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)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051；2.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國防科技重點實驗室，山西 太原 030051；3.蘇州大學(xué)機電工程學(xué)院&江蘇省先進機器人技術(shù)重點實驗室&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紅外裝置的性能，然而，國內(nèi)外對于硅基MEMS紅外光源的輻射特性尤其是輻射光譜特性未見詳細報道，因此，為確定硅基MEMS紅外光源的輻射光譜分布，對MEMS紅外光源光譜特性進行準確測試是非常必要的。實驗采用OL（Optronic Laboratories）系列光譜測量系統(tǒng)對MEMS紅外光源進行光譜特性測試，相對輻射光譜測試結(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；光譜測試；光柵衍射；光譜輻射

0 引言

現(xiàn)代微機械系統(tǒng)的迅猛發(fā)展，極大地促進了微機械傳感與執(zhí)行器件在各領(lǐng)域的應(yīng)用與完善[1-2]。光電標識裝置作為一種新型微機械集成設(shè)備，正在光電對抗技術(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]。微機械紅外光源是光電標識裝置的核心部件，其光學(xué)輻射特性直接影響著整個裝置的性能[5-7]。硅基MEMS紅外光源是近幾年新興的微機械紅外光源，國內(nèi)外對于硅基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報道，因此，為確定硅基MEMS紅外光源準確輻射光譜分布，展開對硅基MEMS紅外光源光譜測試的研究是非常必要的。

1 硅基MEMS紅外光源

文中測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，重摻雜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)動響應(yīng)速率，實現(xiàn)了光源器件可深度變頻調(diào)制。

通過濺射鋁電極實現(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試

2.1 測試原理

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，陣面上的每個點都可以被認為是一個單獨的次波源，這些次波源發(fā)出球面次波，以后某一時刻的波陣面就是該時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；為波長；為入射角；為衍射角；為光柵常數(shù)。當＝0時，得到零級光譜，與無關(guān)，此時無分光作用但可得到最大光強，當＝±1時，得到一級光譜，若短，小，則靠近零級光譜，若長，大，則遠離零級光譜，此狀態(tài)下可以實現(xiàn)光波分光，且光強相對較大；當＝±2時，得到二級光譜，此時也可以實現(xiàn)分光，但光強較小，一般作濾波處理，以免干擾測定。光柵分辨率與波長無關(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 測試儀器基本構(gòu)成

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

圖4 紅外探測器相對光譜響應(yīng)測試原理框圖

2.3 測試步驟

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

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

2）啟動光源和紅外輻射計，并開動紅外輻射計調(diào)制盤為50～80Hz，待被測光源工作狀態(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)時間。

3）關(guān)閉測試間其他一切發(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，接通被測紅外光源外部供電線路。為保證測試穩(wěn)定性，待光源工作一定時間后打開測試程序開始測試。

測試時光源供電采用數(shù)顯可調(diào)直流穩(wěn)壓電源（精度±10%），波長步進100nm。由于測試采用光柵分光法，會對紅外光源的輻射進行多次反射，消耗光強，無法實現(xiàn)絕對光譜強度的測試，最終實現(xiàn)的是相對光譜強度測試。相對光譜測試環(huán)境為全黑氛圍，溫度22℃，濕度56%。

2.4 測試結(jié)果

1）單一電壓驅(qū)動測試結(jié)果

測試結(jié)果顯示，當驅(qū)動電壓為5V時，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)測試及研究光譜測量系統(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)動測試結(jié)果

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

圖6 不同驅(qū)動電壓溫度特性測試圖

實驗中，采用不同的驅(qū)動電壓為被測紅外光源供電，同一被測光源在不同驅(qū)動電壓下光譜響應(yīng)如圖7所示。設(shè)定初始電壓為5V，以0.4V步長增加，最大至7.4V，測試結(jié)果顯示，不同電壓驅(qū)動下，同一光源的中心波長保持不變，隨溫度的增大，中心波長有向短波方向移動的趨勢。

圖7 不同驅(qū)動電壓下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試結(jié)果可知，光源光譜圖主要分布在3～5mm之間，中心波長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，相對光譜強度隨著電壓的增大而增大，光譜分布受電壓影響不明顯，當驅(qū)動電壓達5.9V時光源出現(xiàn)明顯的可見紅光，具體應(yīng)用時可根據(jù)隱秘性要求選擇驅(qū)動電壓的大小。測試中，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 測試中應(yīng)注意的問題

為減少測試中人為造成的差異，注意光源每次測量所處位置的固定性，采用多記號標定方式增加準確性，做到聚光鏡與被測光源及聚光鏡始終在同一平面高度，控制好測試間的溫濕度，關(guān)閉測試間其他發(fā)光源，保證所測光源的單一性，采用多次測量方法，驗證光源輻射光譜分布的重復(fù)性。一定要多測幾組數(shù)據(jù)求其平均值，重復(fù)測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，使其光波測試一直難以做到準確、直接。本文利用紅外探測儀相對光譜測試技術(shù)，采用代替法實現(xiàn)了光源的光譜測試，測試結(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，中心波長集中在3.0～4.2mm波段之間，在此波長范圍內(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救、飛機降落指引以及軍事敵我識別等領(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，主要研究方向為MEMS器件測控技術(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-電器件與系統(tǒng)。

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