硅基MEMS紅外光源光譜特性測(cè)試研究

孫玉虹，曹嘉峰，王 成，陳曉勇，孔齡婕，丑修建,，孫立寧

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硅基MEMS紅外光源光譜特性測(cè)試研究

孫玉虹1,2，曹嘉峰1,2，王 成1,2，陳曉勇1,2，孔齡婕1,2，丑修建1,2,3，孫立寧3

（1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051；2.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051；3.蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院&江蘇省先進(jìn)機(jī)器人技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室&蘇州納米科技協(xié)同創(chuàng)新中心，蘇州 215123）

硅基MEMS紅外光源作為紅外應(yīng)用系統(tǒng)的核心部件，其光學(xué)輻射特性直接影響著整個(gè)紅外裝置的性能，然而，國(guó)內(nèi)外對(duì)于硅基MEMS紅外光源的輻射特性尤其是輻射光譜特性未見詳細(xì)報(bào)道，因此，為確定硅基MEMS紅外光源的輻射光譜分布，對(duì)MEMS紅外光源光譜特性進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)試是非常必要的。實(shí)驗(yàn)采用OL（Optronic Laboratories）系列光譜測(cè)量系統(tǒng)對(duì)MEMS紅外光源進(jìn)行光譜特性測(cè)試，相對(duì)輻射光譜測(cè)試結(jié)果顯示該光源的紅外光譜波段主要分布在3～5mm，中心波長(zhǎng)在3.6mm處，其大氣透過率接近90%，具有很好的大氣透射度。

MEMS紅外光源；光譜測(cè)試；光柵衍射；光譜輻射

0 引言

現(xiàn)代微機(jī)械系統(tǒng)的迅猛發(fā)展，極大地促進(jìn)了微機(jī)械傳感與執(zhí)行器件在各領(lǐng)域的應(yīng)用與完善[1-2]。光電標(biāo)識(shí)裝置作為一種新型微機(jī)械集成設(shè)備，正在光電對(duì)抗技術(shù)、紅外通訊技術(shù)、特殊作業(yè)環(huán)境人員搜救等領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的重要作用[3-4]。微機(jī)械紅外光源是光電標(biāo)識(shí)裝置的核心部件，其光學(xué)輻射特性直接影響著整個(gè)裝置的性能[5-7]。硅基MEMS紅外光源是近幾年新興的微機(jī)械紅外光源，國(guó)內(nèi)外對(duì)于硅基MEMS紅外光源的輻射特性尤其是輻射光譜特性從未有過詳細(xì)報(bào)道，因此，為確定硅基MEMS紅外光源準(zhǔn)確輻射光譜分布，展開對(duì)硅基MEMS紅外光源光譜測(cè)試的研究是非常必要的。

1 硅基MEMS紅外光源

文中測(cè)試光源采用本課題組研制的一種新型懸浮薄膜結(jié)構(gòu)的MEMS紅外光源，如圖1所示。以濃硼摻雜多晶硅為紅外輻射層，重?fù)诫s單晶硅為光源反射層，通過電感耦合等離子體刻蝕技術(shù)形成正面空腔，深反應(yīng)離子刻蝕工藝去除基底背面硅形成懸浮結(jié)構(gòu)，極大程度改善了因輻射體部熱容引起的熱積累損傷，提高了MEMS紅外光源的電光轉(zhuǎn)化效率和驅(qū)動(dòng)響應(yīng)速率，實(shí)現(xiàn)了光源器件可深度變頻調(diào)制。

通過濺射鋁電極實(shí)現(xiàn)器件電氣互連，并采用可靠性同軸密封封裝，利用半導(dǎo)體-金屬鍵合工藝將MEMS紅外光源芯片貼裝到超硬鋁合金材料的TO-39管腳封裝器件基座上，并通過金絲球焊機(jī)將芯片端與封裝管腳的電極引線連接，光源器件的封裝成品如圖2所示。

2 硅基MEMS紅外光源光譜特性的測(cè)試

2.1 測(cè)試原理

光柵分光是指利用光柵衍射原理從復(fù)合光中分離開各種不同波長(zhǎng)的光，將從光源激發(fā)出來的復(fù)合光展開成光譜[8]。光波在傳播時(shí)，陣面上的每個(gè)點(diǎn)都可以被認(rèn)為是一個(gè)單獨(dú)的次波源，這些次波源發(fā)出球面次波，以后某一時(shí)刻的波陣面就是該時(shí)刻這些球面次波的包絡(luò)面（惠更斯原理）[9]。光柵分光示意圖如圖3所示。

光柵分光具體原理方程如下：

＝(sin±sin) (1)

式中：代表光譜級(jí)；為波長(zhǎng)；為入射角；為衍射角；為光柵常數(shù)。當(dāng)＝0時(shí)，得到零級(jí)光譜，與無關(guān)，此時(shí)無分光作用但可得到最大光強(qiáng)，當(dāng)＝±1時(shí)，得到一級(jí)光譜，若短，小，則靠近零級(jí)光譜，若長(zhǎng)，大，則遠(yuǎn)離零級(jí)光譜，此狀態(tài)下可以實(shí)現(xiàn)光波分光，且光強(qiáng)相對(duì)較大；當(dāng)＝±2時(shí)，得到二級(jí)光譜，此時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)分光，但光強(qiáng)較小，一般作濾波處理，以免干擾測(cè)定。光柵分辨率與波長(zhǎng)無關(guān)，分離后的光譜屬于均排光譜。

圖1 MEMS紅外光源微結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 TO-39封裝的MEMS紅外光源器件

圖3 光柵分光示意圖

2.2 測(cè)試儀器基本構(gòu)成

本實(shí)驗(yàn)采用的光譜測(cè)量裝置為紅外探測(cè)器件相對(duì)光譜響應(yīng)校準(zhǔn)裝置，該裝置是由美國(guó)Gooch & Hacsego公司生產(chǎn)的OL（Optronic Laboratories）系列光譜測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由精密直流源、紅外光源、單色儀、控制器（含信號(hào)檢測(cè)）、標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器、計(jì)算機(jī)以及測(cè)控軟件組成，采用替代法測(cè)量相對(duì)光譜響應(yīng)，通過傳遞探測(cè)器溯源到低溫輻射計(jì)。該系統(tǒng)擁有3個(gè)分立光柵，分別為1.0～2.5mm、2.5～6.3mm和6.3～15mm三個(gè)光譜段，形成連續(xù)可調(diào)光柵體系，實(shí)現(xiàn)光譜測(cè)量響應(yīng)范圍1～15mm，采用分光棱鏡解析入射輻射光波長(zhǎng)最小分辨率為10nm，精確度±0.01%。裝置測(cè)試紅外器件的原理框圖如圖4所示。

圖4 紅外探測(cè)器相對(duì)光譜響應(yīng)測(cè)試原理框圖

2.3 測(cè)試步驟

測(cè)試時(shí)，將系統(tǒng)中的紅外光源替換為被測(cè)MEMS紅外光源，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)MEMS紅外光源相對(duì)光譜圖的測(cè)試。具體測(cè)試步驟如下：

1）將光源裝夾在原系統(tǒng)紅外光源1位置處，拆取系統(tǒng)紅外光源時(shí)做好位置標(biāo)記，保證被測(cè)紅外光源的安裝位置與原光源位置絕對(duì)統(tǒng)一。裝夾完成后，連接光源供電線路，保證光源測(cè)試時(shí)供電穩(wěn)定性，同時(shí)為減少光源測(cè)量時(shí)外部熱源的影響，將供電裝置置于距測(cè)試系統(tǒng)較遠(yuǎn)位置。

2）啟動(dòng)光源和紅外輻射計(jì)，并開動(dòng)紅外輻射計(jì)調(diào)制盤為50～80Hz，待被測(cè)光源工作狀態(tài)穩(wěn)定后，記下脈沖電壓峰-峰值min、低頻調(diào)制峰值電壓max及min/2處脈沖持續(xù)時(shí)間。

3）關(guān)閉測(cè)試間其他一切發(fā)光光源，將所有可能影響紅外光源的外部熱源移除系統(tǒng)周圍，接通被測(cè)紅外光源外部供電線路。為保證測(cè)試穩(wěn)定性，待光源工作一定時(shí)間后打開測(cè)試程序開始測(cè)試。

測(cè)試時(shí)光源供電采用數(shù)顯可調(diào)直流穩(wěn)壓電源（精度±10%），波長(zhǎng)步進(jìn)100nm。由于測(cè)試采用光柵分光法，會(huì)對(duì)紅外光源的輻射進(jìn)行多次反射，消耗光強(qiáng)，無法實(shí)現(xiàn)絕對(duì)光譜強(qiáng)度的測(cè)試，最終實(shí)現(xiàn)的是相對(duì)光譜強(qiáng)度測(cè)試。相對(duì)光譜測(cè)試環(huán)境為全黑氛圍，溫度22℃，濕度56%。

2.4 測(cè)試結(jié)果

1）單一電壓驅(qū)動(dòng)測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果顯示，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓為5V時(shí)，硅基紅外光源的光譜輻射波段位于3～5mm波段內(nèi)，中心波長(zhǎng)m在3.6mm處，半峰寬約為1.9mm。在2.4～2.6mm內(nèi)出現(xiàn)短暫小波峰，經(jīng)多次重復(fù)測(cè)試及研究光譜測(cè)量系統(tǒng)內(nèi)部工作原理，分析該結(jié)果是由于系統(tǒng)內(nèi)部測(cè)量過程中光柵切換造成的；在4.1～4.4mm波段內(nèi)，波形變化出現(xiàn)驟降，是由于大氣吸收所致。光譜分布圖如圖5所示。

圖5 5V驅(qū)動(dòng)電壓下MEMS紅外光源光譜輻射特性

Fig 5 The MEMS infrared source spectral radiation characteristics under the driving voltage of 5 V

2）不同電壓驅(qū)動(dòng)測(cè)試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中，MEMS紅外光源的表面溫度特性是采用Thermalert TX系列在線式紅外測(cè)溫儀測(cè)試，該測(cè)溫儀適合多種光譜測(cè)量，測(cè)量溫度范圍為－18～2000℃。實(shí)驗(yàn)時(shí)環(huán)境溫度為23℃，濕度為28%。MEMS紅外光源在外接不同驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，其表面溫度曲線圖如圖6所示，圖中顯示隨驅(qū)動(dòng)電壓的增大，光源表面溫度在不斷升高。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓為5.8V時(shí)，光源表面溫度約為750K，此時(shí)MEMS紅外光源未有可見紅光輻射；當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓超過5.9V時(shí)，明顯輻射出可見紅光，驅(qū)動(dòng)電壓升至7.0V時(shí)，其表面溫度幾乎接近1000K，同樣可看到紅光。因此工作時(shí)所加驅(qū)動(dòng)電壓應(yīng)小于5.9V。

圖6 不同驅(qū)動(dòng)電壓溫度特性測(cè)試圖

實(shí)驗(yàn)中，采用不同的驅(qū)動(dòng)電壓為被測(cè)紅外光源供電，同一被測(cè)光源在不同驅(qū)動(dòng)電壓下光譜響應(yīng)如圖7所示。設(shè)定初始電壓為5V，以0.4V步長(zhǎng)增加，最大至7.4V，測(cè)試結(jié)果顯示，不同電壓驅(qū)動(dòng)下，同一光源的中心波長(zhǎng)保持不變，隨溫度的增大，中心波長(zhǎng)有向短波方向移動(dòng)的趨勢(shì)。

圖7 不同驅(qū)動(dòng)電壓下MEMS紅外光源光譜輻射特性

Fig 7 The MEMS infrared source spectral radiation characteristics under different driving voltage

綜合分析MEMS紅外光源光譜分布測(cè)試結(jié)果可知，光源光譜圖主要分布在3～5mm之間，中心波長(zhǎng)m為3.6mm，光譜在2.5～2.7mm及4.2～4.4mm波段內(nèi)出現(xiàn)明顯的小范圍波谷，相對(duì)光譜強(qiáng)度隨著電壓的增大而增大，光譜分布受電壓影響不明顯，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓達(dá)5.9V時(shí)光源出現(xiàn)明顯的可見紅光，具體應(yīng)用時(shí)可根據(jù)隱秘性要求選擇驅(qū)動(dòng)電壓的大小。測(cè)試中，紅外光在大氣傳輸中特定的傳輸窗口及儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成了兩個(gè)短暫的波谷，其中在4.2～4.4mm波段內(nèi)出現(xiàn)的短暫波谷由于大氣中二氧化碳與水蒸氣吸收所致[10]，2.5～2.7mm波段內(nèi)的短暫波谷則是由于儀器內(nèi)部更換光柵造成的光噪聲。

2.5 測(cè)試中應(yīng)注意的問題

為減少測(cè)試中人為造成的差異，注意光源每次測(cè)量所處位置的固定性，采用多記號(hào)標(biāo)定方式增加準(zhǔn)確性，做到聚光鏡與被測(cè)光源及聚光鏡始終在同一平面高度，控制好測(cè)試間的溫濕度，關(guān)閉測(cè)試間其他發(fā)光源，保證所測(cè)光源的單一性，采用多次測(cè)量方法，驗(yàn)證光源輻射光譜分布的重復(fù)性。一定要多測(cè)幾組數(shù)據(jù)求其平均值，重復(fù)測(cè)量看光源輻射光譜分布的重復(fù)性。

3 結(jié)束語

由于紅外輻射[11]具有高溫、不可見、易受環(huán)境影響等特征，使其光波測(cè)試一直難以做到準(zhǔn)確、直接。本文利用紅外探測(cè)儀相對(duì)光譜測(cè)試技術(shù)，采用代替法實(shí)現(xiàn)了光源的光譜測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示該MEMS紅外光源的輸出光譜主要集中在1.0～6.5mm波段，中心波長(zhǎng)集中在3.0～4.2mm波段之間，在此波長(zhǎng)范圍內(nèi)的紅外光在大氣傳播中衰減較小，其大氣透過率接近90%，具有很好的大氣透射度，明顯區(qū)別于環(huán)境背景，具有較高的信噪比，滿足紅外傳輸隱蔽性，可適用于人員搜索和營(yíng)救、飛機(jī)降落指引以及軍事敵我識(shí)別等領(lǐng)域，具有廣泛的應(yīng)用前景。

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The Testing Research of Spectral Characteristics of Silicon MEMS Infrared Source

SUN Yu-hong1,2，CAO Jia-feng1,2，WANG Cheng1,2，CHEN Xiao-yong1,2，KONG Ling-jie1,2，CHOU Xiu-jian1,2,3，SUN Li-ning3

(1.(),,030051,;030051,215123,

As a core component of infrared applications, the optical radiation characteristics of Silicon MEMS infrared source directly affects the performance of the infrared devices, however, there was not detailed report for the radiation characteristics of silicon MEMS infrared source radiated spectral characteristics at home and abroad. Therefore, to determine the radiation spectrum of a silicon MEMS infrared source distribution, the accurate testing for spectral characteristics of the MEMS infrared source is necessary.MEMS infrared source spectral characteristics are tested by using OL (Optronic Laboratories) series spectrum measurement system. The results show that the relative radiation spectrum infrared spectral band of the source is mainly distributed in 3～5mm, and the center wavelength is at 3.6μm and its atmospheric transmittance is nearly 90 percent with a good transmittance of the atmosphere.

MEMS infrared source，Spectral test，Grating diffraction，Spectral radiance

TN212

A

1001-8891(2015)04-0347-04

2014-08-29；

2014-11-03.

孫玉虹（1988-），女，山西大同人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)镸EMS器件測(cè)控技術(shù)。E-mail:sunyuhong361@126.com

丑修建（1979-），男，湖北咸寧人，中北大學(xué)教授、碩士生導(dǎo)師、博士，主要研究方向微納智能光-機(jī)-電器件與系統(tǒng)。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目，編號(hào)：51275492；中國(guó)博士后科學(xué)基金特別資助項(xiàng)目，編號(hào)：2013T60557；中國(guó)博士后科學(xué)基金面上資助項(xiàng)目，編號(hào)：2012M521118；江蘇省博士后科研資助計(jì)劃項(xiàng)目，編號(hào)：1201038C。