基于纳米铂黑材料的超高辐射率MEMS红外光源研究

本文基于微机电系统(MEMS)设计和加工技术,研制了一种高辐射率、低功耗、高调制速率的MEMS红外(IR)光源,通过在工艺中引入高可靠的纳米铂黑(Pt-black)材料作为红外辐射层,在2~14μm光谱范围内成功实现了99.5%以上的平均辐射效率。在5V驱动电压下,该MEMS红外光源的辐射区温度达到407℃,响应时间(T90)为17ms,在10Hz和100Hz工作频率下的调制深度分别达到100%和42%。最后,把该MEMS红外光源芯片集成在一种微型二氧化碳(CO_(2))气体传感器样机中进行了实验验证,结果表明:该器件具备良好的辐射特性和温度特性。该MEMS红外光源可以用于常规的CO_(2)和甲烷(CH_(4))气体检测,以及二氧化硫(SO_(2))、硫化氢(H_(2)S)、六氟化硫(SF_(6))、氨气(NH_(3))等多种工业气体检测。

CMOS红外光源的设计与实现

基于红外气体传感器微型化、低成本和低功耗的发展需要,设计了一种用于非色散红外(NDIR)集成气体传感器的互补金属氧化物半导体(CMOS)红外光源。它以非等间隔的蛇形钨(W)薄膜电阻作为加热丝,以二氧化硅(SiO_(2))和氮化硅(Si_(3)N_(4))多层复合介质薄膜为支撑形成悬空膜片式微热板,以氧化铜(CuO)和二氧化锰(MnO_(2))纳米材料复合薄膜作为辐射增强层。基于COMSOL软件进行了热电耦合仿真,证明结构设计合理性。采用标准CMOS工艺、硅(Si)的深刻蚀工艺以及静电流体动力学打印技术流片制造了该CMOS红外光源芯片。性能测试结果表明:该红外光源从室温升温至469℃的热响应时间约为41 ms,电功耗仅为138 mW,辐射区温度分布均匀,引入辐射增强层使表面比辐射率提高约35%,红外光源的辐射功率和红外光谱辐射强度测试结果表明:该涂层有效地增强了红外辐射。

低功耗检测CO_(2)的MEMS红外光源结构设计与仿真

传统的二氧化碳传感器存在着体积大、功耗高等问题,近年来随着半导体技术和材料的发展,MEMS技术逐渐成为传感器的研究重点。研究并设计了一种适用于二氧化碳传感器的微机电系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)红外光源芯片结构,采用硅(Si)作为基底,氧化硅(SiO_(2))-氮化硅(Si_(3)N_(4))-氧化硅(SiO_(2))作为红外光源的支撑层材料,辐射区的加热电阻采用延展性良好的铂(Pt),以铝(Al)为电极。光源的支撑层采用四轴大圆角悬空结构,极大减少了辐射区热量向衬底的热传导且稳定性较好,通过有限元仿真分析,该光源具有低功耗和结构稳固的特点。

红外光源辐射特性的蒙特卡洛模拟

为满足红外跟踪仿真的高精度、高稳定性设计要求,本文基于蒙特卡洛算法针对红外光源的辐射特性进行了模拟仿真研究。首先,介绍了系统结构和工作原理。接着,以蒙特卡洛方法为基础,对钨丝灯圆柱体光源进行建模,给出光阑处的辐照度精确分布,为建立光阑通光口径的非线性控制函数提供依据。然后,分析了不同条件下蒙特卡洛算法的准确度,并研究了装配位置对系统光能利用率的影响。仿真结果表明:在旋转抛物面反射镜的焦点外存在一个最佳的光源装配位置;在装配过程中,允许的轴向偏移为0.1 mm,垂轴偏移为0.1 mm,角度偏移为2°。该系统满足了红外跟踪仿真的稳定可靠、高精度要求。同时,本文所采用的分析方法对其他红外光源的优化设计也有借鉴作用。

基于微机电系统红外光源的长光程气体检测

针对红外气体传感器对光源的要求,选用了一种宽波长、高调制频率、低功耗的小体积微机电系统(micro-electro-mechanic system,MEMS)红外光源作为辐射源,其各项性能均能很好的满足红外传感系统对于光源的要求。由于其面光源的朗伯辐射特性,整形之后的红外光数值孔径仍然很大,采用传统的长光程气室结构很难实现长光程从而提高系统的检测灵敏度。本文结合双波长单光路的差分检测方法,设计了一种基于积分球特性的吸收气室,有效地解决了MEMS红外光源在高灵敏度气体检测应用中难于实现长光程的问题;并运用光在传输过程中光通量守恒的原理,推导了此积分球吸收气室的等效光程,解决了积分球气室等效光程计算的难题;同时采用FPGA主控芯片对MEMS红外光源进行高频调制并处理探测器的输出信号,使得外围电路的设计更加简单、灵活。设计中,使用直径为5 cm的积分球吸收气室便可实现166.7 cm的等效光程,研究结果显示系统可测得的最小甲烷浓度达0.001×10^(-6),极大地提高了红外检测系统的灵敏度。

一种基于脉冲红外光源和折叠光路的微小型红外光谱仪

设计了一种不同于传统光栅扫描型光谱仪的新型微小型红外光谱仪。该光谱仪采用灵敏度高且体积小巧的非致冷红外探测器LiTaO3，在光路上直接采用MEMS脉冲红外光源，从而去掉了传统机械斩波器，并通过折叠光路进一步减小光谱仪体积。初步结果显示，所设计的微小型红外光谱仪的方法是可行的，工作波段2000-5000m，光谱带宽45nm，可用来分析塑料薄膜、生物液体以及环境大气在内的样品。

MEMS红外光源研究及其应用

首先介绍了红外光源的类型,从波长范围、调制频率、输出功率以及制作成本等方面比较了三种不同类型红外光源的优缺点。分析了基于微机电系统(MEMS)加工技术的红外光源工作原理和类型。系统综述了MEMS红外光源的国内外研究现状,包括不同辐射层材料和不同结构的MEMS红外光源。详细描述了MEMS红外光源在红外气体传感器、目标识别装置、红外通信装置中的应用。讨论了其在结构设计和加工过程中存在的高辐射率发光材料的制作、红外光源薄膜热应力的释放以及机械强度低等技术瓶颈问题,并简单展望了MEMS红外光源的未来发展趋势。

中红外光源研究进展

3~5μm中红外激光处于大气的窗口波段,在光谱学、遥感、医疗、环保及军事等诸多领域都有重要的应用价值和前景。因此对该波段激光器的研究是目前国际上的热门课题。简要介绍了3种产生中红外激光的方法,分别为：基于非线性理论技术、量子级联技术以及晶体掺杂离子技术,并分别指出了它们的发展趋势。

MEMS红外光源及应用

针对传统红外光源需要另加调制部件,使得传感体系价高和笨重的不足,利用微电子工艺研制了一种用于便携式非扩散红外气体传感器的电调制红外光源,并对其辐射特性进行了测试。将光源应用于自行搭建的小型红外吸收气体传感系统中,对不同气体体积分数的CO2和SO2气体进行探测,测量精度分别达到20×10-6和50×10-6气体体积分数。重复测量偏差在10%之内,且光源辐射性能稳定,可用于多组分气体探测。

硅基MEMS红外光源光谱特性测试研究

硅基 MEMS 红外光源作为红外应用系统的核心部件，其光学辐射特性直接影响着整个红外装置的性能，然而，国内外对于硅基 MEMS 红外光源的辐射特性尤其是辐射光谱特性未见详细报道，因此，为确定硅基MEMS红外光源的辐射光谱分布，对MEMS红外光源光谱特性进行准确测试是非常必要的。实验采用OL（Optronic Laboratories）系列光谱测量系统对MEMS红外光源进行光谱特性测试，相对辐射光谱测试结果显示该光源的红外光谱波段主要分布在3～5mm，中心波长在3.6mm处，其大气透过率接近90%，具有很好的大气透射度。

基于红外光源的驾驶员眼睛实时监测

眼睛检测是驾驶员疲劳监测系统的关键技术,人眼包含了驾驶员的很多信息,如视线、注意程度、疲劳程度。该文提出了一种不同光照情况下新的实时检测眼睛的方法。通过使用红外光源和基于外观的物体识别技术简化了对眼睛的检测,在不同天气环境下图像特性比较一致,保证了不同气候状况下的亮瞳效应。

MEMS红外光源光谱特性及温度特性测试研究

MEMS红外光源是基于微机电系统(MEMS)制造工艺的红外光源器件,为明确MEMS红外光源的辐射光谱分布特性和温度特性,采用SR5000光谱辐射计对MEMS红外光源进行辐射光谱分布特性测试,所得数据表明所选光源的红外光谱分布主要在3~5μm之间,中心波长位于3.6μm,该波段红外光具有接近90%的大气透过率;采用红外测温仪和热敏电阻对光源辐射体温度进行测试,结果显示所选MEMS红外光源温度特性优良,适用范围广泛。

MEMS红外光源可调制驱动电路设计

针对MEMS红外光源的驱动控制问题,提出了一种基于FPGA和稳压集成电路ADP3336的可调制驱动系统。通过对MEMS红外光源的辐射光谱和驱动特性研究,确定基于可调脉冲方波的直接驱动控制方式;采用FPGA对数字脉冲信号进行占空比和频率的复合调制;采用ADP3336对光源精密稳压驱动,使驱动电压偏差不大于0.1 V,驱动效率达80.1%。该驱动电路实现了对MEMS红外光源大功率、高精度、高效率供能驱动以及深度调制,为这种新型红外光源器件的应用提供了技术基础。

一种基于光子晶体结构的新型MEMS红外光源

结合光子晶体和表面等离子体共轭(surface plasmon resonance,SPR)技术,研究了一种新型的MEMS红外光源.相比传统的红外光源,该新型光源具有红外光谱窄、红外发射峰位置可调等优点.该光源衬底材料为硅,然后在硅表面形成SiO2-Cr-Au结构,并在Si-SiO2-Cr-Au结构表面形成刻蚀深度为2μm、孔间距分别为7μm和8μm(孔直径分别为3.5μm和4μm)等不同的周期性排列圆孔的光子晶体结构.采用有限元时域分析(finite-difference time-domain,FDTD)软件模拟和傅里叶红外光谱仪实际测量的结果表明,该新型MEMS红外光源具有窄的波峰,其反射光谱波谷波长和圆孔间距相近.通过理论推导和FDTD软件模拟,研究了光源光子晶体结构中圆孔深度和透射光谱波峰强度关系.结果表明,圆孔深度为2μm的结构比3μm结构的透射强度更强.透射强度与圆孔深度h在一定范围近似为倒数平方关系,即在一定范围内圆孔越深,透射越弱.

一种驱动和调制红外光源的新设计

利用红外吸收法来分析气体浓度已经被广泛的应用，红外光源经驱动和调制后产生的光强很大，影响了最终的分析结果．在直流稳压源输出的基础上采用了低压差稳压芯片，重新设计了驱动电路，使得驱动电压的精度可达到0．7％，提高了红外光源发出的光强信号的幅值精度．而在光源的调制中采用了电调制方法．利用CPLD、单片机和开关阵列对红外光源进行调制的调制电路，对光源的调制频率可达到110Hz，而且可在10～110Hz之间可以调节．进一步拟制了干扰信号对分析结果的影响，弥补了传统光源调制方法的不足．在设计中还具有占空比可调的功能，使得光源输出的光强的占空比可在25％～75％之间变化．

硅基MEMS红外光源制造及其辐射特性研究

结合现有微机电系统（MEMS）制造工艺加工设计了一种新型的硅基MEMS红外辐射光源,该光源采用辐射功能层悬浮结构,主要包括微米量级多晶硅辐射层、重掺杂单晶硅反射层、二氧化硅保护层、支撑层和金属电极层;采用硼离子注入技术对多晶硅辐射层进行掺杂改性,实现多晶硅辐射层良好的电阻加热和体辐射效应;采用光谱辐射计对MEMS红外光源辐射光谱进行测试,显示光谱辐射波段为2~14μm;光源驱动电压为5.8 V时,电光转化效率达9.76%,光源开启时间约为20 ms,关断时间约为10 ms,总驱动响应时间为30 ms。

面向MEMS红外光源的高辐射率纳米硅结构制备

通过制备面向MEMS红外光源的高辐射率多晶硅纳米柱状结构和单晶硅纳米孔结构,以提升红外源表面辐射率,降低器件功耗。制备方法分别为反应离子刻蚀(reactive-ion-etching,RIE)及等离子浸没离子注入(plasma immerse ion implantation,PIII)工艺对单晶硅以及铝电极掩膜的多晶硅表面调控修饰制备。并对2种纳米硅结构进行了吸收率测试,对铝电极掩膜进行了引线键合破坏拉力测试。测试表明,纳米硅结构在3~5μm波段的辐射率可以达到85%以上,暴露在刻蚀气氛后的铝电极掩膜引线键合强度可以达到器件工艺要求。

一种用于CO_(2)气体传感器的新型MEMS红外光源

基于CO_(2)红外气体传感器微型化、智能化、低功耗的发展要求,创新性地提出一种中心温度为407℃的CO_(2)检测用微电子机械系统(MEMS)红外光源芯片。采用X型悬空桥式微热板结构,内部发热区域以环形走线的钨(W)电极为加热丝,以SiO_(2)和Si_(3)N_(4)双层薄膜作为机械支撑保护层,可防止钨电阻丝氧化并提高寿命。电热耦合有限元仿真分析显示,该光源芯片具有发热区温度分布均匀、热响应时间短、功耗低的优点。采用10.16cm4inchMEMS工艺完成了芯片的流片制造。测试结果表明,该光源芯片在24ms内即可快速升温至工作温度407℃,功耗低至46mW,工作电压为2.85V,工作电流为16.2mA,具有热响应时间快、功耗低、集成度高的特点。

MEMS红外光源定向辐射结构设计与分析

红外光源辐射利用率是制造高性能红外系统的关键,准直透镜因其减少红外光源的广角散射而大幅提高红外光源利用率。针对MEMS红外光源设计CaF2高红外透射材料的双凸曲面结构准直辐射透镜,使红外光线收敛呈准直辐射;由MEMS红外光源封装确定透镜最佳口径r=6.48 mm,透镜焦距f=7.2 mm,透镜厚度d'≤2 mm,用Zemax光学软件仿真优化,得出中间层厚度d=0.309 mm。并进行透镜的聚光光路仿真分析和效果验证,为定向辐射MEMS红外光源研发提供最优的原型尺寸参数,极大提高设计效率。

基于ARM-Linux平台的红外光源视频采集的实现

介绍了在嵌入式Linux系统平台上进行视频采集所需的软硬件环境,研究了在红外光源下实现高质量、高帧率视频采集的方法,以及实现过程中所遇到困难的解决过程,最后讨论了该系统的性能和该项技术的应用前景.