[發明專利]一種基于雙懸空結構的可調紅外熱輻射器件

在審

• 申請號: 202010426746.4
• 申請日: 2020-05-19
• 公開（公告）號: CN111504934A
• 公開（公告）日: 2020-08-07
• 發明（設計）人: 何賽靈;郭庭彪;賀楠
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01N21/35
• 分類號: G01N21/35;G01N21/3504;G01N21/01;B81B7/04;B81B7/00
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 林松海

本發明公開了一種基于雙懸空結構的可調紅外熱輻射器件，包括下層懸空結構和上層懸空結構；下層懸空結構自下而上依次包括基底、下層支撐層、下層加熱層、下層導電層；所述的上層懸空結構自下而上依次包括上層支撐層、上層絕緣層、上層導電層、上層半導體微納結構，或者依次包括上層支撐層、上層絕緣層、上層金屬微納結構；通過調節下層懸空結構的溫度，調節可調紅外熱輻射器件的黑體輻射背景譜線，通過加電壓控制上下層導電層之間的靜電力，影響其形變程度，從而推動上層懸空結構靠近或者遠離下層懸空結構，改變上層空氣間隙，進而改變微納結構的輻射波長以及輻射強度，可以在低功耗狀態下，實現波長調諧及強度調制等功能。

技術領域

本發明涉及一種可調紅外輻射器件，適用于紅外成像、氣體傳感、紅外隱身（防偽）、光譜技術等領域。

背景技術

中紅外光源在氣體傳感領域具有廣泛用途，許多無機污染氣體對中紅外光的吸收能力要遠遠大于近紅外及以下波段，且多種揮發性有機物（Volatile Organic Compounds,VOC）也在中紅外才開始出現吸收峰。目前，在4-12 um中紅外波段范圍內做氣體特征指紋光譜檢測等使用較多的窄帶光源是量子級聯激光器（Quantum Cascade Laser, QCL）。一般來說，作為中紅外光源，QCL具有窄的出射光帶寬，波長在8 um-10 um范圍內的QCL的中心波長一般可以調大概20 nm-30 nm的波長變化，強度直接調制的頻率也可達kHz量級。但是，QCL的弊病在于其價格過于昂貴，購買一個QCL激光器需要花費數萬美元，這極大地增加了儀器的成本。成本較低的熱輻射源可以作為中紅外光源，在實際應用中有著巨大潛力。然而，現有的紅外熱輻射源由于大的熱電阻、熱電容等因素影響，存在著熱效率低、功耗大、調制速度慢、調制深度不夠、中心波長調諧困難等缺點，這使得很多先進傳感技術（如光聲光譜技術等）無法直接利用熱輻射器件作為紅外光源。研制動態可調的中紅外光源具有重要的現實意義。

發明內容

為了克服現有技術的不足，本發明的目的是提供基于雙懸空結構的可調紅外熱輻射器件，該器件由上下兩層懸空結構構成：下層懸空結構用來實現加熱功能；上層結構為懸空的微納結構。通過調節下層結構的溫度，可以整體調節器件的黑體輻射背景譜線；而調節上層懸空結構的空氣層間隙，則可以調節輻射波長、輻射強度等，進而滿足各種傳感技術的應用。

一種基于雙懸空結構的可調紅外熱輻射器件，包括下層懸空結構和上層懸空結構；所述的下層懸空結構自下而上依次包括基底、下層支撐層、下層加熱層、下層導電層；所述的上層懸空結構自下而上依次包括上層支撐層、上層絕緣層、上層導電層、上層半導體微納結構，或者依次包括上層支撐層、上層絕緣層、上層金屬微納結構；基底成凹形，與下層支撐層一起形成一個下層空氣間隙；上層支撐層中間挖空，與上層導電層、上層支撐層、上層絕緣層一起形成一個上層空氣間隙；通過調節下層懸空結構的溫度，調節可調紅外熱輻射器件的黑體輻射背景譜線，通過加電壓控制上下層導電層之間的靜電力，影響其形變程度，從而推動上層懸空結構靠近或者遠離下層懸空結構，改變上層空氣間隙，進而改變微納結構的輻射波長以及輻射強度，實現波長調諧及強度調制。

所述的基底采用硅基底，下層懸空結構在硅基底上制作，下層支撐層為介質材料，下層加熱層由金屬材料構成，設計成螺旋、盤狀、環狀結構，以使得加熱均勻；在下層加熱層的兩端各引出一個電極，通過在電極上施加電信號，通過金屬發熱將電流轉化成熱能；下層加熱層依靠下層支撐層懸空在硅基底上。

所述的上層半導體微納結構或者上層金屬微納結構，輻射或者吸收特定波長的紅外光，且同下層導電層間存在模式耦合。

所述的雙懸空結構的可調紅外熱輻射器件，通過金屬引線結合或者通孔的方式將電信號引入上層懸空結構。

本發明的有益效果在于：

1. 本發明采用雙層懸空結構方案，將加熱與輻射調節功能分離開來，可以提高器件的熱效率，同時對器件的紅外輻射進行有效調控；