[发明专利]红外线辐射元件及方法

说明书

本发明涉及一种红外线辐射元件及方法。一种红外辐射元件(1)，适用于气体传感器、红外光谱仪或电子显微镜中的微型红外发射器(微热板)。微热板包括由多个支撑臂(4)支撑的板(2)。板和臂被制造为MEMS器件，包括单个连续的导电耐火陶瓷片，例如碳化铪(HfC)或碳化钽铪(TaHfC)。除了为板(2)提供结构悬臂支撑之外，每个臂(4)还用作板(2)的加热元件。通过在臂(4)上施加电压来加热板(2)。臂(4)也可以成形为吸收在加热和冷却臂和板期间产生的热机械应力。例如，可以将面积小于0.05mm²且厚度为板(2)最大尺寸的1％到10％之间的板加热到4,000K或更高，然后用占空比低至0.5ms，从而允许以高达2kHz的频率进行脉冲操作。其小尺寸(10‑200μm)和低功耗(例如10‑100mW)使微型热板适用于低温应用、小型化设备或电池供电设备(如手机)。

发明领域

本发明涉及微机电系统(MEMS)加热板的领域，例如可以用作例如用于气体传感器或用于IR光谱的红外线(IR)发射器。本发明具体但非排他地涉及用于IR发射器的散热器元件，其能够在超过2000K或超过3000K的温度下发射宽带红外辐射，例如以1kHz或甚至2kHz或更高的频率脉冲。

发明背景

MEMS微型热板用作近红外或中红外光谱范围内的红外发射器，用于各种应用，如红外光谱、气体传感照明、化学平台的热板或透射电子显微镜(TEM)中的热板插件)或扫描电子显微镜(SEM)。目前已知的设备能够以高达约100Hz的脉冲频率运行。需要增加此类设备的工作频率和/或降低功耗，但不损害IR发射特性。

现有技术

公开的专利申请EP2848914A1和WO2013183203A1描述了其中电阻层形成在绝缘体上的发射极器件。在电阻层中产生热量，金属连接器向板提供电但没有显着的热能。在每种情况下，器件的制造都相对复杂，并且发射器的发射特性受到对电阻层特性(包括其薄层电阻、发射率和熔点)的多个相互冲突的约束的限制。

美国专利US6297511描述了一种MEMSIR发射器，其中散热器元件是悬浮膜，形成为两个绝缘层之间的电阻导电层的夹层。Kook-NyungLee等人在《微机械与微工程杂志》上的文章“使用悬浮硅结构的高温MEMS加热器”，第一卷。美国专利19(2009)115011(8pp)描述了一种MEMS加热板，其中悬浮的硅梁覆盖有用作电阻加热器的铂轨道。本文中描述的设备能够在高达1,300K的温度下以100Hz的脉冲频率运行。美国专利US7968848描述了一种类似的带有悬挂硅散热器元件的加热器。

在Elsevier出版的SensorsandActuatorsA188(2012)pp173-180中L.Mele等人的题为“AmolybdenumMEMSmicrohotplateforhigh-temperatureoperation”的文章中，提出了钼作为加热丝材料，溅射到氮化硅绝缘层。尽管钼具有高熔点(2,966K)，但该器件的工作温度受到所使用的其他材料的限制，例如硅和氮化硅，它们分别在高达1,600K和2,000K的温度下会降解。理论上，可用的热红外发射器能够在高于约1,300K的温度下工作，但出于实际实施原因，它们的额定温度低于此温度(例如，最高1,000K)。这个工作温度上限对给定功耗下可以产生的红外辐射的强度和带宽施加了限制。

还已知通过用金属(例如银)涂覆硅板然后通过板的电阻支撑弹簧中产生的热量加热板以蒸发金属来提供金属原子源。HanHan等人在Nanoscale，2015，7，10735上发表的文章“Programmablesolidstateatomsourcesfornanofabrication”中描述了这种技术。MEMS蒸发器包括由两个多晶硅弹簧支撑的多晶硅板，当电流通过它们时，它们充当电阻加热元件。金属沉积在多晶硅板上，通过薄的AlO₃涂层防止与金属的共晶相互作用。例如，加热板提供用于纳米光刻的金属原子源。沉积的金属还用于将来自两个弹簧的热量分布在板上。本文档中没有建议将金属涂层板改造成用作微型加热板IR发射器。