KR20210043585A - 고온 적외선 라디에이터 요소 및 방법 - Google Patents

Abstract

가스 센서, IR 분광계 또는 전자 현미경 내의 소형 적외선 방출기(마이크로 핫 플레이트)로 사용하기에 적절한 IR 방사체 요소(1)가 제공된다. 마이크로 핫 플레이트는 다수의 지지 아암(4)에 의해 지지되는 플레이트(2)를 포함한다. 플레이트와 아암은 하프늄 탄화물(HfC) 또는 탄탈 하프늄 탄화물(TaHfC)과 같은 전기 전도성 내화 세라믹의 단일 연속 피스를 포함하는 MEMS 장치로 제작된다. 각 아암(4)은 플레이트(2)에 대한 구조적 캔틸레버 지지를 제공하는 것 외에도 플레이트(2)에 대한 가열 요소로 기능한다. 플레이트(2)는 아암(4) 양단에 전압을 인가하는 것을 통해 가열된다. 아암(4)은 아암과 플레이트의 가열 및 냉각 중에 발생하는 열역학적 응력을 흡수하도록 형상화될 수 있다. 예를 들어, 0.05 mm² 미만의 면적과 플레이트(2)의 최대 치수의 1% 내지 10%의 두께를 가질 수 있는 플레이트는 0.5 ms 미만의 듀티 사이클로 4,000K 이상으로 가열되고 다시 냉각될 수 있어서, 최대 2 kHz의 주파수로 펄스화된 작동을 허용할 수 있다. 작은 크기(10-200 ㎛)와 낮은 전력 소비(예, 10-100 mW)로 인해 마이크로 핫 플레이트는 극저온 응용, 소형 장치 또는 휴대폰과 같은 배터리 구동 장치에 사용하기에 적절하게 된다.

Description

고온 적외선 라디에이터 요소 및 방법

본 발명은 예를 들어, 가스 센서용 적외선 방출기(IR emitter) 또는 IR 분광기로서 사용될 수 있는 것과 같은 마이크로 전자기계 시스템(MEMS) 핫 플레이트(hotplate) 분야에 관한 것이다. 본 발명은 특히, 배타적이지는 않지만, 예를 들어 1 kHz 또는 심지어 2 kHz 이상의 주파수에서 펄스화될 수 있는, 2000K 이상의 온도 또는 3000K 이상의 온도에서 광대역 적외선 복사를 방출할 수 있는 IR 방출기용 방사체 요소(radiator element)에 관한 것이다.

MEMS 마이크로 핫 플레이트는 적외선 분광기, 가스 감지용 조명, 화학 플랫폼용 핫 플레이트 또는 투과 전자 현미경(TEM) 또는 주사 전자 현미경(SEM)의 핫 플레이트 인서트와 같은 다양한 응용 분야를 위한 근적외선 또는 중적외선 스펙트럼 범위의 적외선 방사체로 사용된다. 현재 알려진 장치는 최대 약 100Hz의 펄스 속도로 동작할 수 있다. IR 방출 특성을 손상시키지 않으면서 이러한 장치의 동작 주파수를 높이거나 전력 소비를 줄일 필요가 있다.

공개된 특허 출원 EP2848914A1 및 W02013183203A1은 절연체에 저항층이 형성된 방출기 장치를 기술한다. 저항층에서 열이 발생하고 금속 커넥터가 플레이트에 심한 발열이 없는 전기 에너지를 제공한다. 각각의 경우, 장치의 제조는 비교적 복잡하며, 방출기의 방출 특성은 시트 저항, 방사율 및 융점을 포함하는 저항층의 특성에 대한 여러 상충되는 제약에 의해 제한된다.

미국 특허 US6297511은 방사체 요소가 2개의 절연층 사이에 저항성 전도층의 샌드위치로 형성된 현수된 멤브레인인 MEMS IR 방출기를 기술하고 있다.

이국녕 외에 의해 Journal of Micromechanics and Microengineering, vol. 19(2009) 115011(8pp)에 기고된 "현수된 실리콘 구조체를 사용하는 고온 MEMS 히터"라는 기고문에는 현수된 실리콘 빔이 저항 히터 역할을 하는 백금 트랙으로 겹쳐진 MEMS 핫 플레이트가 기술되어 있다. 이 기고문에서 설명하는 장치는 100Hz의 펄스 속도로 최대 1,300K의 온도에서 동작할 수 있다. 미국 특허 US7968848은 현수된 실리콘 방사체 요소를 갖춘 유사한 히터를 기술하고 있다.

Elsevier에 의해 발행된 Sensors and Actuators A 188(2012) pp 173-180에 기고된 L. Mele 등에 의한 "고온 작동을 위한 몰리브덴 MEMS 마이크로 핫 플레이트"라는 제목의 기고문에서는 히터 필라멘트 재료로서 몰리브덴을 실리콘 질화물 절연체 층에 스퍼터링하는 것이 제안된다. 몰리브덴은 융점이 높지만(2,966K), 장치의 동작 온도는 각각 최대 1,600K 및 2,000K의 온도에서 열화되는 실리콘 및 실리콘 질화물과 같은 다른 사용 재료에 의해 제한된다. 이론적으로, 유효한 열 IR 방출기는 약 1,300K 이상의 온도에서 작동할 수 있지만, 실제 구현 상의 이유로 이보다 낮은 온도(예, 최대 1,000K)로 평가된다. 이 작동 온도 상한은 주어진 전력 소비에 대해 생성될 수 있는 적외선 복사의 강도와 대역폭에 제한을 가한다.

또한, 실리콘 플레이트를 금속(예, 은)으로 코팅한 다음 해당 플레이트를 가열하여 플레이트의 저항성 지지 스프링에서 생성된 열로 금속을 증발시키는 것에 의해 금속 원자의 공급원을 제공하는 것도 알려져 있다. 이러한 기술은 Nanoscale, 2015, 7, 10735에 발표된 Han Han 등에 의한 "나노제조를 위한 프로그래밍 가능한 고체 상태 원자 공급원"이란 기고문에 설명되어 있다. MEMS 증발기는 전류가 통전시 저항성 가열 요소로 작용하는 2개의 폴리실리콘 스프링에 의해 지지되는 폴리실리콘 플레이트를 포함한다. 폴리실리콘 플레이트에 금속이 증착되며, 플레이트는 Al₂0₃ 박막 코팅에 의해 금속과 공융 상호 작용되지 않게 보호된다. 가열된 플레이트는 예를 들어, 나노리소그래피에 사용되는 금속 원자의 공급원을 제공한다. 증착된 금속은 또한 플레이트에 걸쳐 2개의 스프링으로부터 열을 분배하는 역할을 한다. 본 문서에는 마이크로 핫 플레이트 IR 방출기로 사용하기 위해 금속-코팅된 플레이트를 적용하는 것을 제안하고 있지 않다.

3,000K에서 IR을 생성할 수 있는 종래 기술의 거시적 할로겐 소스를 사용할 수 있지만 이들은 크고 고출력이며 번거로운 장치이다.

본 발명은 종래 기술의 단점 중 적어도 일부를 극복하는 것을 목표로 한다. 특히, 더 작은 열 용량을 가지고 및/또는 더 높은 주파수에서 작동될 수 있는 종래 기술의 방사체보다 주어진 복사 전력에 대해 더 작은 면적으로 제조될 수 있는 방사체 장치에 대한 요구가 존재한다. 이를 위해, 본 발명에 따른 방사체 장치가 첨부된 청구항 1에 기재되고, 본 발명에 따른 적외선 발생 방법이 청구항 14에 기재되며, 본 발명에 따른 제조 방법이 청구항 16에 기재된다. 본 발명의 추가의 변형은 종속항에 기재된다.

동작 온도 상한을 크게 올릴 수 있는 재료를 사용하면, 총 IR 전력에 대한 스테판-볼츠만(Stefan-Boltzmann) 법칙과 스펙트럼 밀도에 대한 플랑크 법칙에 의해 설명된 것처럼 방출되는 방사선의 강도를 크게 높일 수 있다. 따라서, 주어진 복사 전력에 대해 방사체 플레이트의 면적을 크게 줄일 수 있고 전력 소비를 줄일 수 있으며 및/또는 최대 가열/냉각 주파수를 증가시킬 수 있다. 방출기의 온도는 피크 스펙트럼 파장을 정의한다. 이 경우 1000K에서 피크는 예를 들어 약 3 미크론에서 IR에 있을 수 있다. 플레이트가 4000K로 가열되면, 피크는 전자기 스펙트럼의 가시 범위에 있다. 기존 할로겐 램프에 의해 얻어진 온도를 초과하지만 MEMS 폼 팩터(form factor)와 확장 가능한 제조 방법을 이용하여 방사 요소를 구성할 수 있다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명될 것이다. 도면에서:
도 1 및 도 2는 각각 본 발명에 따른 기본 방사체 플레이트의 제1의 단순화된 개략도의 등각 투영도 및 평면도를 예시한다.
도 3은 본 발명에 따른 방사체 장치의 제1의 예시적인 장착 구성에서 기판의 오목한 리세스 영역 위에 형성된 도 1 및 도 2의 방사체의 등각 투영도를 예시한다.
도 4 및 도 5는 도 3의 A-A 축을 따라 취한, 오목한 기판의 제1 및 제2 변형례의 개략적인 횡단면도를 예시한다.
도 6은 도 1 및 도 2의 방사체 플레이트의 제2의 예시적인 장착 구성의 개략적인 평면도를 예시한다.
도 7은 본 발명에 따른 방사체 플레이트의 제3의 예시적인 장착 구성의 개략적인 평면도를 예시한다.
도 8은 히터/지지 아암이 테이퍼진 본 발명에 따른 방사체의 변형예의 개략적인 평면도를 예시한다.
도 9는 히터/지지 아암이 방사체 플레이트 또는 아암의 열역학적 팽창, 수축 또는 다른 동작을 흡수하기 위한 제1의 예시적인 구성을 갖는 탄성 요소로서 형성되는 본 발명에 따른 방사체 장치의 다른 변형례의 개략적인 평면도를 예시한다.
도 10은 히터/지지 아암이 방사체 플레이트의 열역학적 팽창, 수축 또는 다른 동작을 흡수하기 위한 제2의 예시적인 구성을 갖는 탄성 요소로서 형성되는 본 발명에 따른 방사체 장치의 다른 변형례의 개략적인 평면도를 예시한다.
도 11은 히터/지지 아암이 방사체 플레이트의 열역학적 팽창, 수축 또는 다른 동작을 흡수하기 위한 제3의 예시적인 구성을 갖는 탄성 요소로서 형성되는 본 발명에 따른 방사체 장치의 다른 변형례의 개략적인 평면도를 예시한다.
도 12 및 도 13은 각각 본 발명에 따른 방사체 장치의 다른 변형례의 등각 투영도 및 평면도를 예시한다.
도 14는 히터/지지 아암이 방사체 플레이트의 열역학적 팽창, 수축 또는 다른 동작을 흡수하기 위한 다른 예시적인 구성을 갖는 탄성 요소로서 형성되는 본 발명에 따른 방사체 장치의 다른 변형례의 개략적인 평면도를 예시한다.
도 15는 다수의 지지 아암이 공통 마운팅에 연결되는 본 발명에 따른 방사체의 다른 변형례를 예시한다. 도면은 또한 본 발명의 방사체 장치가 PWM 신호, 전압 소스 또는 전류 소스에 의해 구동될 수 있는 방식을 보여준다.
도 16은 도 15에 예시된 방사체의 변형례에 대한 등가 저항 회로의 예를 보여준다. 커넥터(3)는 예를 들어, 설정 전위 또는 접지 전위에 있거나 이러한 전위에 가깝다. 8개의 아암(4) 각각은 R₂로 예시된 플레이트(2)의 저항보다 일반적으로 훨씬 더 크고, 바람직하게는 10배 이상, 더 바람직하게는 100배 이상 더 큰 저항(R₄)으로 표시된다.
도 17은 도 15에 나타낸 예시적인 변형례에 대해 제시된 열흐름의 예를 보여준다. 전력은 8개의 아암(4) 모두에 바람직하게는 동일하게 열(thernal heat)로 전환된다. 이 열은 플레이트(2)로 흐른다. 일부 열은 플레이트로부터 (예, 적외선) 복사로 방사된다. 아암(4) 상의 방사체 장치의 최고 열점은 T_max로 표시된 점선으로 표시된다.
도 18은 본 발명에 따른 다중 방사체 장치의 어레이 구성의 예를 보여준다.
도 19a는 상이한 온도에서의 본 발명에 따른 방사체 장치에 걸친 온도 분포의 그래프를 보여준다. 점선은 연결 패드(3), 아암(4) 및 플레이트(2)를 포함하는 요소의 경계를 나타낸다.
도 19b는 상이한 온도에서의 본 발명에 따른 방사체 장치에 걸쳐 방출된 복사의 강도 분포의 그래프를 보여준다. 점선은 연결 패드(3), 아암(4) 및 플레이트(2)를 포함하는 요소의 경계를 나타낸다.
도 19c는 연결 패드(3), 아암(4) 및 플레이트(2) 사이의 온도 구배 그래프를 보여준다. 점선은 연결 패드(3), 아암(4) 및 플레이트(2)를 포함하는 요소의 경계를 나타낸다.
도 20은 다양한 온도에서 방출 파장에 대한 스펙트럼 복사(R_spec)의 그래프를 보여준다.
도 21은 본 발명에 따른 예시적인 방사체 장치에서의 시간에 대한 변위 및 온도의 그래프를 예시한다.
도 22-25는 본 발명에 따른 방사체를 포함하는 마이크로-핫 플레이트 IR 방출기 구성의 변형례를 보여준다.
도 26a-26g는 본 발명에 따른 방사체를 포함하는 IR 방출기를 제조하기 위한 예시적인 제조 공정을 보여준다.
도 26h는 도 26g에 예시된 IR 방출기 상에 어플리케이션 장치가 제조되는 본 발명의 제조 웨이퍼의 변형례를 예시한다.
도 27은 본 발명에 따른 방사체 플레이트를 포함하는 Fabry-Perot IR 분광계 어플리케이션 장치의 제1 예를 보여준다.
도 28은 본 발명에 따른 방사체를 포함하는 Fabry-Perot IR 분광계 어플리케이션 장치의 제2 예를 보여준다.
도면들은 단지 본 발명의 기초가 되는 원리를 이해하는 것을 돕기 위해 제공되며, 추구하는 보호 범위를 제한하는 것으로 간주되어서는 안된다는 점에 유의해야 한다. 서로 다른 도면에 동일한 참조 번호가 사용되는 경우, 이들은 유사하거나 동일한 특징부를 지시하고자 의도된 것이다. 그러나, 다른 참조 번호의 사용이 참조하는 특징부 간의 차이 정도를 특정하고자 의도된 것으로 가정해서는 안된다.

본 명세서에서 "전도성 내화 재료"라는 용어는 전기 저항이 1 Ohm cm 미만이고 열전도도가 10 W/mK 내지 2200 W/mK의 범위이며, 상당한 정도로 열화 또는 변화됨이 없이 초고온(즉, 1,600K 초과, 바람직하게는 2,000K 초과, 더 바람직하게는 2,500K 초과, 또는 더 바람직하게는 3,000K 초과의 온도)으로 가열될 수 있는(적어도 예컨대, 10 ms의 짧은 기간 동안) 무기 재료를 지칭하는 데 사용된다. 내화 재료의 영률은 100-1000 GPa 범위에 있을 수 있으며, 굴힘 강도는 100 MPa를 초과할 수 있다. 모든 물성값은 달리 명시되지 않는 한 실온에서 획득한 것이다. 적절한 재료는 흑연, 다이아몬드(도핑된), 그래핀, 풀러렌(fullerene), 탄소 나노튜브(CNT) 및 풀러렌 또는 CNT 침착물(단결정 또는 풀러렌 금속 복합체)과 같은 탄소 동소체; 또는 후술되는 바와 같이 가열을 위한 전기적 특성을 제공하기 위해 필요에 따라 선택적으로 도핑될 수 있는, 하프늄 탄화물, 탄탈 탄화물, 탄탈 하프늄 탄화물, 텅스텐 탄화물, 티타늄 탄화물, 니오븀 탄화물, 하프늄 붕화물, 하프늄 질화물 또는 하프늄 탄탈 질화물, 또는 전술한 화합물의 임의의 부분 조합(예, Hf_0.98C)과 같은 전기 전도성 내화 세라믹을 포함할 수 있다.

본 명세서에서 "마이크로 핫 플레이트(micro-hotplate)"라는 용어는 매우 작고 매우 뜨거운 표면 및/또는 매우 작고 매우 강한 적외선 방사원(IR 방출기)을 제공하는 소형 구성 요소를 지칭하는 데 사용된다. "방사체(radiator)", "방사체 장치" 및 "방사체 요소"라는 용어는 IR 방출기 장치와 같은 마이크로 핫 플레이트 장치에 통합되고 필요한 강력한 적외선을 생성하도록 가열되는 매우 작은 판형 또는 기타 구조체를 지칭한다. 방사체 플레이트의 면적은 예를 들어 0.1 mm² 미만 또는 0.05 mm² 미만일 수 있다.

본 발명은 광대역 적외선 복사의 발생에 대한 적용과 관련하여 설명되었다. 그러나, 본 발명의 방사체 장치는 IR에 추가하여 또는 대안으로서 가시적 스펙트럼에서 광을 방출하기 위해 사용될 수 있다. 본 발명의 원리를 가시광 생성에 적용하는 것은 별개의 발명으로 간주될 수 있다.

도 1 및 2는 IR 방출기의 방사체 요소로 사용하기에 적절한 방사체(1)의 제1 예를 보여준다. 달리 명시되지 않는 한, 이 예와 관련하여 설명된 원리 및 특징은 아래 설명된 다른 예 및 일반적으로 본 발명의 다른 변형례에도 적용된다. 방사체(1)는 전술한 바와 같은 전도성 내화 재료로 형성된 구조체(2)(이 예에서는 정사각형, 직사각형 또는 평행사변형 플레이트)를 포함한다. 설명되는 바와 같이, 방사체의 재료는 예컨대, 공지된 반도체 제조 기술을 이용하여 기판 상에 부분적으로(패드(3)) 그리고 추후 제거되는 희생 재료 상에 부분적으로(플레이트(2) 및 아암(4)) 성장 또는 증착될 수 있다. 하프늄 탄화물이 테스트 및/또는 시뮬레이션을 거쳐 방사체 요소(1)의 제조에 사용되기에 적절한 열역학적 특성(예, 충분한 열 및 전기 전도도, 열적, 화학적 안정성 및 적절한 탄성)을 나타내는 것으로 밝혀졌다.

상기 언급된 고온 범위에서 작동하기 위해, 방사체(1)는 유리하게는 진공 또는 희박한 불활성 가스 내에 유지될 수 있다. 플레이트(2)는 크기가 2 내지 500 ㎛(이 예에서 정사각형/직사각형/평행사변형의 한 변의 길이)일 수 있고, 예컨대, 정사각형의 변 길이(또는 정사각형이 아닌 경우, 플레이트의 최대 치수)의 0.1 내지 10%의 두께를 가질 수 있다. 구조체는 균일한 두께의 재료로 형성된 연속 평면 피스로 예시되어 있지만, 구조체(2)는 대안적으로 비평면(예, 오목한) 형상 및/또는 격자형 또는 사다리형 또는 사행형(serpentine) 구성과 같은 다른 토폴로지 또는 천공 또는 표면 특징 또는 질감으로 형성될 수 있다. 이러한 표면 특징 또는 질감은 예를 들어, 표면으로부터의 방출을 향상시키기 위해 추가될 수 있다. 정사각형 플레이트가 도 1-3에 예시되어 있지만, 실제로 플레이트는 임의의 편리한 형상일 수 있다. 예를 들어, 원형, 삼각형, 정사각형 또는 다각형일 수 있다. 플레이트(2) 및 아암(4)은 동평면일 수 있거나, 예시된 바와 같이 동평면이 아닐 수 있다. 아암(4)은 플레이트(2)가 패드(3)의 평면으로부터 수직으로 오프셋됨으로써 패드가 기판(8)과 접촉할 때 플레이트가 기판(8)의 높이 위로 상승되도록 형성될 수 있다. 아암은 약간의 변위가 있는 것으로 표현된다. 이것은 가열 및 냉각 중에 열역학적 변위를 흡수하는 데 필요할 수 있다. 그러나, 이 예시는 본 발명의 이해를 용이하게하기 위한 것일 뿐이다. 실제로, 아래에서 논의되는 바와 같이, 적절한 동작 흡수를 제공하기 위해 다른 형상 및 구성의 아암(4)이 요구될 수 있다.

플레이트(2)는 플레이트(2)와 연결 패드(3) 사이에서 연장되는 지지 요소 또는 스프링 또는 히터 또는 히터 스프링으로도 지칭되는 다중 아암(4)(예, 제시된 예에서와 같이 4개)에 의해 지지된다. 도 3과 관련하여 설명되는 바와 같이, 연결 패드(3)는 플레이트가 오직 아암(4) 및 패드(3)에 의해 기판에 대해 지지되도록 기판에 대한 기계적 연결을 제공하도록 설계된다. 연결 패드(3)는 아암(4)에 대한, 그에 따라 플레이트(2)에 대한 전기적 연결을 제공한다. 플레이트(2), 패드(3) 및 아암(4)은 바람직하게는 하나의 연속적인 재료 피스로 형성된다. 해당 재료는 균일한 벌크 저항을 가질 수 있거나, 방사체(1)의 다른 부분과 상이한 벌크 저항을 가질 수 있다. 예를 들어, 아암(4)의 재료는 아암에 플레이트(2)의 재료보다 더 낮은 벌크 저항을 제공하기 위해 도핑되거나 처리될 수 있다. 예를 들어, 아암의 재료의 벌크 저항은 바람직하게는 예컨대, 10^-5 내지 0.1 Ohm cm 범위일 수 있다. 도 1의 제시된 예에서 각각의 아암(4)은 길이(5), 폭(6) 및 두께(7)를 가지며, 플레이트(2)의 단면적보다 훨씬 작은 단면적을 가진다. 폭(6) 및 두께(7)는 유리하게는 안정성 향상을 위해 1:10 내지 1:1의 종횡비(두께:폭)를 제공한다. 예로써, 아암 길이는 예를 들어 5 내지 200 ㎛, 바람직하게는 10 내지 150 ㎛, 또는 더 바람직하게는 15 내지 80 ㎛일 수 있다. 두께는 예를 들어, 0.1 내지 5 ㎛, 또는 더 바람직하게는 1 내지 3 ㎛일 수 있다. 아암의 가장 좁은 부분의 폭은 예컨대, 0.1 ㎛ 이하 또는 20 ㎛ 이상일 수 있다. 그래핀과 같은 단층 재료의 경우, 플레이트(2) 및 아암(4)은 오직 단층(또는 다수층이 적층된 경우 단층들의 스택) 정도로 두꺼울 수 있다.

아암(4)의 2개의 단부 사이에 전압을 인가하면(예, 연결 패드(3)에 대한 전기적 연결을 통해), 아암(4)의 오옴 가열에 의해 열이 발생된다. 아암(4)은 방사체 플레이트(2)에 열적으로 연결된다. 진공 상태에서 유지될 수 있는 플레이트(2)는 아암(4)에서 발생된 열의 히트 싱크로서 작용한다. 더 높은 온도(예, 3000 K 내지 4000 K)에서, 아암(4)에서 발생되는 열의 부분은 IR이 증가함에 따라 플레이트(2)로부터 복사된다.

도 3은 도 1 및 도 2의 방사체(1)가 그 아래에 오목한 리세스(9)가 있도록 기판(8) 상에 어떻게 장착되거나 제작될 수 있는 지를 보여준다. 이러한 구조체는 예를 들어 공지된 반도체 제조 기술을 이용하여 형성될 수 있다. 아래에서 논의되는 바와 같이, 오목한 리세스(9)는 도 4에 예시된 바와 같이 평탄한 만곡(예, 포물선형) 표면으로 형성되거나, 도 5에 예시된 경사 벽과 같은 다른 형상으로 형성될 수 있다. 오목한 리세스는 플레이트(2)로부터 외측으로(기판(8)으로부터 멀어지게) IR 복사를 유도하는 기능을 가짐으로써 마이크로-핫 플레이트 어셈블리의 순 복사 전력을 향상시킬 수 있다. 이것은 반사 표면 또는 코팅(15)에 의해 달성될 수 있다.

도 1-5에 제시된 예에는 4개의 히터 아암/스프링이 있다. 그러나, 스프링(아암(4))의 갯수는 2-16개 이상일 수 있다. 이것은 용이하게 입력 및 출력 전류의 균형을 이루도록 하여 열 분포를 더 균일하게 할 수 있기 때문에, 갯수는 동일할 수 있다. 아암에서 발생된 열은 언급된 바와 같이 플레이트(2)로 전도된다. 실험 및 시뮬레이션은 본 예의 플레이트가 0.2 내지 0.5 ms 이내에 열적 정상 상태에 도달할 수 있음을 보여주며, 이는 온도가 2 kHz 내지 5 kHz에서 조절될 수 있음을 의미한다. 플레이트(2)를 더 작게 만들면, 50 kHz 또는 심지어 100 kHz의 작동 주파수가 가능하다.

플레이트의 총 전력 소비는 방사체 구성 및 플레이트 크기에 따라 예컨대, 플레이트 당 최소 10 mW 또는 최대 1 W 일 수 있다.

기계적 공명은 약 1MHz이며, 이는 장치가 모든 일반적인 외부 진동 및 충격에 민감하지 않음을 의미한다. 이 값은 장치의 형상과 선택된 구성 재료에 따라 더 낮거나 더 높을 수 있다. 기계적 모드는 1 kHz 초과, 바람직하게는 10 kHz 초과 또는 더 바람직하게는 100 kHz 초과일 수 있으므로, 구조체는 예를 들어 장치가 떨어졌을 때 충돌로 인한 충격을 견딜 수 있다.

도 6은 방사체(1)를 기판(8)에 장착하기 위한 대안적인 구성을 예시한다. 이 경우, 기판(8)은 반사 표면 또는 층(15)으로 코팅되거나 연마될 수 있고, 패드(3)는 플레이트(2)를 기판(8)으로부터 멀리 유지하는 역할을 하는 스페이서(23)에 형성되거나 장착된다. 아암(4)은 파형 라인으로 상징적으로 표시되지만, 이러한 표시는 일반적으로 사용될 수 있는 히터/스프링 아암의 임의의 변형에 대응하도록 의도된다. 스페이서(23)는 기판(8)으로부터 소자 재료를 분리하는 데 사용되는 희생층과 동일한 재료로 형성될 수 있거나, 대안적으로 스페이서는 바람직하게는 높은 열전도성을 갖는 별도의 절연 또는 전도성 재료로 형성될 수 있다.

도 7은 도 6의 스페이서(23) 대신에, 패드(3)가 기판(8) 및 반사 표면/층(15)으로부터 원하는 수직 오프셋을 제공하도록 형상화된 다른 변형례를 보여준다.

도 8은 아암(4)의 저항이 플레이트(2)에 더 근접함에 따라 증가하는 방사체(1)의 변형례를 보여준다. 이것은 아암(4)의 단면적을 테이퍼링함으로써(예를 들어, 예시된 바와 같이 폭(6)을 테이퍼링함으로써) 및/또는 아암(4)의 재료의 가변적 도핑으로 아암(4)의 재료의 벌크 저항을 플레이트(2)와의 교차 지점 측으로 증가시킴으로써 달성될 수 있다. 저항의 국부적 증가는 플레이트 근처에서 오옴 가열의 국부적 증가를 의미하므로, 발생된 열의 더 많은 부분이 플레이트로 전달된다. 이러한 저항의 테이퍼링은 본 발명의 방사체의 임의의 변형으로 사용될 수 있다.

도 9-11은 아암(4)이 가열 및 냉각시 플레이트(2) 및/또는 아암(4)의 기계적 변형을 흡수하도록 구성된 방사체 요소(1)의 상이한 변형례를 보여준다. HfC와 같은 내화 세라믹의 열팽창 계수는 1-10 × 10^-6/K의 범위에 있을 수 있으며, 팽창 및 수축 동작에 대한 탄성 버퍼를 제공하는 방식으로 히터/지지 스프링(4)을 형상화함으로써 이러한 열역학적 거동을 허용하는 것이 바람직하다. 3,500K의 온도 변화에서, 플레이트(2)는 약 1-3%(전체 플레이트에 걸쳐) 팽창 또는 수축될 수 있다. 도 9는 더 큰(예, 100 ㎛ 폭) 8각형 플레이트(2)가 있는 변형례를 보여주는 반면, 도 10은 더 작은 8각형 플레이트(2)(예, 10-30 ㎛ 폭)가 있는 변형례를 보여준다. 2개의 8각형 플레이트의 예에서, 각 연결 패드(3)은 2개의 아암(4)을 통해 플레이트(2)에 연결된다. 작은 플레이트의 예(도 10)에서, 플레이트(2)의 열역학적 변형이 최소화되고 플레이트 전체에 걸쳐 온도가 거의 균일하다.

도 11은 각 패드(3)가 2개의 아암(4)에 의해 플레이트(2)에 연결되는 다른 변형례를 보여준다. 6개의 패드(3) 및 6개의 이중 아암(4)이 제공되고, 플레이트(2)는 실질적으로 원형 형상을 가진다. 작은 구멍(이 경우 원형이지만, 정사각형 또는 직사각형과 같은 다른 형상)이 예를 들어 플레이트(2)로 절단되도록 사용될 수 있다. 사용되는 제조 공정에 따라, 이러한 구멍은 플레이트 아래의 재료가 제거되어 독립 구조체를 형성할 때 릴리스 단계에 도움이 될 수 있다. 이러한 구멍은 제공된 어떤 예에도 유리할 수 있으며 도 11에 표현된 구현예에 제한되지 않는다.

도 9, 10 및 11의 예에서, 각 연결 패드(3)는 다수의 이암(4)에 연결된다. 이에 대해, 도 12 및 13은 각 아암(4)이 하나의 연결 패드(3)에 연결되는 변형례를 보여준다. 이 예에서 플레이트(2)는 예를 들어 직경이 10 ㎛ 내지 200 ㎛일 수 있다. 이 경우, 아암(4) 및 플레이트(2)는 열역학적 변위로 인해 플레이트(2)가 회전 이동되도록 배열된다.

아암(4)의 최소 응력으로 이를 달성하기 위해, 아암은 플레이트(2)의 주변의 회전에 평행한 주변 경로를 따라 배향되도록 형상화된다. 아암(4)은 선택적으로, 중첩되어 더 긴 아암이 플레이트(2) 주위의 작은 주변 영역에 끼워질 수 있도록 계단형 또는 오프셋 섹션을 포함할 수 있다. 이 예시적 변형의 아암(4)은 좁아진 반경 방향 부분에 의해 플레이트에 연결되는 데, 이 반경 방향 부분은 예를 들어, 해당 반경 방향 부분의 양측에서 플레이트(2)의 주변에 노치를 형성함으로써 형성될 수 있다. 패드(3) 양단에 전압이 인가될 때, 좁아진 반경 방향 부분은 플레이트(2)의 주요 가열원 역할을 한다.

도 14 및 15는 원칙적으로 도 12 및 13의 변형례와 유사한 방사체 요소의 단순화된 개략예를 보여주며, 여기서 플레이트(2)는 실질적으로 원형이고, 접선 스프링/아암은 플레이트(2)와 장착 패드(3) 사이에서 연장된다. 도 14의 예에서, 각 연결 패드(3)는 4개의 스프링(4)에 의해 플레이트(2)에 연결된다. 일반적으로, 짝수 개의 아암/스프링을 제공하는 것이 유리한 데, 이는 전기적 입력 및 출력 연결이 균형을 이루는 방사체의 제조를 용이하게 하기 때문이다. 더 짧은 암을 더 많이 사용하면, 플레이트의 열 분포가 더 균일해지고 응답 시간이 빨라지지만, 전력 소비도 더 커진다. 더 큰 플레이트는 효과적인 가열을 위해 일반적으로 더 많은 스프링이 필요하다. 더 긴 스프링은 더 양호한 기계적 변형 완화를 제공하지만 응답 시간은 더 느려진다. 더 길고 얇은 스프링은 장치가 충격을 받으면 파손되기 쉽다. 도 14 및 도 15의 원형 플레이트 및 접선 스프링은 플레이트(2)가 가열 및 냉각될 때 매우 작은 회전 운동을 발생시킨다. 도 12, 13, 14 및 15에 제시된 예의 장치의 이러한 회전은 플레이트가 반경 방향 팽창만 이루어져서 실제로 회전이 관찰되지 않는 이전의 장치예와 대조된다.

열팽창에 의해 발생된 기계적 응력은 아암(4)에 의해 완화된다. 플레이트(2)와 아암(4)의 열팽창은 기계적 무결성을 보장하고 기계적, 전기적 및 열적 연속성을 유지하기 위해 보상되어야 하는 것이 바람직하다. 도 9, 10 및 11의 예에서, 열 팽창은 아암(4)이 신장되고 플레이트(2)가 반경 방향으로 팽창함에 따라 아암(4)을 휘게 한다. 도 12, 13, 14 및 15에 주어진 예에서, 플레이트(2)는 플레이트(2)의 반경 방향 팽창 및 아암(4)의 선형 팽창으로 인해 회전한다. 아암(4)도 역시 휘어질 것이다. 도 1의 예에서, 열 응력은 주어진 온도 이상에서 좌굴(buckling)을 유발한다. 아암(4)은 전기 및 열 전도도와 함께 기계적 변형을 조정하고 제어하기 위해 한정되는 것은 아니지만 노치, 테이퍼 및 사행형 구조체와 같은 추가의 구조체 가질 수 있다.

도 15는 또한 펄스폭 변조(PWM) 신호(10) 및 전류 공급원 또는 바이어싱 전압 공급원에 연결된 방사체(1)를 예시한다. PWM 모드에서 구동될 때, PWM 듀티 사이클은 방사체로부터 방출되는 IR의 온도 및 스펙트럼 특성을 변경하기 위해 변화될 수 있다. 이 예에서, 구동 신호는 PWM 신호를 통해 정의된다. PWM 주파수는 바람직하게는 전술한 장치의 열 응답 시간보다 바람직하게는 10배 이상 더 높아야 한다. PWM 제어에 추가로 또는 대안적으로, 장치는 통상적으로 1V 정도이지만, 방사체(1) 형상 및 재료에 따라 1 mV 정도로 낮거나 100 V 정도로 높은 DC 또는 AC 전압 바이어스로 구동될 수 있다. 전압 바이어싱은 온도에 대해 저항이 증가하는 재료에 대해 안정적인 작동을 제공할 것이다. 대안적으로, 방사체는 DC 또는 AC 모드에서도 전류 바이어스에 의해 구동될 수 있다. 이 전류 바이어스는 통상적으로 최대 10mA의 범위이지만 방사체(1) 형상 또는 사용된 재료에 따라 더 높거나 더 낮을 수 있다. 전류가 바이어스된 방사체(1)는 온도가 증가함에 따라 아암(4) 저항이 감소하는 장치의 안정적인 옵션이 될 것이다.

예를 들어 도 15에 예시된 방사체에 추가적인 전극을 제공하여 2개의 패드(3) 사이에서 전압을 측정할 수 있다. 이를 통해 장치의 저항을 실시간으로 모니터링할 수 있다. 아암(4)뿐만 아니라 플레이트(2)에서도 저항은 온도에 따라 변한다. 도 15에 예시된 바와 같이 추가의 전극을 제공하면, 전압과 전류가 기록될 수 있다. 이로부터 저항이 결정될 수 있으며, 적절한 보정을 통해, 저항은 IR 스펙트럼 및 강도로 변환된다. 이러한 피드백은 방출되는 IR 복사의 안정성을 개선하는 데 사용될 수 있다.

도 16은 도 15에 예시된 변형례에 대한 등가 회로도를 예시한다. 이 변형례에서는 플레이트(2)에 연결된 복수의 아암(4)(8개가 예시됨)이 존재한다. 제1 서브 세트의 하나 이상의 아암(4)(이 예에서는 제1 서브 세트의 4개의 아암)이 좌측의 제1 연결 패드(3)에 전기적으로 연결되고(이 예에서는 병렬로), 제2 서브 세트의 아암(이 예에서는 제2 서브 세트의 4개의 아암)이 우측의 제2 연결 패드(3)에 유사하게 병렬 연결된다. 제1 패드(3)가 전위(V) 또는 전위(V)에 가깝게 설정되고 제2 패드(3)가 다른 전위, 예컨대, 접지 전위 또는 접지에 가깝게 설정되면, 제1 패드(3)로부터 제1 서브 세트의 병렬 연결된 아암(4)을 통해, 플레이트(2)를 통해, 그리고 제2 서브 세트의 병렬 연결된 아암(4)을 통해 더 낮은 전위를 갖는 제2 패드(3)로 전류(I)가 흐르게 된다.

모든 아암(4)이 전기적으로 동일하면, Kirchhoff의 법칙에 의해 설명된 바와 같이 각 아암(4)의 전류는 1/4 이다. 결국, 각 아암(4)에서 소비되는 전력도 동일하고 R₄ I₂/16의 값을 가지며, 여기서 R₄는 각 아암(4)의 전기 저항이다. 바람직하게는 플레이트(2)의 저항인 R₂는 각각의 병렬 연결된 서브 세트의 저항보다 크게 낮고, 각 개별 아암(4)의 저항(R₄)보다 훨씬 낮다. 이것은 대부분의 전력이 아암(4)에서 소비되도록 하여 패드-아암들-플레이트-아암들-패드의 직렬 연결 구성을 통해 흐르는 전류에 의해 발생된 열의 대부분이 아암에서 발생되고 플레이트에서는 덜 발생된다. 패드-아암(들)-플레이트-아암(들)-패드의 직렬 연결된 회로로 볼 때, 각 아암 서브 세트의 저항은 플레이트의 저항보다 바람직하게는 적어도 10배, 더 바람직하게는 적어도 50배 또는 심지어 적어도 100배 이상이다. 플레이트(2)와 기판(8) 또는 반사 표면(15) 사이의 정전기적 상호 작용을 최소화하기 위해, 소정 패드에 인가되는 전위는 플레이트 전위(2)가 기판(8) 또는 반사 표면(15)과 동일한 전위에 있도록 설정될 수 있다. 예를 들어, 하나의 패드가 V/2 전위에 있고 반대쪽 패드가 -V/2에 있으면, 플레이트(2) 전위는 바람직하게는 기판(8) 및 반사 표면(15)의 전위인 0이 된다.

도 17에서, 생성된 전력 및 열 흐름이 도 15에 예시된 변형례에 대해 개략적으로 예시되어 있다. 전력(P_el)은 아암(4)에서 열 에너지로 변환되어 아암(4)이 복사 방출기의 최고 열점이 된다. 바람직하게는 각 아암(4)의 최고 열점은 도 17에서 T_max로 표시된 바와 같이 플레이트(2)에 가깝다. 이것은 패드(3)에 대한 열 경로의 열 저항이 플레이트(2)에 대한 열 저항에 비해 높다는 것을 의미한다. 아암(4)에서 발성된 열 중 소량은 열 에너지(P_Bth)로서 패드(3)로 흐르며, 여기서 패드는 바람직하게는 주위 온도에 가까울 수 있는 기판의 온도에 가까운 온도에 있다. 주위 온도는 실온(일반적으로 300K)일 수 있지만, 방출기가 저온 유지 장치(cryostat) 또는 가열된 환경에서 작동하는 경우 훨씬 더 낮거나 더 높을 수도 있다. 아암에서 발생된 열 에너지의 일부, 바람직하게는 대부분, 더 바람직하게는 실질적으로 전부가 P_Plth로서 플레이트(2)로 흐르고, 여기서 플레이트(2)를 원하는 온도로 가열한다. 플레이트(2)에 대한 열 에너지는 전자기 복사(P_IR-radiation), 예를 들어 약간의 가시광 복사를 갖는 적외선 복사로서 복사 방출된다.

복사 방출된 열 에너지가 ~T⁴로 조정되는 한편, 플레이트(2)와 아암(4)에서 패드(3)로의 열 전도도가 ~T로 조정됨에 따라, 방출기는 더 높은 온도에서 더 효율적이 된다.

도 18은 각각이 별도의 PWM 신호에 의해 구동될 수 있도록 연결된 다수(이 예에서는 16개)의 방사체 요소(1)의 어레이를 포함하는 IR 방출기를 보여준다. 이러한 어레이는 예를 들어, 특정 스펙트럼 프로파일을 가진 적외선 복사를 생성하는 데 사용될 수 있다. 실질적으로 더 큰 표면적은 생성되는 IR 복사를 증가시킨다. 활성화되는 방사체(1)의 수를 선택하는 것에 의해, 스펙트럼을 이동하지 않고도 강도가 조정될 수 있다. 단일 전원 공급 장치는 어레이의 각 요소(방사체(1))에 PWM 또는 전압 또는 전류 신호를 설정하는 트랜지스터로 어레이 내의 모든 방사체를 구동시킬 수 있다.

도 19a는 다른 인가 전압(예, 도 3의 A-A 축을 따라 인가됨)에 대해 플레이트의 온도가 방사체 플레이트에 걸쳐 어떻게 변할 수 있는 지에 대한 예를 보여준다. x-축은 축의 중심점으로부터 측정된 거리를 나타낸다. y-축은 축을 따라 대응하는 위치에서 측정된 플레이트(2)와 아암(4)의 온도를 보여준다. 곡선의 일부는 어느 부분(패드(3), 아암(4) 또는 플레이트(2))에 해당하는지 표시하기 위해 표시된다. 이 예에서, 플레이트는 약 70 ㎛의 직경 또는 횡방향 치수와 약 15 ㎛의 아암 길이를 가진다. 예시된 3개의 온도 곡선 각각에서, 연결 패드(3)의 온도는 주위 온도(예, 290-300K)에서 실질적으로 일정하지만, 아암(4)에 가파른 온도 구배가 있고 프레이트(2)에 걸쳐 다소 평탄한 온도 프로파일이 존재한다. 1.5 V의 인가 전압의 경우(이 예에서), 플레이트(2)의 중앙 영역은 아암으로부터 플레이트로 열전달이 일어나는 가열/지지 아암의 내부 단부 근처의 주변 영역보다 차다. 이것은 낮은 온도에서보다 높은 온도(예, 약 4,000K)에서 방출되는 훨씬 더 큰 복사( 및 그에 따른 플레이트(2)의 더 큰 광 출력 및 더 큰 냉각)의 결과 때문이다. 예를 들어, 4000K에서의 광 출력 밀도는 0.85 복사율에서 약 12 MWm^-2에 해당할 수 있다. 4000K에서, 3 미크론의 파장에서의 스펙트럼 복사는 1000K에서보다 약 2배 더 크고 피크 스펙트럼 복사는 약 3배 더 크다.

도 19a에 예시된 곡선은 플랑크의 법칙에 의해 예측된 곡선에 대응한다. 반면에 도 19b는 복사 강도 분포가 동일한 방사체 장치에 걸친 온도에 따라 실제로 어떻게 변할 수 있는 지를 보여준다. 인가 전압을 0.5 V에서 1.5 V로 높이면(따라서 온도가 약 1600K에서 4,000K 이상으로 증가하면), 복사 강도가 2배 이상 증가한다.

도 19c는 온도의 온도 구배가 도 19a 및 도 19b에서 사용된 것과 같은 작동 중의 방사체 장치에 걸쳐 어떻게 변할 수 있는 지에 대한 예를 보여준다. 이 예에서, 온도 구배는 패드(3)에 인접한 아암(4)의 외부 영역의 지점에서 최대값을 가진다. 이것은 부분적으로 패드(3)가 아암(4)보다 훨씬 낮은 온도에 있기 때문이며, 부분적으로는 그 지점에서 아암의 작은 단면적(따라서 높은 저항) 때문이다. 이들 두 가지 요소의 결합은 해당 지점에서 최대 온도 구배가 제공되지만 최소 열 에너지 흐름이 제공됨을 의미한다. 플레이트(2) 측의 아암(4)의 다른 단부에서는, 플레이트(2)가 원하는 복사 온도에 있거나 그 근처에 있기 때문에 온도 구배가 최소가 된다. 이 상태에서, 온도 구배는 최소이고, 아암으로부터 플레이트로의 열 에너지 흐름은 최대이며, 플레이트(2)로부터 방출되는 열 에너지는 가열된 아암(4)의 열 유입에 의해 보충된다. 이 설명의 다른 부분에서 언급되는 바와 같이, 플레이트의 온도를 높이기 위한 열의 대부분 또는 거의 모두는 아암(4)의 저항 가열에 의해 발생되고, (아암에 비해) 훨씬 낮은 플레이트(2)의 저항에 의해서는 열이 거의 또는 전혀 발생되지 않는다.

도 20은 스펙트럼 복사(y-축, 임의의 단위)가 서로 다른 플레이트 온도에서 파장(x-축)에 따라 어떻게 변하는 지를 보여준다.

도 21은 전압 바이어스가 시간 t = 0에서 시작하는 스텝 함수로 적용되는 경우에서와 같이 방사체(1)의 플레이트(2)의 가열 사이클 중에 온도(좌측 수직축) 및 열역학적 변위(우측 수직축)가 시간에 따라 어떻게 변하는 지를 예시한다. 곡선으로부터 알 수 있는 바와 같이, 이 예에서 열 사이클은 약 0.3 ms 이내에 안정 상태에 도달할 수 있다. 냉각 단계에서 유사한 속도를 볼 수 있다(표시되지 않음).

도 22는 진공 처리된 패키지 내에 방사체 플레이트(2) 및 진공 챔버를 위한 폐쇄체로도 기능하는 IR-투과창(14)을 구비하도록 제작된 방사체 요소를 포함하는 IR 방출기를 예시한다. 지향성 반사 표면(15)이 플레이트(2)에 의해 생성된 IR을 창(14)을 향해 반사하도록 배열된다. 본 발명의 모든 변형례에서, 반사 표면 또는 층(15)은 존재한다면 방사체 플레이트(2) 아래의 리세스(9)에 및/또는 방사체 플레이트 위의 구조체의 측벽 상에 형성될 수 있다. 창(14)은 예를 들어, 사파이어, 게르마늄, 실리콘 또는 다이아몬드로 형성될 수 있다. 창(14)의 재료는 필요에 따라 특정 IR 필터링 특성을 위해 선택될 수 있다. 기판(8)은 바람직하게는 높은 열 전도성을 갖는 재료, 예컨대 실리콘에 의해 제조될 수 있다. 스페이서 층(11 및 13)은 통상적으로 전기 절연성이며, 예를 들어, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 및/또는 바람직하게는 높은 열 전도성을 가지는 다른 유전체 또는 절연체로 형성될 수 있다. 스페이서 층(11 및 13)의 계면에 추가된 적절한 전기 절연 장벽에 의해 스페이서 층(11 및 13)의 재료는 실리콘과 같은 반도체 및 전도체 등의 재료로 형성될 수 있다. 반사 벽은 이방성 에칭, 그레이스케일 리소그래피 또는 다른 방식으로 111 면과 100 면 사이의 실리콘을 제거하여 기판(8)의 평면에 대해 125.26°의 표면을 남기는 것에 의해 형성될 수 있다. IR 방출기의 내부는 바람직하게는 10^-6 Torr 또는 바람직하게는 10^-6 이상으로 진공화된다.

창(14)은 광학 필터링 또는 렌즈 조절(lensing)과 같이, 진공 챔버를 밀봉하는 것 외에도 선택적으로 다른 기능을 수행할 수 있다. 창 재료는 부분적으로 장치에서 방출되는 IR 스펙트럼을 정의할 수 있으며, 반사율 및 투과율 특성을 변경하기 위해 표면에 추가의 코팅이 추가될 수 있다. 도 23은 IR 방출기의 초점 특성을 변화시키기 위해 외부 표면에 프레넬 렌즈를 제공하도록 창(14)을 패턴화, 몰딩 또는 다른 방식으로 처리한 것을 예시한다. 창(14)은 대안적으로 또는 추가적으로 IR의 특정 스펙트럼 성분에 대한 통과 또는 차단 필터로서 작용하도록 구성될 수 있다. 창은 파장 선택 및/또는 광 경로 조정을 위한 메타물질 표면을 형성하기 위해 패턴화되거나 도핑되거나, 그 위에 물질이 증착될 수 있다.

도 24는 창(14)을 통해 진공 챔버를 빠져 나가는 IR의 비율을 개선하기 위해, 챔버 벽이 포물선 또는 타원형 프로파일을 가지며, 챔버 벽이 금속층과 같은 IR-반사 코팅(18)으로 코팅된 배열을 보여준다. IR-반사 코팅(18)은 설명된 임의의 변형례에 포함될 수 있다. 추가의 변형례에서, 도 25는 방사체 플레이트(2)가 예를 들어, 용량성 또는 열역학적 액츄에이터(미도시)에 의해 어떻게 조종 가능하거나 진동 가능하게 만들어 질 수 있는 지를 보여준다. 창은 IR 방출의 원하는 광학 효과를 제공하도록 선택적으로 형상화 및/또는 코팅될 수 있다.

도 25에 예시된 스티어링 구성은 반사 표면(15)을 분할함으로써 달성될 수 있다. 분할된 금속 반사체 층(15)에 접근하기 위해 추가의 전기 리드를 제공하면, 반사기(15)와 플레이트(2) 사이에 전위가 인가될 수 있다. 플레이트는 스프링(아암(4))에 의해 유지되기 때문에, 플레이트(2)는 기울임, 경사 또는 피스톤 운동이 자유롭다. 플레이트 배향을 변경하는 데 필요한 힘은 용량성 힘(대략 F ~ ε₀ A/d*V²로 주어지며, 여기서 F는 힘, ε₀는 자유 공간의 유전율, A 및 d는 각각 분할된 전극과 플레이트(2) 사이의 세그먼트 및 분리의 면적이고, V는 분할된 반사기와 플레이트 사이의 전압)에 의해 인가된다. 세그먼트 수를 늘리면 플레이트의 기울임/경사/피스톤 능력에 영향을 미치며, 일반적으로 4개의 세그먼트로 충분하다. 일반적으로 10도의 기계적 각도에 도달할 수 있으며, 이는 방출된 광을 조향하고 및/또는 다른 광학 구성 요소와 장치의 정렬을 미세 조정하는 데 사용될 수 있다.

도 26a-26g는 웨이퍼 기판(8) 상에 IR 방출기의 다른 구성 요소와 함께 방사체를 웨이퍼 스케일로 제조할 수 있는 방법의 단순화된 예를 보여준다. 도 26b에서, 캐비티(9)가 에칭되고 반사성(예, 금속) 코팅(15)이 증착된다. 그 다음, 희생 재료(20)가 추가되고 평탄화되고 패턴화되며, 그 위에 소자층(21)(고온 세라믹)이 형성되고 소자를 구성하는 패드(3), 아암(4) 및 플레이트(2)로 패턴화된다. 도 26e에서, 희생 재료가 제거되어 소자층(21)의 각각의 방사체 플레이트가 각각의 반사 캐비티(9) 위에 유지된 상태로 남겨진다. 그 다음, 스페이서(23)에 의해 지지되고 고진공에서 접합부(22)에 의해 접합된 핸들(24)을 사용하여 창(14)이 추가되어 도 26g에 예시된 바와 같이 고온 방사체 요소를 둘러싸는 진공 챔버(27)를 각각 포함하는 밀봉된 IR 방출기를 형성할 수 있다. 그러면, 상부층(이 예에서 창(14))은 추가 웨이퍼-스케일 제조 공정을 위한 기초로 작용할 수 있다. 어플리케이션 장치(25)가 IR 방출기 웨이퍼 상에 직접 제조될 수 있거나, 개별적으로 제조된 다음 IR 방출기 웨이퍼에 정렬 및 접합되어 도 26h에 나타낸 바와 같이 통합된 IR 방출기를 갖는 어플리케이션 장치를 형성할 수 있다. 이것은 예를 들어, IR 간섭계 또는 유사한 어플리케이션 장치를 소형화하는 데 유용하다. 그런 다음, 개별 적층 어셈블리(예, 가스 센서, 화학 센서, IR 간섭계 등)가 다이싱 절단되어 개별 표면 실장 기술 패키지 또는 다른 개별 장치로 패키징될 수 있다. 이 수준의 소형화에서는 300×300 ㎛ 또는 그보다 더 작은 풋 프린트를 가진 IR 방출기로 완성된 어플리케이션 장치를 제조하는 것이 가능하다.

도 26a-26g는 제1 웨이퍼가 방사체 요소 및 관련 전자 리드를 보유하고 제2 웨이퍼가 스페이서(23), IR 창 및 추가적인 기능 표면(접합층(22) 및 가스 흡수를 위한 게터층(getter layer))을 보유하는 2-웨이퍼 접근법을 이용한 예시적인 방법을 기술하고 있다. 2개의 웨이퍼는 진공 상태에서 접합 및 밀봉되어 개별 독립형 진공 챔버를 형성한다. 대안적 실현예에서는 전체 스택이 적층형 방식으로 제작될 수 있다.

도 26e에서 계속해서, 추가적인 스페이서 재료가 추가되고 패턴화된 후, 패턴화된 게터 재료 및 최종적으로 예를 들어 게르마늄으로 형성될 수 있는 IR 창(14)이 증착될 수 있다.

도 27 및 도 28은 고온 세라믹 방사체 플레이트가 통합된 어플리케이션 장치의 2가지 변형례의 단면도를 예시한다. 제시된 예에서, 어플리케이션 장치는 Fabry-Perot 간섭계(FPI)(25) 및 스페이서(23) 상에 지지된 IR 투명창(14)으로 기밀하게 밀봉된 진공 챔버(27)의 오목한 리세스(9) 위에 유지된 내화 세라믹 방사체 플레이트(2)를 구비한 IR 방출기(1)을 포함하는 가스 센서이다. 또한 진공 상태에서 캐비티(9)는 방사체 플레이트(2)에 의해 생성된 IR을 창(14) 쪽으로 유도하기 위한 반사 코팅 또는 표면(15)을 가진다. 접점(30)에 의해 방사체의 패드(3)에 대한 전기적 연결이 허용됨으로써, 히터/지지 스프링(4) 양단에 전압 또는 전류가 인가되어 플레이트(2)를 1,600K, 2,000K 또는 2,500K를 초과하는 온도 또는 최대 4,000K 이상의 온도로 가열할 수 있다. 방사체 플레이트(2), 스프링(4) 및 패드(3)는 예를 들어 HfC, TaC, 또는 TaHfC, 또는 일부 다른 적절한 내화 세라믹 재료로 제조될 수 있다. FPI 장치(25)는 상부 및 하부 부분 반사기(31 및 32)를 포함하며, 이들은 함께 Fabry-Perot 공진 챔버를 형성하고 광학 대역 통과 필터로서 작동한다.

FPI는 알려진 방식으로 액츄에이터(29)에 의해 상부 반사기(32)를 하부 반사기에 대해 멀거나 가깝게 이동시킴으로써 조정될 수 있다. 도 27에 예시된 변형례에서, FPI의 IR 검출기가 FPI 장치의 상부 폐쇄 부재의 내부 표면의 고정 위치에 위치된다. 이에 대해, 도 28의 변형례에서, FPI IR 검출기는 FPI 필터(25)의 상부 반사 요소(32)와 함께 이동하도록 장착된다. FPI IR 미러가 이동하는 반사기에 장착되거나 이동하는 반사기와 함께 이동하도록 장착된 이러한 배열은 본 발명의 반사기 장치에 사용되는 것으로 제한되지 않고 다른 유형의 IR 방출기에 사용될 수 있다.

FPI의 2가지 변형례에서, 이들이 가스/화학 센서로 구현될 때, 검출/분석 대상의 가스는 2개의 부분 반사 미러(31 및 32) 사이의 공간을 포함하는 캐비티 영역(33) 내에 있다.

FPI(25)는 IR 방출기(1)의 창(14)에 직접 제작될 수 있거나, 개별적으로 제작된 다음 IR 방출기(1)의 창(14)에 정렬되고 접합될 수 있다.

본 발명에 따른 방사체 장치를 포함하는 IR 방출기의 다른 가능한 응용은 마이켈슨-몰리 간섭계(Michelson Morley Interferometer: MMI)를 포함한다. MMI에서, 광학 경로는 웨이퍼와 평면에 있고 이는 훨씬 더 긴 광학 경로를 허용하므로 가스 감지에 유리하다.

Claims (17)

1. IR 방출기 마이크로-핫 플레이트를 위한 방사체 장치(1)로서,
   상기 방사체 장치(1)는 IR 방출기 요소(2) 및 상기 방출기 요소(2)에 연결된 복수의 지지 아암(4)을 포함하고,
   상기 방출기 요소(2)는 상기 아암(4)에 의해 현수되며,
   상기 방출기 요소(2)는 상기 아암(4)의 저항 가열에 의해 미리 결정된 IR 복사 온도로 가열될 수 있는, 방사체 장치(1).
2. 제1항에 있어서, 상기 방출기 요소(2)는 완전히 또는 상당 부분 상기 아암(4)의 상기 저항 가열에 의해 상기 아암(4)으로부터 상기 방출기 요소(2) 내로의 열전도를 통해 상기 미리 결정된 IR 복사 온도로 가열 가능하도록 구성되는, 방사체 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 IR 복사 온도는 1,600K 초과, 바람직하게는 2,000K 초과, 더 바람직하게는 2,500K 초과, 더욱 더 바람직하게는 3,000K 초과, 또는 더욱 더 바람직하게는 3,500K 초과의 온도인, 방사체 장치(1).
4. 제1항 내지 제3항 중 한 항에 있어서, 상기 방출기 요소(2) 및 상기 아암(4)은 단일 연속 재료 피스로 형성되는, 방사체 장치(1).
5. 제4항에 있어서, 상기 재료는 전기 전도성 내화 세라믹인, 방사체 장치(1).
6. 제5항에 있어서, 상기 세라믹은 탄소, HfC, TaHfC 또는 텅스텐 탄화물을 포함하는, 방사체 장치(1).
7. 제1항 내지 제6항 중 한 항에 있어서, 상기 아암(4)의 수는 짝수이고, 상기 짝수는 적어도 4, 바람직하게는 적어도 6, 또는 더 바람직하게는 적어도 8인, 방사체 장치(1).
8. 제1항 내지 제7항 중 한 항에 있어서, 상기 아암(4)은 상기 방출기 요소(2)의 가열 및 냉각 중에 상기 방출기 요소(2) 및/또는 상기 아암(2)의 형상 및/또는 크기의 열역학적 변화를 흡수하도록 탄성적으로 변형 가능한, 방사체 장치(1).
9. 제1항 내지 제8항 중 한 항에 있어서, 상기 아암(4)은 각각 그 단면적이 상기 방출기 요소(2)에 인접한 상기 아암(1)의 영역에서 최소가 되도록 그 길이를 따라 변하는 단면을 가지는, 방사체 장치(1).
10. 제1항 내지 제9항 중 한 항에 따른 방사체 장치(1)를 포함하는 IR 방출기 장치로서, 상기 방출기 요소(2) 및 상기 아암(4)은 IR-투명창(21)을 포함하는 하우징에 봉지된, IR 방출기 장치.
11. 제10항에 있어서, 상기 하우징은 10^-3 Torr, 10^-4 Torr 미만, 바람직하게는 10^-5 Torr 미만, 또는 더 바람직하게는 10^-6 Torr 미만으로 진공화되는, IR 방출기 장치.
12. 제10항 및 제11항 중 한 항에 따른 IR 방출기 장치, 또는 제1항 내지 제9항 중 한 항에 따른 방사체 장치(1)를 포함하는 IR 방출기 장치를 포함하는, 가스 감지, 압력 감지, 가스 분석, IR 분광계, SEM 또는 TEM 장치.
13. 제12항에 따른 가스 감지, 압력 감지, 가스 분석, IR 분광계, SEM 또는 TEM 장치를 포함하는 휴대용 통신 장치.
14. 광대역 적외선 복사를 생성하는 방법으로서:
    제10항 및 제11항 중 한 항에 따른 IR 방출기 장치, 또는 제1항 내지 제9항 중 한 항에 따른 방사체 장치(1)를 포함하는 IR 방출기 장치를 사용하는 단계; 및
    상기 방출기 요소(2)를 1,600K 초과, 바람직하게는 2,000K 초과, 더 바람직하게는 2,500K 초과, 더욱 더 바람직하게는 3,000K 초과, 또는 더욱 더 바람직하게는 3,500K 초과의 온도로 가열하도록 상기 아암(4) 양단에 전압을 인가하는 단계
    를 포함하는, 방법.
15. 제14항에 있어서, 상기 전압을 200 Hz 초과, 바람직하게는 700 Hz 초과, 또는 더 바람직하게는 1,000 Hz 초과의 주파수로 펄스화하는 단계를 포함하는, 방법.
16. IR 방출기 장치를 제조하는 방법으로서, 단일 웨이퍼 상에 제1항 내지 제9항 중 한 항에 따른 다중 방사체 장치(1)를 제조하는 제1 제조 공정을 포함하는, 방법.
17. 제16항에 있어서, 각각의 방사체 장치(1)를 포함하는 어플리케이션 장치를 제조하도록, 특히, 가스 감지, 압력 감지, 가스 분석, IR 분광계, SEM 또는 TEM 장치인 상기 어플리케이션 장치의 하나 이상의 구성 요소를 각각의 상기 방사체 장치(1)와 정렬되게 제조하는 제2 제조 공정을 포함하는, 방법.

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