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基于MEMS技术的红外微光电器件研究

梁华锋  
【摘要】: 随着现代科技的发展,对光电系统小型化、轻型化和集成化提出了更加迫切的需求。MEMS技术这一革命性技术的出现为满足这些需求提供了近乎完美的解决途径。本文旨在,理论上和实验上,研究了两种类型的微光电器件,并采用MEMS技术设计并制作完成。这两种微光电器件一种为无源光学器件:双波段微滤光片阵列;另一种为有源光电器件:窄带红外热发射光源。本文围绕这两方面进行比较深入和系统的理论与实验研究,主要研究内容和成果综述如下: (1)可见/红外双波段微型滤光片阵列 设计并制作了双波段滤光片阵列用于与铂硅CCD集成构成双波段成像系统。在光学设计方面,采用吸收截止滤波片设计方法设计红外通带滤光片,用于截止从可见光到近红外波段的光;采用反射截止滤波片设计方法设计可见光通道滤光片,用于消除干涉型短波通滤波片抑制高级次反射峰时的设计和制作困难。制作工艺方面,设计了一种容易制作的双层T型结构用来剥离红外波段的高达5μm的厚膜,而且这种剥离结构能与高达350℃光学薄膜制备工艺兼容。制作完成的微滤波片阵列光学性能与机械性能均满足要求,并与铂硅CCD集成,对可见光波段和红外波段均成功成像。 (2)基于一维光子晶体窄带红外发射光源 设计了一种基于一维光子晶体窄带红外发射光源,其谱宽从几纳米至几十纳米之间,发射率接近100%。对光源的光学性能:发射率、中心波长、谱宽和角方向发射率进行了理论和数值分析。为了解决这种类型光源在实际工作过程中出现的热应力问题,提出了采用真空谐振腔的窄带红外发射光源。真空谐振腔将一维介质光子晶体和高温金属分离,有效解决这种器件的热应力问题,而且光学性能更优异。此外引入真空腔增加了另一个自由度,可以通过调整腔长来改变光源的发射特性,设计可调谐式和扫描式窄带红外光源,拓展其应用领域。 (3)基于一维金属/介质/金属异质光栅结构窄带红外发射光源 设计了基于一维金属/介质/金属异质光栅结构的窄带红外发射光源。与一般基于表面等离子体金属光栅或基于表面声子极化介质光栅只能激发TM模式不同,这种光源可以同时支持TM和TE模式。TM和TE模式的中心波长可设计为不一致,形成双波段工作。此外,在这种结构中波导模式被限定在金属/介质/金属构成的腔中,Q值更高,发射谱比已有文献报道的类似光源的发射谱要窄一个数量级以上。同时与传播的表面波耦合形成窄带发射光源不一样,这种腔模耦合方式具有局域性质,发射谱随角度变化不大。 (4)微带天线结构窄带红外发射光源 通过理论推导,将微带天线中横向波矢分量只能取离散数值的特性(由于顶层金属横向尺寸对电磁场的限制)和金属/介质/金属(MM)波导结构的色散关系统一起来,得到了这种微带天线结构类型窄带红外发射光源的发射中心波长与结构参数之间的关系。数值分析发现这种类型光源的发射谱比较窄,而且发射谱随角度变化比较小,可以用于设计全向窄带发射光源和全向完美吸收器,这在设计窄带红外探测器方面也有着很重要的潜在应用。 (5)窄带红外发射光源芯片的设计、制作与测试 对基于MEMS技术制作的窄带红外发射光源所共用的微加热器进行了设计,并采用有限元方法对其电、热和机械结构之间的相互耦合场进行了研究,模拟微加热器的温度分布、热形变、应力分布和动态响应等器件性能,为窄带红外发射光源的制作奠定了基础。此外为了制作具有真空腔一维光子晶体窄带红外发射光源,还设计了一种采用对称结构的低热应变微加热器,用于保证其在加热后能够正常工作。 采用MEMS技术制作了基于表面等离子体和基于类似微带天线结构的两种窄带红外发射光源。对制作工艺流程进行设计优化,并研究了制作过程中的多种单步工艺。特别对硅的各向异性湿法腐蚀工艺进行了深入研究,设计了腐蚀装置和腐蚀正面保护夹具,最终成功制作出窄带红外发射光源。搭建红外发射谱测试系统,并采用双温度黑体法对测试系统进行校准,对制作完成的窄带红外发射光源的发射谱特征进行了测试。


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