CN111504934A - 一种基于双悬空结构的可调红外热辐射器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于双悬空结构的可调红外热辐射器件，包括下层悬空结构和上层悬空结构；下层悬空结构自下而上依次包括基底、下层支撑层、下层加热层、下层导电层；所述的上层悬空结构自下而上依次包括上层支撑层、上层绝缘层、上层导电层、上层半导体微纳结构，或者依次包括上层支撑层、上层绝缘层、上层金属微纳结构；通过调节下层悬空结构的温度，调节可调红外热辐射器件的黑体辐射背景谱线，通过加电压控制上下层导电层之间的静电力，影响其形变程度，从而推动上层悬空结构靠近或者远离下层悬空结构，改变上层空气间隙，进而改变微纳结构的辐射波长以及辐射强度，可以在低功耗状态下，实现波长调谐及强度调制等功能。
Description
技术领域
本发明涉及一种可调红外辐射器件，适用于红外成像、气体传感、红外隐身（防伪）、光谱技术等领域。
背景技术
中红外光源在气体传感领域具有广泛用途，许多无机污染气体对中红外光的吸收能力要远远大于近红外及以下波段，且多种挥发性有机物（Volatile Organic Compounds,VOC）也在中红外才开始出现吸收峰。目前，在4-12 um中红外波段范围内做气体特征指纹光谱检测等使用较多的窄带光源是量子级联激光器（Quantum Cascade Laser, QCL）。一般来说，作为中红外光源，QCL具有窄的出射光带宽，波长在8 um-10 um范围内的QCL的中心波长一般可以调大概20 nm-30 nm的波长变化，强度直接调制的频率也可达kHz量级。但是，QCL的弊病在于其价格过于昂贵，购买一个QCL激光器需要花费数万美元，这极大地增加了仪器的成本。成本较低的热辐射源可以作为中红外光源，在实际应用中有着巨大潜力。然而，现有的红外热辐射源由于大的热电阻、热电容等因素影响，存在着热效率低、功耗大、调制速度慢、调制深度不够、中心波长调谐困难等缺点，这使得很多先进传感技术（如光声光谱技术等）无法直接利用热辐射器件作为红外光源。研制动态可调的中红外光源具有重要的现实意义。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供基于双悬空结构的可调红外热辐射器件，该器件由上下两层悬空结构构成：下层悬空结构用来实现加热功能；上层结构为悬空的微纳结构。通过调节下层结构的温度，可以整体调节器件的黑体辐射背景谱线；而调节上层悬空结构的空气层间隙，则可以调节辐射波长、辐射强度等，进而满足各种传感技术的应用。
一种基于双悬空结构的可调红外热辐射器件，包括下层悬空结构和上层悬空结构；所述的下层悬空结构自下而上依次包括基底、下层支撑层、下层加热层、下层导电层；所述的上层悬空结构自下而上依次包括上层支撑层、上层绝缘层、上层导电层、上层半导体微纳结构，或者依次包括上层支撑层、上层绝缘层、上层金属微纳结构；基底成凹形，与下层支撑层一起形成一个下层空气间隙；上层支撑层中间挖空，与上层导电层、上层支撑层、上层绝缘层一起形成一个上层空气间隙；通过调节下层悬空结构的温度，调节可调红外热辐射器件的黑体辐射背景谱线，通过加电压控制上下层导电层之间的静电力，影响其形变程度，从而推动上层悬空结构靠近或者远离下层悬空结构，改变上层空气间隙，进而改变微纳结构的辐射波长以及辐射强度，实现波长调谐及强度调制。
所述的基底采用硅基底，下层悬空结构在硅基底上制作，下层支撑层为介质材料，下层加热层由金属材料构成，设计成螺旋、盘状、环状结构，以使得加热均匀；在下层加热层的两端各引出一个电极，通过在电极上施加电信号，通过金属发热将电流转化成热能；下层加热层依靠下层支撑层悬空在硅基底上。
所述的上层半导体微纳结构或者上层金属微纳结构，辐射或者吸收特定波长的红外光，且同下层导电层间存在模式耦合。
所述的双悬空结构的可调红外热辐射器件，通过金属引线结合或者通孔的方式将电信号引入上层悬空结构。
本发明的有益效果在于：
1. 本发明采用双层悬空结构方案，将加热与辐射调节功能分离开来，可以提高器件的热效率，同时对器件的红外辐射进行有效调控；
2. 本发明采用的技术方案可以在低功耗状态下，实现波长调谐、强度调制等功能，调谐范围可以达到QCL水平，同时调制速度可以突破直接热调节的瓶颈。
附图说明
图1为本发明双悬空结构的可调红外热辐射器件（基于半导体微纳结构）的一种结构示意图；
图2为本发明双悬空结构的可调红外热辐射器件（基于金属微纳结构）的另一种结构示意图；
图3 为本发明设计的基于金微纳结构的窄带辐射器在不同空气间隙下的辐射谱。
附图标记说明：
基底1、下层支撑层2、下层加热层3、下层导电层4、上层支撑层5、上层绝缘层6、上层导电层7、上层半导体微纳结构8、上层金属微纳结构9、上层空气间隙10、下层空气间隙11。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步阐述。
实施例1
如图1所示，一种基于双悬空结构的可调红外热辐射器件，包括下层悬空结构和上层悬空结构；下层悬空结构自下而上依次包括基底1、下层支撑层2、下层加热层3、下层导电层4；上层悬空结构自下而上依次包括上层支撑层5、上层绝缘层6、上层导电层7、上层半导体微纳结构8；基底1成凹形，与下层支撑层2一起形成一个下层空气间隙11；上层支撑层5中间挖空，与上层导电层4、上层支撑层5、上层绝缘层6一起形成一个上层空气间隙10。
基底1由硅构成，下层支撑结构2可以为常用介质材料（二氧化硅、氮化硅、氟化铪、氟化镁等）、下层加热结构3由金属材料构成（如铂、钨、氮化钛、钛等），可以设计成螺旋、盘状、环状等结构，以使得加热更均匀；在加热材料两端各引出一个电极，通过在电极上施加电信号，便可以通过金属发热将电流转化成热能, 进而来调节器件整体的温度，控制器件黑体辐射在所需的波长范围。下层加热层依靠支撑结构2悬空在硅基底1上，悬空的设计，即下层空气间隙11，可以减少热量损耗，提高加热效率。
下层加热结构上覆盖有一层导电层4（可以由金属、掺杂半导体、透明导电材料、石墨烯等构成），用来同上层导电层7一起构成一组电极。
上层悬空结构通过支撑结构5悬空在下层悬空结构上，中间由空气层隔离开来。上层悬空结构的支撑结构5上为一层薄的绝缘层6（二氧化硅、氮化硅、氟化铪、氟化镁等介质），确保上下电极极板调节过程中不会接触短路，上面生长有一层上层导电层7（如金属、掺杂半导体、透明导电材料、石墨烯等），同下层导电层4构成一组电极，为了在上层导电层上施加电信号，可以利用金属引线结合技术将电信号输入上层悬空结构，也可以采用打孔的方式将电信号引入上层结构。通过在上下层导电层上施加电信号，两层间会产生静电力，从而推动上层悬空结构靠近或者远离下层悬空结构。
上层导电层7上制作由半导体材料制作的上层微纳结构8（圆柱、矩形等结构），这些结构可以辐射（吸收）特定波长的红外光，且该结构同下层导电层4间存在模式耦合，在上下导电层上施加电信号，控制上下导电层之间的静电力大小，可以改变上下悬空结构的间距，进而控制该结构与下层悬空结构的耦合强度，最终可以改变其辐射波长以及辐射强度，这边实现了波长调谐及强度调制。另外，通过设计上层微纳结构，可以方便的调控该器件的辐射特性，实现诸如窄带、高方向性等特性。
实施例2
如图2所示，与实施例1的区别在于，本实施例中没有单独设置上层导电层，上层导电层7和上层微纳结构8被上层金属微结构9替代，其为金属薄膜上的孔洞结构，一方面可以进行辐射调控，另一方面可以作为电极使用。
下层悬空结构在硅材质的基底1上制作，支撑结构2为常用介质材料。下层加热层3由金属材料构成（如铂、钨、氮化钛、钛等），可以设计成螺旋、盘状、环状等结构，以使得加热更均匀；在加热材料两端各引出一个电极，通过在电极上施加电信号，便可以通过金属发热将电流转化成热能。下层加热层4依靠下层支撑层2悬空在硅基底上，悬空的设计可以减少热量损耗，提高加热效率。
下层加热加热层3上覆盖有下层导电层4（如金属、掺杂半导体、透明导电材料、石墨烯等），用来同上层导电层4一起构成一组电极，为了在上层导电层上施加电信号，可以利用金属引线结合技术将电信号输入上层悬空结构，也可以采用打孔的方式将电信号引入上层结构。
上层悬空结构通过支撑层5悬空在下层悬空结构上，中间由空气层隔离开来。上层悬空结构支撑层上为一层薄的上层绝缘层6（二氧化硅、氮化硅、氟化铪、氟化镁等介质），确保上下电极极板调节过程中不会接触短路，上面制作有金属等导电材料制作的上层金属微纳结构9，这些微纳结构可以辐射（吸收）特定波长的红外光，且该结构同下层导电层4间存在模式耦合，在微纳结构及下层导电层4上施加电信号，上下层之间会产生静电力，从而推动上层悬空结构靠近或者远离下层悬空结构，改变上下悬空结构的空气间距，进而可以改变上层金属微纳结构的辐射波长以及辐射强度，这便实现了波长调谐及强度调制。如图3所示，可以通过改变上下层悬空结构的间距从而改变上述结构的辐射波长及辐射强度，达到调制的目的。
本发明采用双悬空结构，下层悬空结构用来进行器件加热，使得器件整体温度在所要求的黑体辐射谱范围内；上层悬空结构利用微纳结构来调控器件的红外热辐射特性，通过设计优化，可以实现宽带/窄带、高方向性等特性。另外，通过在上下悬空结构上施加电信号，可以调节悬空结构的间距，从而改变器件的红外辐射特性，进而实现波长调谐、强度调制的功能。
上述描述中的实施方案可以进一步组合或者替换，且实施方案仅仅是对本发明的优选实施例进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变化和改进，均属于本发明的保护范围。本发明的保护范围由所附权利要求及其任何等同物给出。
Claims (4)
1.一种基于双悬空结构的可调红外热辐射器件，其特征在于，包括下层悬空结构和上层悬空结构；
所述的下层悬空结构自下而上依次包括基底、下层支撑层、下层加热层、下层导电层；
所述的上层悬空结构自下而上依次包括上层支撑层、上层绝缘层、上层导电层、上层半导体微纳结构，或者依次包括上层支撑层、上层绝缘层、上层金属微纳结构；
基底成凹形，与下层支撑层一起形成一个下层空气间隙；上层支撑层中间挖空，与上层导电层、上层支撑层、上层绝缘层一起形成一个上层空气间隙；
通过调节下层悬空结构的温度，调节可调红外热辐射器件的黑体辐射背景谱线，通过加电压控制上下层导电层之间的静电力，影响其形变程度，从而推动上层悬空结构靠近或者远离下层悬空结构，改变上层空气间隙，进而改变微纳结构的辐射波长以及辐射强度，实现波长调谐及强度调制。
2.如权利要求1所述的双悬空结构的可调红外热辐射器件，其特征在于，所述的基底采用硅基底，下层悬空结构在硅基底上制作，下层支撑层为介质材料，下层加热层由金属材料构成，设计成螺旋、盘状、环状结构，以使得加热均匀；在下层加热层的两端各引出一个电极，通过在电极上施加电信号，通过金属发热将电流转化成热能；下层加热层依靠下层支撑层悬空在硅基底上。
3.如权利要求1所述的双悬空结构的可调红外热辐射器件，其特征在于，所述的上层半导体微纳结构或者上层金属微纳结构，辐射或者吸收特定波长的红外光，且同下层导电层间存在模式耦合。
4.如权利要求1所述的双悬空结构的可调红外热辐射器件，其特征在于，通过金属引线结合或者通孔的方式将电信号引入上层悬空结构。
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