TWI676277B - 光激發式微型熱紅外線放射裝置 - Google Patents

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楊呈尉
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Abstract

一種光激發式微型熱紅外線放射裝置，包含一基板、一發光元件及一熱紅外線放射單元。發光元件設置於基板並包括一出光側。熱紅外線放射單元設置於基板之對應發光元件處，並包括一薄膜結構。薄膜結構具有一緊鄰發光元件之出光側的光吸收膜層，光吸收膜層吸收發光元件發出之光線以升溫放射熱紅外線。

Description

光激發式微型熱紅外線放射裝置
本發明是有關於一種熱紅外線放射裝置，特別是指一種透過發光二極體等發光元件來驅動熱紅外線放射之光激發式微型熱紅外線放射裝置。
通電加熱式的晶片型紅外線發射裝置是藉由通入電能，讓其內部用於放射紅外線的結構升溫發熱，藉以產生紅外線之放射，目前已廣泛運用於非色散型紅外線(non-dispersive infrared，NDIR)之氣體感測器。例如，美國專利公告第7989821號專利、公開第20120267532號專利申請案、公告第8575578號專利，均屬於上述通電加熱式的晶片型紅外線發射裝置。
美國專利公告第7989821號專利提出一種紅外線放射源(infrared source)，該紅外線放射源的磊晶薄膜(EPI membrane)上具有藉由摻雜硼或磷之多晶矽製成以用於放射紅外線的放射部(emitter part)，以及藉由摻雜之多晶矽製成並連接放射部以提供放射部升溫所需電能的導電層(electrical conductive layer)，該導電層接收外部提供的電能後能致使放射部升溫，使得放射部產生紅外線放射。
美國專利公開第20120267532號專利申請案提出一種紅外線放射器(IR sensor)，該紅外線放射器是以相容CMOS製程的方式，在矽基材上的氧化層(buried oxide layer)、介電層(dielectric layer)及鈍化層(passivation layer)中整合 鎢電阻加熱器(tungsten resistive heater)，由鎢電阻加熱器通入電能後讓結構升溫，而產生紅外線放射。
美國專利公告第8575578號專利提出一種晶片級紅外線放射器封裝結構(chip-scale infrared emitter package)，該紅外線放射器封裝結構是在基座(base)上的薄膜層(membrane)設置金屬材質的電阻器(electric resistor)，由該電阻器通入電能讓薄膜層升溫，以產生紅外線放射。
然而，上述通電加熱式的紅外線放射裝置，其施加電能後需要花費較多時間才能讓用於放射紅外線的結構升溫至預定溫度，因此溫度響應速度慢，無法在通電後迅速產生紅外線放射，而且也相當耗費電源。此外，美國專利公開第20120267532號專利申請案及公告第8575578號專利均採用金屬材質的導電結構來傳遞電能至非金屬材質的紅外線放射結構，由於紅外線放射裝置通常是在攝氏數百度的狀態下運作，相互層疊接觸的導電結構及紅外線放射結構容易因為彼此的熱膨脹係數差異過大而產生熱應力，使紅外線放射裝置在長時間的高溫運作狀態下容易因熱應力而產生結構損傷，影響整體運作效能及使用壽命。
因此，本發明之其中一目的，即在提供一種能解決前述問題之光激發式微型熱紅外線放射裝置。
於是，本發明光激發式微型熱紅外線放射裝置在一些實施態樣中，包含一基板、一發光元件及一熱紅外線放射單元。該發光元件設置於該基 板，並包括一遠離該基板的出光側。該熱紅外線放射單元設置於該基板之對應該發光元件處，並包括一薄膜結構。該薄膜結構具有一緊鄰該發光元件之該出光側的光吸收膜層，該光吸收膜層吸收該發光元件發出之光線以升溫放射熱紅外線。
在一些實施態樣中，該熱紅外線放射單元還包括一設置於該基板且形成一容納該發光元件之空腔的基座結構。該薄膜結構係設置於該基座結構且覆蓋該空腔及該發光元件，並包括將該光吸收膜層夾設於內的一第一膜層及一第二膜層。
在一些實施態樣中，其中，該光吸收膜層的材質係選自多晶矽、碳化矽及氮化鎵的其中一者。該第一膜層及該第二膜層的材質係選自氮化矽、碳化矽、氮化鎵、氧化鋯及氧化鎂的至少一者。
在一些實施態樣中，該第一膜層及該第二膜層於鄰近該光吸收膜層的外緣係貫穿形成至少一個用於阻隔熱傳導的鏤空部。
在一些實施態樣中，該光吸收膜層的厚度不小於0.7微米。
在一些實施態樣中，該發光元件為發光二極體晶粒或雷射二極體晶粒。
本發明至少具有以下功效：該光激發式微型熱紅外線放射裝置藉由將該光吸收膜層設置於緊鄰該發光元件之該出光側處，能讓該光吸收膜層吸收發光元件放射出的大多數光能，而能藉由此種光激發機制有效率地讓該光吸收膜層產生熱紅外線放射。此外，根據該光吸收膜層、該第一膜層及該第二膜 層的材質選用，能讓此三者具有相近的熱膨脹係數，即便在高溫狀態下運作也不會因為熱膨脹係數不匹配而產生過大之熱應力，因而能確保該光激發式微型熱紅外線放射裝置的信賴性(Reliability)及使用壽命。另，根據該光吸收膜層、該第一膜層及該第二膜層的厚度配置，能讓入射該薄膜結構的光線絕大部分由該光吸收膜層所吸收，而增進能量轉換效率。再者，該發光元件採用發光二極體晶粒或雷射二極體晶粒等半導體發光元件，不僅體積極小且能在極短時間內完成開啟或關閉的狀態切換，而且該薄膜結構及該光吸收膜層的面積、體積極小，因此該光吸收膜層無論是吸收光能時的溫度上升或減少、停止光能供應後的溫度下降，都能在數毫秒內完成相應的溫度響應，因此該光激發式微型熱紅外線放射裝置不僅能實現為一微型化之裝置，而且能在極短時間內完成啟動、關閉，或是讓以高頻方式切換熱紅外線之放射狀態，有利於滿足各種使用需求。
1‧‧‧光激發式微型熱紅外線放射裝置
2‧‧‧基板
3‧‧‧發光元件
31‧‧‧出光側
4‧‧‧熱紅外線放射單元
41‧‧‧基座結構
411‧‧‧空腔
42‧‧‧薄膜結構
421‧‧‧第一膜層
422‧‧‧第二膜層
423‧‧‧光吸收膜層
424‧‧‧鏤空部
425‧‧‧連結部
本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一側視示意圖，說明本發明光激發式微型熱紅外線放射裝置的一實施例；圖2是一上視圖，說明該光激發式微型熱紅外線放射裝置之一熱紅外線放射單元的實施態樣；圖3是一曲線圖，說明不同溫度下光子能量與吸收係數之對應關係；圖4是一熱顯像圖，說明該光激發式微型熱紅外線放射裝置於運作狀態下 的表面溫度分布；及圖5是一方波信號圖，說明該光激發式微型熱紅外線放射裝置於啟動及關閉時的響應狀態。
參閱圖1與圖2，為本發明光激發式微型熱紅外線放射裝置1之一實施例，該光激發式微型熱紅外線放射裝置1包含一基板2、一發光元件3及一熱紅外線放射單元4。
該基板2為裝載該發光元件3及該熱紅外線放射單元4的基材，例如可使用陶瓷電路板、印刷電路板(PCB)等電路板結構，藉以與外部控制裝置(圖中未繪製)或其他協同運作裝置(圖中未繪製)連接使用，並能作為該發光元件3與外部裝置電性連接的導接媒介。
該發光元件3裝設於該基板2上，並與該基板2電連接，且包括一遠離該基板2的出光側31。本實施例中，該發光元件3例如是採用發光二極體晶粒(LED die)或雷射二極體晶粒(laser diode die)等半導體發光元件之晶粒作為讓該熱紅外線放射單元4升溫的光激發源，因此該發光元件3具有體積小、發光效率高、使用壽命佳、開關響應速度快等特點。在一些實施態樣中，該發光元件3例如可以採用邊長800~1000微米、厚度不大於200微米、主發光波長為0.44微米的覆晶式藍光發光二極體晶粒(flip-chip blue LED die)，採用覆晶式晶粒可省略打線程序(wire bonding)直接將發光元件3藉由焊料接合(solder bonding)方式固定且電連接於該基板2，且藍光發光二極體是目前技術相對成熟的半導體發 光元件，具有穩定的性能表現且成本較低，有助於該光激發式微型熱紅外線放射裝置1的量產商品化。然而根據不同需要，該發光元件3也可以使用覆晶式藍光發光二極體晶粒以外的發光元件，不以上述實施方式為限。
該熱紅外線放射單元4設置於該基板2之對應該發光元件3處，並包括一基座結構41及一薄膜結構42。
該基座結構41設置於該基板2上且圍繞該發光元件3，並於中央位置貫穿形成一能容納該發光元件3之空腔411。該基座結構41是讓該薄膜結構42能設置於間隔該發光元件3之該出光側31處的支撐連結結構，同時也能對該發光元件3提供保護作用。在一實施態樣中，該基座結構41例如是由一厚度300微米的矽晶圓，由連接該基板2的一側經由非等向性濕式蝕刻(anisotropic wet etching)方式形成該空腔411，採用非等向性濕式蝕刻在矽晶圓上製作該空腔411具有速度快、成本低廉並能與現有半導體製程技術相容的優點，而且根據矽晶圓的非等向性濕式蝕刻特性，該空腔411的內壁會如圖1般以向上漸縮的斜面狀呈現。然而，根據不同需要，該空腔411也可以採用例如乾式蝕刻(dry etching)等方式製作成而呈現為垂直的內壁，且該基座結構41也不限於要以矽晶圓加工形成，因此該基座結構41的實施方式不以前述揭露內容為限。
該薄膜結構42設置於該基座結構41上且覆蓋該空腔411及該發光元件3，並緊鄰該發光元件3，具體包括一第一膜層421、一第二膜層422及一光吸收膜層423。該第一膜層421及該第二膜層422例如可採用氮化矽、碳化矽、氮化鎵、氧化鋯或氧化鎂的其中一者或多者製作，兩者係重疊地設置於該基座 結構41上，可作為該光吸收膜層423的保護結構，並於該基座結構41的蝕刻過程中作為蝕刻遮罩(etching mask)。該第一膜層421及該第二膜層422於鄰近該光吸收膜層423的外緣貫穿形成多個用於阻隔熱傳導的鏤空部424，並於該等鏤空部424之間的結構形成多個連結部425，該等連結部425以及該等連結部425以內的該第一膜層421、該第二膜層422、該光吸收膜層423則形成位於該空腔411及該發光元件3上之懸空結構。該光吸收膜層423緊鄰該發光元件3且被夾設於該第一膜層421及該第二膜層422之間，可藉由多晶矽、碳化矽或氮化鎵等材質的其中一者製作，於吸收該發光元件3發出之光線後能升溫產生熱紅外線放射。
在一實施態樣中，該第一膜層421及該第二膜層422的材質為氮化矽並以低壓化學氣相沉積技術(low-pressure chemical vapor deposition，LPCVD)製作，兩者個別的厚度為0.16微米，或者也可以將兩者個別的厚度配置為該發光元件3的發光主波長的四分之一。以光學薄膜來說，薄膜厚度為入射光線之波長的四分之一時，會具有最佳的穿透率，因此如將第一膜層421及該第二膜層422的厚度配置為該發光元件3之主發光波長的四分之一，可讓該發光元件3發出的光線以最高程度穿透該第一膜層421而被該光吸收膜層423吸收，而有效節省能耗。相應於該第一膜層421及該第二膜層422的實施態樣，該光吸收膜層423的材質則選用多晶矽並以低壓化學氣相沉積法，由於矽與氮化矽的熱膨脹係數非常接近，因此在高溫運作狀態下該第一膜層421、該第二膜層422及該光吸收膜層423之間不易因熱膨脹係數不匹配之因素產生過大的熱應力，而能讓該薄膜結構42不會因為高溫運作而容易損壞。此外，由於該第一膜層421、該 第二膜層422及該光吸收膜層423是以氮化矽與多晶矽製作，此等材質的熔點非常高，例如矽的熔點是攝氏1414度，氮化矽的熔點是攝氏1900度，因此以此等材質製作該薄膜結構42，能確保該薄膜結構42係適用於高溫狀態之運作。另，在較佳實施態樣中，該光吸收膜層423的較佳厚度為不小於0.7微米，此厚度範圍可確保入射該光吸收膜層423的光線能最大程度地被吸受，但該光吸收膜層423的厚度不以此為限。
參閱圖1及圖3，其中圖3為不同溫度下光子能量(photon energy)與吸收係數(absorption coefficient)的關係曲線，用於說明前一段落中對於該光吸收膜層423之較佳厚度範圍不小於0.7微米的實施理由，其中，點鍊線是溫度77K的曲線，實線是溫度300K的曲線，虛線是溫度676K的曲線。首先，延續前述說明以該發光元件3的主波長為0.44微米的藍光為例，計算該光吸收膜層423於676K溫度下的吸收係數。根據以下關係式：
Figure TWI676277B_D0001
 其中，E為光子能量，h為普朗克常數，c為光速，λ為波長。對波長0.44微米的光子而言，其光子能量(E)為1.24/0.44
Figure TWI676277B_D0002
2.8(單位為電子伏特，即eV)。對應圖3中溫度676K的曲線上的P點可知，於該光子能量(2.8eV)下相應的吸收係數約為6×104(cm-1)。復根據以下的比爾-朗伯定律(Beer-Lambert law)：I(x)=I0×e-αx其中，x為入射光穿透膜層之厚度，I0為入射光之初始光強度，I(x)為入射光穿透膜層厚度x後之光強度，α為吸收係數。前述說明中本實施例是將該光吸收膜 層423的較佳厚度配置為不小於0.7微米，如以0.7微米作為該光吸收膜層423厚度，以吸收係數α為6×104來計算，則於676K的溫度下波長0.44微米的光線穿透0.7微米厚的該光吸收膜層423之後，光強度I(0.7)約為0.015 I0，也就是說在676K(即攝氏403度)的溫度下，該發光元件3發出之主波長0.44微米的藍光入射厚度0.7微米之該光吸收膜層423後，大約有98.5%會被該光吸收膜層423吸收，若該光吸收膜層423的厚度增加則吸收比例會相應的提升，因此可知本實施例根據該發光元件3之主發光波長及該光吸收膜層423的材質與厚度選用，能最大程度地讓該光吸收膜層423吸收入射之光線，而實現最佳的能量轉換效率。此外，從圖3的三條曲線可知，對於相同的光子能量(即相同波長的入射光線)而言，溫度越高則結構的吸收係數也會對應增加，因此該光吸收膜層423在高於676K的溫度下運作時，會吸收更高比例的入射光線，如此能以更佳的能量轉換效率在被該發光元件3發出的光線激發後放射熱紅外線。然而，要說明的是，根據實際需要，該發光元件3的發光主波長、該光吸收膜層423的厚度配置及材質選用均可對應調整，不以前述揭露內容為限。
參閱圖1及圖4，其中，圖4為該光激發式微型熱紅外線放射裝置1之上視角度的熱影像圖。根據圖4右方的溫度分布比例尺(scale bar)可知，該圖所測得之溫度分布於攝氏32.8~299度之間。圖4中黃、紅、白色分布的正方形區域，大致是該光吸收膜層423的所在區域，最高溫度為攝氏325度，而該光吸收膜層423以外的區域則相對低溫，由此可知對該光吸收膜層423確實能在吸收該發光元件3發出的大部分光線後升溫以放射出熱紅外線。
參閱圖1及圖5，其中，圖5中位於下方的曲線為外部電路供應該發光元件3的方波電源訊號曲線(下稱曲線A)，上方則為以紅外線光強度感測器(TE-cooled detector)同步偵測該光激發式微型熱紅外線放射裝置1之熱紅外線放射狀態的方波信號曲線(下稱曲線B)。該曲線A代表外部電路是以0.6安培的電流供應該發光元件3一持續時間為50毫秒的方波電源。該曲線B則呈現一個上升時間(rise time)為8毫秒、持續時間約50毫秒、下降時間(fall time)為3毫秒的方波信號。從該曲線B可知，由曲線A之電源提供該發光元件3電力後，該光激發式微型熱紅外線放射裝置1能在極短時間內立即產生熱紅外線放射，且在穩定的電源供應下能持續放射具有穩定光強度表現的熱紅外線，而在不供應電源後該光激發式微型熱紅外線放射裝置1的熱紅外線放射也會在極短時間內消失，如此可證明該光激發式微型熱紅外線放射裝置1以極小面積實施該光吸收膜層423，能讓該光吸收膜層423在吸收光能後的溫度上升或是減少(停止)光能供應後的溫度下降都能在極短時間內產生相應的響應，並具備產生穩定強度熱紅外線輸出之性能表現。
綜合前述說明，本發明光激發式微型熱紅外線放射裝置1藉由將該光吸收膜層423設置於緊鄰該發光元件3之該出光側31處，能讓該光吸收膜層423吸收發光元件3所發出的大多數光能，而能高效地藉由光激發機制讓該光吸收膜層423產生熱紅外線放射。此外，根據該薄膜結構42的材質選用及厚度設計，能讓該光吸收膜層423吸收絕大部分的入射光而增進能源轉換效率，並適合在高溫狀態下運作，且該光吸收膜層423及該第一膜層421、該第二膜層422 之間因熱膨脹係數之匹配，不易產生過大之熱應力，能有效提升使用壽命及可靠度。另，由於該發光元件3採用發光二極體晶粒或雷射二極體晶粒等半導體發光元件，不僅體積小且能在極短時間內完成開啟或關閉的狀態切換，而且該薄膜結構42及該光吸收膜層423的面積、體積極小，無論是吸收光能時的溫度上升或減少光能供應後的溫度下降，都能在數毫秒內完成響應，因此該光激發式微型熱紅外線放射裝置1不僅能以實現化為一微型化裝置，而且能在極短時間內完成啟動、關閉，或是讓熱紅外線以高頻方式切換放射狀態，有利於滿足各種使用需求。是故，本發明光激發式微型熱紅外線放射裝置1確實能達到本發明之目的。
惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

Claims (6)

  1. 一種光激發式微型熱紅外線放射裝置，包含：一基板；一發光元件，設置於該基板，並包括一遠離該基板的出光側；及一熱紅外線放射單元，設置於該基板之對應該發光元件處，並包括一薄膜結構，該薄膜結構具有一緊鄰該發光元件之該出光側的光吸收膜層，該光吸收膜層吸收該發光元件發出之光線以升溫放射熱紅外線。
  2. 如請求項1所述之光激發式微型熱紅外線放射裝置，其中，該熱紅外線放射單元還包括一設置於該基板且形成一容納該發光元件之空腔的基座結構，該薄膜結構係設置於該基座結構且覆蓋該空腔及該發光元件，並包括將該光吸收膜層夾設於內的一第一膜層及一第二膜層。
  3. 如請求項2所述之光激發式微型熱紅外線放射裝置，其中，該光吸收膜層的材質係選自多晶矽、碳化矽及氮化鎵的其中一者，該第一膜層及該第二膜層的材質係選自氮化矽、碳化矽、氮化鎵、氧化鋯及氧化鎂的至少一者。
  4. 如請求項2所述之光激發式微型熱紅外線放射裝置，其中，該第一膜層及該第二膜層於鄰近該光吸收膜層的外緣係貫穿形成至少一個用於阻隔熱傳導的鏤空部。
  5. 如請求項1所述之光激發式微型熱紅外線放射裝置，其中，該光吸收膜層的厚度不小於0.7微米。
  6. 如請求項1所述之光激發式微型熱紅外線放射裝置，其中，該發光元件為發光二極體晶粒或雷射二極體晶粒。
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