高功率红外辐射器的研究与设计
高功率红外辐射器的研究与设计[20200406105255]
摘 要
随着红外技术的发展，多个领域的大门被相继开启了。它们覆盖了红外通讯系统、光电子器件、空间监视与侦查传感器、房屋安全系统、隐蔽观察系统、数据传输系统、导弹告警系统、高分辨率成像传感器、污染监视传感器、空间传感器、多光谱机载以及一大批的军用和商用传感器等领域。红外光源是气体传感系统中的核心部件，与其它红外光源相比，由MEMS工艺所制造的硅基红外光源有体积小、能耗低、调制频率高等特点，在微型气体传感器中拥有难以取代的优势，成为了近年来研究中的热点。
本文主要研究硅基红外光源的目前发展应用情况以及未来的发展方向，了解许多结构的优缺点以及当前光源表面粗糙化技术的进展情况，通过红外辐射理论分析对于影响硅基红外光源性能的因素进行分析。同时利用了光源表面粗糙化技术，通过对辐射率的研究，提出在光源表面淀积一层多孔硅，进行了实验和数据结果分析，设计了一个工艺流程。对多孔硅在红外光源表面的一些应用进行了研究，希望这种新型材料能在光电子器件方面有更广泛的应用。
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关键字:红外光源；MEMS；辐射率
目录
第一章 绪论 1
1.1红外技术研究背景 1
1.2红外技术与红外光源 3
1.2.1红外技术的发展阶段 3
1.2.2硅基红外光源的发展阶段 4
1.3硅基红外光源结构 4
1.4硅基红外光源的未来研究方向 6
1.4.1光子晶体结构 6
1.4.2新型发光材料和表面淀积层的研究 7
1.5本文研究内容与研究目标 8
第二章 红外辐射理论 10
2.1黑体辐射 10
2.2 灰体辐射与辐射率 11
第三章 硅基红外光源结构设计 13
3.1表面淀积高发射率的材料 13
3.2 光源的模型设计 14
3.3 多孔硅的高功率红外光源的工艺流程 15
3.3.1多孔硅的形成原理 15
3.3.2光源的简要工艺说明 15
3.4硅基红外光源的封装研究 17
3.5小结 18
第四章 总结与展望 19
参 考 文 献 20
第一章 绪论
1.1红外技术研究背景
通过对物理学的研究，我们分明了全部温度高于绝对零度的物体辐射着不同波长的红外线。随着物体温度的升高，它们的红外线辐射强度也随之变大。通过对各种物体辐射特征的不同，就可以使用红外技术在白天和夜晚对目标进行探测、跟踪以及辨别，从而获取相关目标的信息。
红外技术在生活中的应用：在现代社会，各式各样的红外线技术已经走进了我们的生活中，它在很多场合发挥着重要的作用。商场，政府机关，电梯等的自动门，在人走进或走出时都会自动开关。那是因为在门的一侧有一个红外光源，其发射的红外线照射到了门另一侧的光电管上。当人或者物体遮住了红外线，光电管接收不到红外线，那么门就会自动打开，反之就会关闭。人们称这种装置为“电眼”，它在许多自动化控制设备中发挥着重要作用。走进一个普通家庭都可以看到各种各样的“红外遥控器”，如彩电、音箱、冰箱、空调、汽车遥控器等，使用它们大大提升了我们的生活水平。还有一种红外体温检测仪无需接触人体，只要接收到了人体的红外辐射，就能在短时间内测量人的体温。在前几年的“非典”时期，红外测温技术为预防该疾病在人群中的传染提供了非常有效的帮助。
图1.1 红外报警器
红外技术在工业上的应用：塑料制品如今已走进我们生活的各个方面，它成为了一些工业设备的外壳，还有一些产品的组成部分。而制造塑料是需要加热的，这就让红外加热技术发挥了重要作用，该技术可用于塑料的软化、成型工艺，可用于塑料包装材料的杀菌、热封和压缩等。在工业中也能用于检测电力系统的老化，由于一些不可避免的因素，电力系统中的元件由于生锈、松动、破裂而导致的接触电阻的增加，会使局部温度升高（热异常）时，会出现巨大的经济及人员损失。为了规避这种风险，我们可以使用热像仪来检测电力系统中的故障，由于不同温度所辐射出的波长不同，可以快速的排除这些异常现象。因此，在发电厂、输变电网以及工厂中是一种实用的检测器件。
图1.2红外加热模块控制系统
红外技术在国防科技中的应用：在一些侦察卫星上安装者红外成像设备，这使得卫星能获取更多的地面情报，还能辨别伪装的敌对目标以及监视所指定的目标；另外导弹预警卫星能够识别导弹尾焰的红外辐射，为拦截导弹提供了宝贵的预警时间。在各种侦察机上一般都会有红外相机以及红外扫描设备，它们可以对敌方所在阵地的地形、活动、人员布置等进行侦查，从而获得情报，这在当今的战争中十分常见。经过监测在运动目标和范围的区域可以使用被动红外探测器。
图1.3红外成像技术
在一般情况下，红外夜视设备，高分辨率，以探索飞行物体的能力。舰载跟踪用红外热成像仪不仅可以识别敌方的导弹也可以为导弹提供目标数据，减少导弹来袭的概率。在火控系统中装备热成像设备，可以减少反应时间并且缩短识别目标的时间。在夜间战场中，热像仪被用来进行战场侦察；配备火炮和导弹红外热像瞄准系统可在晚上对敌方目标的精确打击；火控系统中装备红外跟踪摄像机则不用担心敌方的电子干扰，能有效应对空中目标的袭击；在坦克中装备红外夜视仪能让其在夜幕中行驶，图1.4为装备了多种红外技术的坦克。通过对目标本身的红外辐射进行攻击的技术称为红外制导，它大大提高了导弹的命中率，相当于装上了一双“利眼“。在目前的空空、空地、地空等的工作模式中均采用了红外制导技术。保守估计，目前世界各国生产的红外制导导弹已有60余种。
图1.4红外技术在军事上的应用
红外焦平面制导技术能够辨别各种目标，并且摧毁真实目标。一些飞行器虽然使用了隐身技术，但其发动机附近的温度总比周围环境温度高，还是有可能被红外探测器捕捉到。利用空间平台安装红外成像设备可以发现并准确提供目标的坐标等信息，其探测距离可达到数百千米。红外探测器安设各种作战机械上，能够对敌方导弹进行预警并自动启动干扰装置。红外技术及其应用已经覆盖了很多当代的生活范围，现在已经成为我们日常生活，工业生产，是国防科技不可替代的部分。
1.2红外技术与红外光源
1.2.1红外技术的发展阶段
红外辐射在1800年被 F.W. 赫歇尔发现的，到现在已经发展了近两个世纪。至此，红外元件以及红外辐射的研究就开始了，但是进展十分慢。到1940年左右才出现了实际意义上的红外技术，在当时，德国研制成了好几种红外材料，使用这些材料研制成了少数的红外装备。它们其中达到了实验室的实验阶段，有的则能实现小批量的生产。此后欧美、前苏联等国都开始了红外技术的发展。
从19世纪60年代开始，红外探测器的迅猛发展展现了红外技术的大体发展方向。范围在一至十四微米的探测器从单元逐渐发展为多元，然后又发展为焦平面阵列。为了加大灵敏度和分辨率，所以由最初的红外探测器进化为了多元探测器。当多个线性探测器并行扫描对象，可以辐射他的一维分布，当它是垂直扫描目标，辐射可以获得目标分布。然后发展到现在，这门技术已经从多元发展为了焦平面阵列，探测已经从点探测变为热成像，这是一个质的提升。红外热成像仪是当今红外技术的发展热点，可以说代表了这门技术的一个发展方向。
特别是在激光技术的发展，上个世纪，红外技术已经达到了一个新的高度。在红外波段的激光发射器，几乎包含了大多数，在超外差接收机技术的移动电子技术的连贯性，如雷达，通信，可以在同一个频率完成，还可以获得更高的容量以及分辨率。同时，随着这类技术的问世促使得更多的探测器件的出现。
1.2.2硅基红外光源的发展阶段
八十年代起，硅基红外光源首先被提出，随后成为研究热点，硅基红外光源的原理是由硅基红外光源可按发光材料的不同可分为金属类，半导体类。早期使用的光源材料为单晶硅[3-5]，但是单晶硅的热电性能不稳定，现在较多使用的材料有 铂金属、钨金属和多晶硅[6]，尽管前二者有较高的机械强度和工作温度，但是表面易被氧化，致使电阻无效，并且金属的表面辐射率也下降。使用多晶硅的优点在于良好的MEMS工艺兼容性，但是由于多晶硅的工作温度低于500℃，因此工作时的辐射强度不高。近年来有研究使用半导体材料碳化硅和金属氧化物[7]作为光源材料，其测试结果显示了较好的长时间稳定性和电热特性，但生产工艺繁杂，制造成本较高。
1.3硅基红外光源结构
摘 要
随着红外技术的发展，多个领域的大门被相继开启了。它们覆盖了红外通讯系统、光电子器件、空间监视与侦查传感器、房屋安全系统、隐蔽观察系统、数据传输系统、导弹告警系统、高分辨率成像传感器、污染监视传感器、空间传感器、多光谱机载以及一大批的军用和商用传感器等领域。红外光源是气体传感系统中的核心部件，与其它红外光源相比，由MEMS工艺所制造的硅基红外光源有体积小、能耗低、调制频率高等特点，在微型气体传感器中拥有难以取代的优势，成为了近年来研究中的热点。
本文主要研究硅基红外光源的目前发展应用情况以及未来的发展方向，了解许多结构的优缺点以及当前光源表面粗糙化技术的进展情况，通过红外辐射理论分析对于影响硅基红外光源性能的因素进行分析。同时利用了光源表面粗糙化技术，通过对辐射率的研究，提出在光源表面淀积一层多孔硅，进行了实验和数据结果分析，设计了一个工艺流程。对多孔硅在红外光源表面的一些应用进行了研究，希望这种新型材料能在光电子器件方面有更广泛的应用。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:红外光源；MEMS；辐射率
目录
第一章 绪论 1
1.1红外技术研究背景 1
1.2红外技术与红外光源 3
1.2.1红外技术的发展阶段 3
1.2.2硅基红外光源的发展阶段 4
1.3硅基红外光源结构 4
1.4硅基红外光源的未来研究方向 6
1.4.1光子晶体结构 6
1.4.2新型发光材料和表面淀积层的研究 7
1.5本文研究内容与研究目标 8
第二章 红外辐射理论 10
2.1黑体辐射 10
2.2 灰体辐射与辐射率 11
第三章 硅基红外光源结构设计 13
3.1表面淀积高发射率的材料 13
3.2 光源的模型设计 14
3.3 多孔硅的高功率红外光源的工艺流程 15
3.3.1多孔硅的形成原理 15
3.3.2光源的简要工艺说明 15
3.4硅基红外光源的封装研究 17
3.5小结 18
第四章 总结与展望 19
参 考 文 献 20
第一章 绪论
1.1红外技术研究背景
通过对物理学的研究，我们分明了全部温度高于绝对零度的物体辐射着不同波长的红外线。随着物体温度的升高，它们的红外线辐射强度也随之变大。通过对各种物体辐射特征的不同，就可以使用红外技术在白天和夜晚对目标进行探测、跟踪以及辨别，从而获取相关目标的信息。
红外技术在生活中的应用：在现代社会，各式各样的红外线技术已经走进了我们的生活中，它在很多场合发挥着重要的作用。商场，政府机关，电梯等的自动门，在人走进或走出时都会自动开关。那是因为在门的一侧有一个红外光源，其发射的红外线照射到了门另一侧的光电管上。当人或者物体遮住了红外线，光电管接收不到红外线，那么门就会自动打开，反之就会关闭。人们称这种装置为“电眼”，它在许多自动化控制设备中发挥着重要作用。走进一个普通家庭都可以看到各种各样的“红外遥控器”，如彩电、音箱、冰箱、空调、汽车遥控器等，使用它们大大提升了我们的生活水平。还有一种红外体温检测仪无需接触人体，只要接收到了人体的红外辐射，就能在短时间内测量人的体温。在前几年的“非典”时期，红外测温技术为预防该疾病在人群中的传染提供了非常有效的帮助。
图1.1 红外报警器
红外技术在工业上的应用：塑料制品如今已走进我们生活的各个方面，它成为了一些工业设备的外壳，还有一些产品的组成部分。而制造塑料是需要加热的，这就让红外加热技术发挥了重要作用，该技术可用于塑料的软化、成型工艺，可用于塑料包装材料的杀菌、热封和压缩等。在工业中也能用于检测电力系统的老化，由于一些不可避免的因素，电力系统中的元件由于生锈、松动、破裂而导致的接触电阻的增加，会使局部温度升高（热异常）时，会出现巨大的经济及人员损失。为了规避这种风险，我们可以使用热像仪来检测电力系统中的故障，由于不同温度所辐射出的波长不同，可以快速的排除这些异常现象。因此，在发电厂、输变电网以及工厂中是一种实用的检测器件。
图1.2红外加热模块控制系统
红外技术在国防科技中的应用：在一些侦察卫星上安装者红外成像设备，这使得卫星能获取更多的地面情报，还能辨别伪装的敌对目标以及监视所指定的目标；另外导弹预警卫星能够识别导弹尾焰的红外辐射，为拦截导弹提供了宝贵的预警时间。在各种侦察机上一般都会有红外相机以及红外扫描设备，它们可以对敌方所在阵地的地形、活动、人员布置等进行侦查，从而获得情报，这在当今的战争中十分常见。经过监测在运动目标和范围的区域可以使用被动红外探测器。
图1.3红外成像技术
在一般情况下，红外夜视设备，高分辨率，以探索飞行物体的能力。舰载跟踪用红外热成像仪不仅可以识别敌方的导弹也可以为导弹提供目标数据，减少导弹来袭的概率。在火控系统中装备热成像设备，可以减少反应时间并且缩短识别目标的时间。在夜间战场中，热像仪被用来进行战场侦察；配备火炮和导弹红外热像瞄准系统可在晚上对敌方目标的精确打击；火控系统中装备红外跟踪摄像机则不用担心敌方的电子干扰，能有效应对空中目标的袭击；在坦克中装备红外夜视仪能让其在夜幕中行驶，图1.4为装备了多种红外技术的坦克。通过对目标本身的红外辐射进行攻击的技术称为红外制导，它大大提高了导弹的命中率，相当于装上了一双“利眼“。在目前的空空、空地、地空等的工作模式中均采用了红外制导技术。保守估计，目前世界各国生产的红外制导导弹已有60余种。
图1.4红外技术在军事上的应用
红外焦平面制导技术能够辨别各种目标，并且摧毁真实目标。一些飞行器虽然使用了隐身技术，但其发动机附近的温度总比周围环境温度高，还是有可能被红外探测器捕捉到。利用空间平台安装红外成像设备可以发现并准确提供目标的坐标等信息，其探测距离可达到数百千米。红外探测器安设各种作战机械上，能够对敌方导弹进行预警并自动启动干扰装置。红外技术及其应用已经覆盖了很多当代的生活范围，现在已经成为我们日常生活，工业生产，是国防科技不可替代的部分。
1.2红外技术与红外光源
1.2.1红外技术的发展阶段
红外辐射在1800年被 F.W. 赫歇尔发现的，到现在已经发展了近两个世纪。至此，红外元件以及红外辐射的研究就开始了，但是进展十分慢。到1940年左右才出现了实际意义上的红外技术，在当时，德国研制成了好几种红外材料，使用这些材料研制成了少数的红外装备。它们其中达到了实验室的实验阶段，有的则能实现小批量的生产。此后欧美、前苏联等国都开始了红外技术的发展。
从19世纪60年代开始，红外探测器的迅猛发展展现了红外技术的大体发展方向。范围在一至十四微米的探测器从单元逐渐发展为多元，然后又发展为焦平面阵列。为了加大灵敏度和分辨率，所以由最初的红外探测器进化为了多元探测器。当多个线性探测器并行扫描对象，可以辐射他的一维分布，当它是垂直扫描目标，辐射可以获得目标分布。然后发展到现在，这门技术已经从多元发展为了焦平面阵列，探测已经从点探测变为热成像，这是一个质的提升。红外热成像仪是当今红外技术的发展热点，可以说代表了这门技术的一个发展方向。
特别是在激光技术的发展，上个世纪，红外技术已经达到了一个新的高度。在红外波段的激光发射器，几乎包含了大多数，在超外差接收机技术的移动电子技术的连贯性，如雷达，通信，可以在同一个频率完成，还可以获得更高的容量以及分辨率。同时，随着这类技术的问世促使得更多的探测器件的出现。
1.2.2硅基红外光源的发展阶段
八十年代起，硅基红外光源首先被提出，随后成为研究热点，硅基红外光源的原理是由硅基红外光源可按发光材料的不同可分为金属类，半导体类。早期使用的光源材料为单晶硅[3-5]，但是单晶硅的热电性能不稳定，现在较多使用的材料有 铂金属、钨金属和多晶硅[6]，尽管前二者有较高的机械强度和工作温度，但是表面易被氧化，致使电阻无效，并且金属的表面辐射率也下降。使用多晶硅的优点在于良好的MEMS工艺兼容性，但是由于多晶硅的工作温度低于500℃，因此工作时的辐射强度不高。近年来有研究使用半导体材料碳化硅和金属氧化物[7]作为光源材料，其测试结果显示了较好的长时间稳定性和电热特性，但生产工艺繁杂，制造成本较高。
1.3硅基红外光源结构
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