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轻松科普 | 快速了解MEMS热辐射红外光源原理,气体传感、生物医疗都能用!
文章来源:麦姆斯咨询
热发射光谱在环境监测、天体物理、医学诊断和药物研发等领域得到广泛应用。微机电系统(MEMS)红外光源虽有效缩小了器件体积,但光谱分布范围广、发射率较低。合理利用微纳结构可控制热发射的光谱特性,提高窄带发射性能。
近期,电子科技大学长三角研究院和光电科学与工程学院科研团队在《激光与光电子学进展》期刊上发表题为“基于微纳结构的MEMS红外窄带热光源及其应用”的文章。第一作者为李若禺,通讯作者为郭小伟。
本文介绍了MEMS热辐射红外光源技术原理,归纳了基于不同微纳结构实现红外窄带光源的研究进展,并讨论了其在气体传感、热光伏发电、生物医学等领域的应用。
MEMS热辐射红外光源基本原理
MEMS红外光源常用结构为图1所示的悬浮电阻结构,底层为硅基底,上层沉积支撑层和发热电阻,表面可附加微纳结构。支撑层常采用SiO₂与Si₃N₄复合结构,以平衡薄膜内应力,减少高温形变量,保持性能稳定。发热电阻采用多晶硅或金属材料,确保长时间高温下不发生漂移。
光源通过电阻发热激发红外辐射。在外界电压作用下,热电阻产生热辐射,辐射区能量按能量守恒定律通过三种途径传播:辐射区热辐射传导、空气对流传导、支撑层传递至硅基底的结构热传导。
图1 MEMS红外热光源常见结构及能量流动示意图
提高吸收率的方法之一是采用吸收率高的材料,如黑硅、铜锰氧化物等,但难以控制发射波长和带宽。另一种方法是利用光学微纳结构增强光与物质的相互作用,提高特定波长的吸收率。通过控制结构尺寸,可在共振波长处实现完美吸收。
基于微纳结构的窄带光源
光子晶体
光子晶体具有周期性折射率或介电常数,图2展示了不同维度的光子晶体示例。其特殊几何形状和周期性可产生独特光学传输现象。光子晶体结构与金属薄膜表面等离子体共振效应相互作用,增强特定波长光在表面的增强。通过调控结构参数,可创建谐调到特定波段的红外窄带光源。
图2 一维、二维和三维光子晶体的简易示例图
2002年,M.U.Pralle等人在硅基正方晶格光子晶体表面镀制金属膜,实现δλ/λ≤0.2的窄带红外光源,窄带光谱范围内吸收率超过90%。次年,I.El-Kady等人利用硅基六角晶格光子晶体,证明通过改变二维光子晶体晶格尺寸,可灵活调控发射波段。
光栅
光栅在调整表面发射率方面常用,研究人员在极性材料或金属表面设计光栅,以获得单色和定向发射峰。图6展示了光栅将热产生的表面波耦合至自由空间的原理。极性材料如SiC、GaP可激发表面声子偏振子(SPhP),金属材料可激发表面等离子激元(SPP)。通过光栅弥补入射光和SPhP/SPP间的动量失配,实现窄带热发射光谱。
2008年,日本团队在Au表面刻蚀窄而深的亚波长光栅,实现线性偏振的窄带热发射光谱。同年,Gabriel Biener等人在硅基光栅表面镀制金膜。2011年,Katsuya Masuno等人基于SPP效应研发多波长可选MEMS红外窄带光源。
超表面
超表面是新型超材料,提供非传统方法操纵光行为和热辐射。大多数超表面热发射器采用金属-绝缘体-金属(MIM)配置,细金属周期性阵列实现超表面结构,对红外波段光有电磁共振响应。当MEMS红外光源通过热辐射将电磁波传递给超表面时,符合电磁共振的电磁波在超表面共振并辐射,其余波段光不共振辐射,实现波长选择性发射。
2012年,Jun Tae Song等人提出基于TiN/SiO₂/TiN三层夹层结构的窄带红外发射器,通过调控表面方形图案的周期和大小控制波长。实验将发射波长分别为7.68 μm和7.88 μm的窄带红外发射器应用于气体传感系统,实现对多种气体的选择性响应。
红外窄带光源的应用
气体传感器光源
CO₂、CO、CH₄等气体分子与红外光发生共振并吸收能量。不同气体只与特定波长红外光共振,不同浓度影响红外光吸收能量。利用这一特性,通过对应波长红外辐射能量变化,可得到气体浓度值。图16(a)总结了2~15 μm常见气体吸收光谱。为更准确、灵敏监测气体浓度,采用红外窄带光源集中能量在目标气体波长附近,提高检测灵敏度和准确性。
总结
利用波长尺度周期性微纳结构中的光学共振,可自由控制热发射光谱。基于微纳结构的MEMS红外窄带热光源研究对提高光谱分辨率、改善生物医学成像性能和推动红外材料及器件发展具有重要意义。通过选择合适纳米结构类型,可控制热发射光谱从单峰到多波段、线性偏振或偏振不敏感、发射波长从近红外到中红外。
参考资料:
CIOE
举办地区:广东
开闭馆时间:09:00-17:00
举办地址:深圳市宝安区福海街道和平社区展城路1号
展览面积:240000㎡
观众数量:121458
举办周期:1年1届
主办单位:中国科学技术协会
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