最大，並且從板2輻射的熱能被來自加熱臂4的熱流入所補充。在本說明書中其他地方提到的，用於升高板的溫度的大部分或基本上全部熱量是由臂4中的電阻加熱產生的，而很少或無熱量是由與之相比較低的板2的電阻(與臂相比)產生。

圖20顯示了在不同板溫度下光譜輻射率(y軸，任意單位)如何隨波長(x軸)變化。

圖21表示了在輻射器1的板2的加熱週期期間溫度(左側垂直軸)和熱機械位移(右側垂直軸)如何隨時間變化的示例，如果從時間t=0開始施加電壓偏置作為階躍函數。從曲線可以看出，在該示例中，熱循環可以在約0.3ms內達到穩定。在冷卻階段可以看到相似的速率(未顯示)。

圖22表示了IR發射器的示例，該IR發射器包括製造的輻射器元件，該輻射器元件的輻射板2處於真空包裝中，並且具有IR透明窗14，該窗也用作真空室的封閉物。定向反射器表面15被配置成用於將由板2產生的IR朝著窗14反射。在本發明的所有變型中，如果存在，則反射器表面或層15可以形成在輻射板2下方的凹口9中，並且可以形成在輻射板2下方且/或在輻射板上方結構的側壁上。窗14可以由例如藍寶石、鍺、矽或金剛石製成。窗14的材料可以根據其特定的IR過濾特性來選擇。基板8可以由矽製成，例如，較佳地由具有高導熱率的材料製成。間隔層11和13通常是電絕緣的並且可以由例如較佳具有高導熱率的氧化矽、氮化矽及/或其他介電質或絕緣體製成。添加到11和13的界面的適當 的電絕緣阻障層允許11和13的材料是由如半導體和導體的材料製成，如矽之類的材料。可以通過各向異性蝕刻、灰度光刻或以其他方式去除111和100平面之間的矽以形成與基板8的平面成125.26°的表面來形成反射壁。IR發射器的內部最好抽成10^-3托(Torr)，或最好10^-6托或更高。

窗14除了密封真空室之外還可以選擇性地執行其他功能，例如光學過濾或透鏡化。窗的材料可以部分地限定從裝置發射的IR光譜，並且可以將附加塗層添加到表面以改變反射率和透射率特性。圖23表示了示例，其中窗口14已經被圖案化、模製或以其他方式處理以在其外表面中提供菲涅耳透鏡，以改變發射器IR的聚焦特性。窗14可替代地或另外地被配置為充當IR的特定光譜分量的通過或阻擋濾波器。窗可以被圖案化或摻雜，或在其上沉積材料以形成用於波長選擇和/或光路控制的超材料表面。

圖24表示了一種配置，其中腔室壁具有拋物線形或橢圓形的輪廓，並且其中壁上塗覆有IR反射塗層18，例如金屬層，以提高從窗14離開真空腔室的IR的比例。紅外反射塗層18可包括在所描述的任何變型中。在另一種變型中，圖25表示如何通過例如電容性或熱機械致動器(未表示)使輻射器板2可轉向或可振動。窗可選地被成形和/或塗覆以提供期望的IR發射的光學效果。

圖25所示的轉向裝置可以通過分割反射表面15來實現。增加額外的電導線以連接分段的金屬反射器層15允許在反射器15和板2之間施加電動勢。(臂4)板2可以自由傾斜、傾斜或活塞運動。改變板取向所需的力由電容性力施加(大約為F~ε₀A/d * V²，其中F是力，ε₀是自由空間的介電常數，A和d是導體的面積分段電極與板2之間的電壓差(V是分段反射器與板之間的電壓)。增加節段的數量將影響傾斜/傾斜/活塞板的能力，通常4個節段就足夠了。通常 可以達到10度的機械角度，這可以用於控制發出的光和/或微調設備與其他光學組件的對齊方式。

圖26a至26g表示了可以如何在晶片基板8上以晶片等級製造輻射器以及IR發射器的其他組件的簡化示例。在圖26b中，蝕刻空腔9並且沉積反射(例如金屬)塗層15。然後添加犧牲材料20，使其平坦化且圖案化，在其上形成器件層21(高溫陶瓷)並將其圖案化為構成器件的焊墊3、臂4和板2。在圖26e中，去除了犧牲材料，而使器件層21的每個輻射板都懸在它們各自的反射腔9上方。然後，可以使用手柄24添加窗14，該窗由墊片23支撐並由粘合劑22粘合，在高真空下，如圖26g所示，形成密封的紅外發射器，每個紅外發射器都包括一個包圍著高溫輻射器元件的真空腔室27。然後，頂層(在該示例中為窗14)可以用作進一步的晶圓級製造工藝的基礎。可將應用裝置25直接製造在IR發射器晶片上，或者可將其分開製造，然後對準並結合至IR發射器晶片，以形成具有積體的IR發射器的應用裝置，如圖26h所示。例如，這在使紅外干涉儀或類似應用裝置小型化時很有用。然後可以將各個堆疊的組件(例如，氣體感測器、化學感測器、IR干涉儀等)切割，並封裝於各個表面安裝技術的封裝中或其他分立器件中。在這種小型化水平上，有可能生產出具有IR發射器的應用設備，其占用面積小至300x300μm，甚至更小。

圖26a至26g描述了一種使用兩晶片方法的示例方法，其中一個晶片保持輻射器元件和相關的電子引線，第二個晶片保持間隔件23、IR窗和其他功能性表面(接合層22和吸收氣體的吸氣劑層)。將兩個晶片在真空中粘合且密封，以生成單獨的獨立真空室。在替代的實施方式中，整個堆疊可以堆疊的 方式製造。從圖26e繼續，可以添加另外的間隔物材料並對其進行圖案化，隨後圖案化的吸氣劑材料進行沉積，而得到最後的IR窗14，例如其可由鍺製成。

圖27和28表示了具有集成的高溫陶瓷輻射器板的應用裝置的兩個變體的截面圖。在所示的示例中，應用裝置是包括法布里-珀羅干涉儀(Fabry-Perot Interferometer，FPI)25和IR發射器1的氣體感測器，該IR發射器包括懸浮在真空室27中的凹形槽9上方的耐火陶瓷輻射器板2，該真空室由支撐在間隔件23上的IR透明窗14所氣密密封。在真空下的空腔9具有反射塗層或表面15，用於將由輻射板2產生的IR導引向窗14。接點30允許電連接到輻射器的焊墊3，使得可以在加熱器/支撐彈簧4上施加電壓或電流，藉此將板2加熱到超過1600K、2000K、2500K或甚至高達4000K或更高的溫度。輻射板2、彈簧4和墊3可以由例如HfC或TaC或TaHfC或一些其他合適的耐火陶瓷材料製成。FPI設備25包括上部和下部部分反射器31和32，其共同形成法布里-珀羅諧振腔(Fabry-Perot resonant chamber)並用作光學帶通濾波器。可藉由致動器29以已知的方式藉著將上反射器32移近或遠離下反射器來調整FPI。在圖27所示的變體中，FPI的IR檢測器位於FPI裝置的上封閉件內表面的固定位置。

相比之下，在圖28的變體中，將FPI IR檢測器安裝為與FPI濾鏡25的上反射元件32一起移動。為了與移動反射器一起移動而安裝，不限於與本發明的反射器設備一起使用，並且可以與其他類型的IR發射器一起使用。

在FPI的兩個變體中，當其被實施為氣體/化學感測器時，要被檢測/分析的氣體在腔體區域33中，該腔體區域33包括在兩個部分反射器31和32之間的空間。

FPI 25可以直接製造在IR發射器1的窗口14上，也可以單獨製造，然後對準並結合到IR發射器1的窗口14上。

包括根據本發明的輻射器裝置的IR發射器的其他可能的應用包括邁克爾遜莫利干涉儀(Michelson Morley Interferometer，MMI)。在MMI中，光路與晶片在同一平面內，這允許更長的光路，這對於氣體感測是有利的。

個別裝置及被封裝的裝置

圖29和圖30是包括中心板4，繫繩6和電引線10、12的MEMS熱板元件1的俯視圖和截面圖，該中心板4部分地被金屬化14(通常為Au，Cr/Au或Ti/Pt/Au，如果高溫危險很高，也可能是Pt或W)。板下方的電極16用於諧振致動和檢測，電極16還形成一面鏡子，以便將IR發射反射回設備，從而提高了效率。電極可以由高紅外反射率的材料(例如Au)或吸氣劑材料(例如鈦)製成，以提高真空度。18為絕緣層，如氮化矽。本體19，也稱為手柄，通常是矽。圖31和32與圖29和30近似，但是包括蓋22。該蓋對於IR是透明的但是對氣體是阻擋。典型的材料將是用於NIR應用的藍寶石，或者是MgF₂或CaF₂，以包括高達10微米的更寬的IR波段。其他合適的材料可以包括硫化鋅，鍺或硒化鋅。板4上方和下方的空腔不包括數字。間隔件24可以設定窗的高度並且形成氣密的真空密封。這可以由二氧化矽製成。

用於快速冷卻的下拉裝置

圖33a和33b表示了圖29至32中所述的裝置可能的兩個位置，在該位置中，中心板以靜電方式下拉以接觸電極16。在該配置中，電絕緣間隔元件17被包括在電極16上。中心板和電極之間的電氣短路，也減少了粘連的風險，這可能會阻止板重新調整到其原始位置。間隔元件可以放置在電極上，或者更 好地位於氮化物中切入電極19的孔中。該下拉使得中心板隨著基板溫度快速熱化。

用於發射腔的背面蝕刻裝置

圖34表示了替代封裝構造中的MEMS熱板裝置1的線性陣列。在該實施方式中，手柄19被回蝕以形成腔28的發射側。該腔再次用IR透明窗22氣密密封。在熱板26下方的腔包括電極/反射器元件16。帶有間隔件24的晶片被製造在單獨的晶片19b上，並且被覆晶氣密地接合於包含IR熱板元件的晶片上。

設備和LED

圖35表示了一種很好地熱隔離並且僅包含兩個臂6的裝置。在這種配置中，臂不是加熱元件，但是確實提供了對熱的中央板4的電通路。通過用電磁輻射照射該熱板來對其進行加熱，例如來自LED或雷射發射器34的光。板被熱隔離並且將加熱到非常高的溫度，從而將窄帶輻射作為寬帶IR輻射重新發射。非接觸式加熱元件36包括電接入導線34和32。

具控制電子電路的設備

圖36表示了電子控制電路。儘管標有10V+、10I+、12I-和12V-的電極也可以通過四根引線連接熱板元件進行4探針IV測量。源測量單元20可以對MEMS熱板設備施加電壓或電流偏置，並分別記錄電流或電壓。電壓/電流源可以是直流設定電壓、方波、斜波或任意函數。SMU還可以包括PID反饋迴路，以確保發射器的穩定運行。底部電極16連接到電壓源40，並且可以設置AC或DC電壓以致動垂直於該平面的板。該源可以包括放大器的鎖定以及電壓源，並且可以用於檢測MEMS加熱板元件的諧振頻率。圖37包括用於非接觸式加熱器元 件的控制電子設備42。這可能是LED或激光驅動器模組。再次，包括SMU 20，其可以測量MEMS熱板元件的電阻，其提供關於中心板的溫度的信息。

摻雜磷的多晶矽的IV特性

圖38表示了由磷摻雜的矽製成的電阻加熱的熱板元件的典型IV曲線。功率顯示在右側軸上。在低電流下，響應為線性2。隨著元件加熱，響應變為非線性4，電壓上升更快，隨著熱量的增加，加熱元件的電阻也隨之增加。在甚至更高的電流下，存在一個反轉點6，此後電阻隨著加熱元件的加熱的增加而減小。圖39和40分別表示電壓e相對於電流dV/dI隨電壓和功率的變化，其中圖38中的反轉點在此處表示為加熱元件的差分電阻的峰值或5個最大值6。

1:輻射器

2:板

3:焊墊

4:臂

Claims (18)

1. 一種輻射器裝置(1)，用於紅外線發射器微型熱板，該輻射器裝置(1)包括：

   一紅外線發射器元件(2)，及複數個懸臂樑支持臂(4)，其連接於該發射器元件(2)，其中

   該發射器元件(2)由該臂(4)懸吊，且

   該發射器元件及該臂係以一材料的單一連續件形成。
2. 如請求項1所述的輻射器裝置(1)，其中該發射器元件(2)係由在該臂(4)的電阻性發熱而可加熱至一既定的紅外線發射溫度。
3. 如請求項1或2所述的輻射器裝置(1)，其中該所述紅外線發射溫度係大於700K，或較佳地大於1000K，或較佳地大於1600K，或較佳地大於2000K，或更佳地大於2500K，或還更佳地大於3000K，或又更加地大於3500K。
4. 如請求項1至3的其中之一所述的輻射器裝置(1)，其中該材料為矽。
5. 如請求項4所述的輻射器裝置(1)，其中該材料為導電性陶瓷。
6. 如請求項5所述的輻射器裝置(1)，其中該陶瓷包括碳、HfC、TaHfC或碳化鎢。
7. 如前述請求項的其中之一所述的輻射器裝置(1)，其中該臂(4)的數量是偶數，且該偶數為至少4，或較佳地為至少6，或更佳地至少8。
8. 如前述請求項的其中之一所述的輻射器裝置(1)，其中該臂(4)為可彈性變形，以便於在該發射器元件(2)的加熱或冷卻期間吸收該發射器元件(2)及/或該臂(4)在形狀及/或尺寸的熱機械變化。
9. 如前述請求項的其中之一所述的輻射器裝置(1)，其中每個該臂(4)具有一沿其長度變化的截面，使得其截面積在該臂(4)鄰接於該發射器元件(2)的區域處為最小。
10. 如前述請求項的其中之一所述的輻射器裝置(1)，其中該發射器元件(2)及該臂(4)被包覆於一具有紅外線穿透窗(21)的殼體。
11. 如請求項10所述的輻射器裝置(1)，其中該殼體被抽真空至10^-3托(Torr)，或小於10^-4托，或較佳地小於10^-5托，或更佳地小於10^-6托。
12. 一種氣體感測裝置、壓力感測裝置、氣體分析裝置、紅外線光譜儀、掃描式電子顯微鏡(SEM)或穿透式電子顯微鏡(TEM)，其包括如請求項10或11所述的紅外線發射裝置，或一種紅外線發射裝置，其包括請求項1至9的其中之一的輻射器裝置(1)。
13. 一種可攜式通訊裝置，其包括如請求項12所述的氣體感測裝置、壓力感測裝置、氣體分析裝置、紅外線光譜儀、掃描式電子顯微鏡(SEM)或穿透式電子顯微鏡(TEM)。
14. 一種產生寬頻帶紅外線輻射的方法，其特徵在於：

    使用如請求項10及11所述的紅外線發射裝置或包括如請求項1至9的其中一項所述的輻射器裝置(1)。
15. 如請求項14所述的方法，其更包括橫跨該臂(4)施加一電壓以便於加熱該發射元件(2)至大於700K的溫度，或較佳地大於1000K，或較佳地大於1600K，或較佳地大於2000K，或更佳地大於2500K，或還更佳地大於3000K，或又更加地大於3500K。
16. 如請求項14所述的方法，其包括以大於200Hz的頻率，或較佳地大於700Hz，或更佳地大於1000Hz的脈衝方式施加該電壓。
17. 一種製造紅外線發射裝置的方法，其包括一第一製造程序，其製造多個如請求項1至9的其中之一所述的輻射器裝置(1)於一單片晶圓上。
18. 如請求項17所述的製造紅外線發射裝置的方法，其包括一第二製造程序，每個輻射器裝置(1)對準一應用裝置的一或多個元件，特別是氣體感測裝置、壓力感測裝置、氣體分析裝置、紅外線光譜儀、掃描式電子顯微鏡(SEM)或穿透式電子顯微鏡(TEM)，以便於製造出包括所述每個輻射器裝置(1)的所述應用裝置。

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