基于纳米铂黑材料的超高辐射率MEMS红外光源研究*

树东生，陶继方，，徐茂森，赵 佳，李 炎，张小水

（1.山东大学信息科学与工程学院，山东 青岛 266000；2.山东大学激光与红外系统集成技术教育部重点实验室，山东 青岛 266000；3.汉威科技集团股份有限公司，河南 郑州 450000）

0 引 言

随着国家对精细化工、城市用气安全和大气环境网格监控等领域的重视，产业对气体传感器的需求越来越多。微型红外（infrared，IR）气体传感器作为一类重要的红外光谱分析器件，可以通过检测气体分子对红外特征谱线的吸收，来分析气体的种类和浓度。相比半导体、电化学等气体传感器，红外气体传感器具有量程宽、精度高、寿命长、抗干扰能力强等优点，因此获得广泛应用［1～4］。微型红外光源作为红外气体传感器的核心器件，用于提供中红外光线，目前主要有红外灯泡、中红外发光二极管（LED）、量子级联激光器和微机电系统（MEMS）红外光源4 种方案。其中，红外灯泡具有成本低的优势，但响应慢、辐射率低，通常用于常规二氧化碳（CO2）和甲烷（CH4）2 种气体传感器。中红外LED和量子级联激光器，具有能量谱密度高、调制速度快等优势，但制造成本高、功耗大（需要温控），不适合大规模使用。MEMS 红外光源可以采用半导体批量制造工艺加工，具有红外辐射率高、辐射频谱宽、可靠性高、调制速率快、集成度高等优点，逐步成为微型红外气体传感器的主流光源方案。

MEMS红外光源通常由衬底，加热层和辐射层3 部分组成，通过焦耳热效应产生热量于加热薄膜结构，然后通过辐射层向外辐射红外光，其辐射特性（效率、功耗、可靠性等）基本上由器件的材料和结构决定［5］。其中，厦门大学提出一种基于二氧化硅（SiO2）和氮化硅（Si3N4）复合辐射薄膜的MEMS宽谱红外光源，在2 ～20 μm光谱范围内的平均辐射效率达到80%［6］；Lochbaum A 等人提出一种基于超材料的窄谱辐射光源，用于产生特定波长的辐射谱，可以在后续气体传感器设计中省去滤光片，其辐射率达到99%［7］。为进一步提高MEMS红外光源的辐射效率以及多气体检测能力，基于纳米铂黑（Pt-black）材料和晶圆级电镀方法，研制出了一种低成本、高调制速率、超高辐射率的MEMS红外光源，并成功用于CO2气体浓度检测。

1 基本原理

MEMS红外光源发光基于黑体辐射原理，通过加热电阻对辐射层薄膜进行加热使其向外辐射红外光，其单色辐射出射度与波长和工作温度相关，并遵循普朗克定律［8］

式中T为黑体温度；c为真空中光的传播速度；λ为红外光波长；E（λ，T）为黑体光谱辐射度；k为玻尔兹曼常数；h为普朗克常数。对普朗克定律中辐射度E进行积分，可以得到MEMS红外光源单位面积单位时间内的辐射总能量［9］

式中δ为斯特藩-玻尔兹曼常数。由式（2）可以得出黑体的辐射强度和温度的四次方成正比，因此MEMS 红外光源的辐射温度是辐射强度的关键因素。

在实际中MEMS红外光源的辐射能力要比黑体弱，即灰体辐射，其辐射率ε（物体的单色辐射力和黑体辐射率的比值），可以通过基尔霍夫定律描述［10］，在材料透射率（T）为0的情况下，材料的辐射率（ε）等于吸收率（A），并与反射率（R）相关，描述如下

因此，增加辐射层的吸收率可以增加其辐射率，研究者Li N等人使用氧化石墨烯作为辐射层，在2 ～14 μm 光谱范围内使辐射率达到75%［11］，Ali S Z 等人选择使用涂敷碳纳米管（carbon nanotubes，CNTs），在2 ～14 μm 光谱范围内实现了接近于1 的辐射率［12］。本文选用并研制了耐酸碱、耐高温的纳米铂黑结构作为MEMS 红外光源辐射层，在2 ～14 μm光谱范围内获得了99.5%的辐射率，得益于铂（Pt）材料稳定的电学和化学性质，该器件可以实现低温漂、长寿命［13］。

2 MEMS红外光源设计与仿真

2.1 MEMS红外光源设计

MEMS红外光源设计原则遵循图1 所示，材料选择、加热薄膜结构、电流加载方式和热辐射层结构4 个方面互相响应。其中，光源材料是影响红外光源至关重要的因素，对光源加热薄膜结构，电压和热辐射都会产生影响。电压信号会通过焦耳热加热薄膜结构，然后通过热辐射向外辐射出红外光。

图2 为本文所提出的MEMS 红外光源的基本结构，芯片尺寸为1.8 mm×1.8 mm×0.3 mm，其中有效辐射面积大小为1 mm×1 mm。辐射区域采用SiO2和Si3N4薄膜结构作为支撑，并减少加热电阻和硅衬底之间的热传导损耗，实现MEMS红外光源在低功耗下的高温工作。在薄膜区之外，布局铂导电结构并在上面电镀纳米铂黑结构，用于增强红外辐射。

图2 MEMS红外光源的基本结构

2.2 MEMS红外光源仿真

使用有限元方法对MEMS红外光源3D结构进行仿真优化，分析光源薄膜温度分布和应力分布情况。通过“电-热-力”等多物理场耦合，得到MEMS 红外光源在5 V 电压下的温度场分布，如图3（a）所示。沿中心线AA′的温度分布如图3（b）所示，MEMS 红外光源薄膜中心温度达到454 ℃，温度高于300 ℃的区域宽度为680 μm。MEMS红外光源薄膜的热致形变和应力分布如图4 所示。其中，图4（a）为MEMS红外光源薄膜在热应力下导致的变化位移，从图中可以看出光源中心的最大处位移为4.23 μm；图4（b）为MEMS红外光源中心线的热应力分布，从图中可以得到热应力平均值为203.8 MPa，图中峰值热应力分布在加热电阻和支撑薄膜的交界处，2 个峰值之间的宽度等于加热电阻排列间距，该应力值小于支撑薄膜SiO2和Si3N4的断裂应力大小，可以稳定工作。

图3 MEMS红外光源的热场分析

图4 MEMS红外光源的热致形变和应力分析

3 MEMS红外光源加工

MEMS红外光源的加工流程如图5 所示，具体步骤包括：1）高温热氧化生成10 nm的SiO2，采用低压化学气相沉积（low pressure chemical vapor deposition，LPCVD）方法沉积50 nm Si3N4；2）在晶圆正面，采用等离子增强化学气相沉积（plasma enhanced chemical vapor deposition，PECVD）方法制备Si3N4／SiO2／Si3N4复合支撑薄膜结构，厚度分别为0.2，1.0，0.2 μm；3）通过电子束蒸发钛／铂（Ti／Pt）金属层，厚度分别为10 nm和200 nm，并剥离形成加热电阻丝和电极；4）进行背面曝光，干法刻蚀形成氢氧化钾（KOH）腐蚀窗口；5）电镀沉积纳米铂黑辐射层结构；6）使用KOH溶液在晶圆背面腐蚀出空腔结构，形成悬浮薄膜结构。最后所形成的MEMS红外光源芯片如图6所示。

图5 MEMS红外光源加工流程

图6 MEMS红外光源芯片

4 MEMS红外光源测试与应用验证

4.1 铂黑吸收率测试

为了得到高辐射率纳米铂黑结构，在不同条件下进行电镀纳米铂黑实验。图7（a）为电镀铂黑结构切面视图，铂黑如草型生长在加热铂电阻丝上，图7（b）中电镀纳米铂黑俯视图中，铂黑表面呈现多孔结构，可以使使入射的红外光在内部经多次反射后被材料吸收，进而提高MEMS 红外光源的吸收率。使用傅里叶变换光谱仪，对纳米铂黑层在光谱2 ～14 μm范围内的吸收率进行测试，结果如图8 所示。从图8（a）中可以看出，在电流密度相同时，电镀时间越长，电镀铂黑辐射层的吸收率也越高；从图8（b）中可以发现，电镀时间为140 s时，电镀电流密度为90 mA／cm2的电镀铂黑，其吸收率反而小于50 mA／cm2和70 mA／cm2 时的吸收率，主要原因是当电镀电流密度过大时，电镀过程中水解效应使电镀电流效率降低，导致铂黑变少。

图7 电镀纳米铂黑结构图

图8 不同电镀工艺条件下所形成的纳米铂黑结构，在2 ～14 μm光谱范围内的吸收率测试结果

4.2 MEMS红外光源性能测试

使用六位半万用表测试MEMS 红外光源静态电阻，得到MEMS红外光源电阻值为53 Ω。用直流电源驱动加工MEMS红外光源，测试得到不同驱动电压下MEMS 红外光源的功耗，以及不同功耗下的工作温度，如图9所示。插图是用红外热成像仪所测得到芯片表面的温度分布，温度均匀性较高。

图9 MEMS红外光源功耗与芯片最高温度的关系测试曲线

为测量MEMS红外光源的动态工作特性，采用不同频率的电信号驱动MEMS红外光源，并借助中红外光电探测器测试MEMS红外光源的响应，结果如图10 所示。约定MEMS红外光源辐射光功率由0升到最大辐射功率的90%需要的时间为上升时间（Tup），由最大值降到10%需要的时间为下降时间（Tdown），在此条件下，分析MEMS 红外光源的调制深度m（f），其定义为［14］

图10 MEMS红外光源的动态特性

式中V（f）p-p为光源驱动电压频率为f时，探测器输出峰峰值电压；V（1 Hz）p-p为光源驱动电压频率为1 Hz 下的探测器输出峰峰值电压；图10（a）显示在1 Hz光源驱动电压下光源的辐射响应特性，从中可以测得，MEMS红外光源的上升时间为17 ms，下降时间为5 ms。图10（b）为调制深度测试曲线，当MEMS红外光源工作在10 Hz以内时，调制深度为100%，之后随着调制频率增加，调制深度逐步减小，并在100 Hz时降低到42%。

表1为近年来有关MEMS 红外光源的报道对比，本文的MEMS 红外光源在调制速率、辐射效率等方面，均具有较大优势。虽然CNTs作为辐射材料也能达到接近于1 的辐射效率，但是CNTs在高温下会产生塌陷，因此长时间工作性能并不如铂黑辐射材料。

表1 近年来有关MEMS红外光源的研究

4.3 MEMS红外光源应用验证

将所研制的MEMS 红外光源芯片与MEMS 热电堆红外探测器和微型气室进行集成，形成一个10 mm×10 mm×3 mm的集成红外气体传感器［17］，如图11（a）所示。其中，图11（b）为传感器内部的结构及光路图，MEMS 红外光源发出的红外光平均经过3次反射并穿过气室到达MEMS热电堆红外探测器。图11（c）为红外气体传感器，对不同体积分数CO2气体的响应特性，可以看出：当CO2气体体积分数在0%～14%范围内时，具有明显的响应，其测试结果遵循朗伯-比尔吸收定律。

图11 MEMS红外光源芯片在气体传感器样机中的测试结果

5 结 论

本文提出并研制了一种超高辐射率的高性能MEMS红外光源。在设计环节，通过建立仿真分析模型，对热致位移和芯片热应力进行了详细分析。在加工工艺环节，对核心的纳米铂黑电镀工艺进行了详细研究，通过优化电镀条件开发出吸收率（辐射率）为99.5%以上的高可靠性薄膜结构。所研制的MEMS 红外光源可以在407 ℃下长期工作，其响应时间为17 ms，即使在100 Hz的调制频率下，其调制深度仍有42%。该器件可以用于未来的微型红外气体传感器，并在CO2气体检测中进行了应用验证。综上所述，此MEMS红外光源可以做为关键部件用于工业气体检测，以及红外目标识别、物体搜索等多个领域，在未来的应用中可以发挥重要作用并产生经济价值。