厦门大学研发晶圆级自封装MEMS红外发射器：高发射率、高可靠性

非色散红外（NDIR）气体传感器基于气体对红外光的选择性吸收原理工作，具备使用寿命长、灵敏度高、稳定性优异、维护成本低等优势。NDIR气体传感器基本由三部分构成：红外发射器（光源）、气体腔室、配备吸收波长滤光片的红外探测器。根据红外光的产生机制，红外发射器通常分为三类：红外激光器、红外发光二极管（LED）和热辐射红外发射器。利用MEMS技术制备的微型热辐射红外发射器，相较其它红外光源具备诸多优势，例如体积小、功耗低、调制速度快及成本相对较低等。NDIR气体传感器领域对高可靠性的MEMS红外发射器的需求极为迫切。

据麦姆斯咨询报道，近日，厦门大学的研究团队设计并制备了一种晶圆级自封装MEMS红外发射器（SPIRE），旨在提升器件在高温及环境空气中的耐久性。该器件的核心设计方案为：将铂（Pt）丝发热元件与温度传感元件集成于硅膜表面，并采用硅-玻璃阳极键合技术将其真空封装于玻璃腔内。同时，在硅膜的另一侧制备黑硅纳米结构，以增强红外发射率。研究人员通过COMSOL Multiphysics软件对器件的电-热-力学特性进行了模拟仿真，以优化结构设计。该器件通过晶圆级MEMS工艺完成制备。

测试结果表明，该MEMS红外发射器在峰值波长6.1 μm、3 dB带宽52 Hz的条件下实现了172 mW/Sr/µm的发光功率强度，对应驱动功率850 mW时器件表面温度为400℃。通过加速老化测试（AAT）和寿命预测方法评估了该器件的长期可靠性。结果显示，在500℃工作温度下，该器件的预估使用寿命可达10年。相关研究成果以“Wafer-level self-packaged MEMS infrared emitters with high-emissivity black silicon surface”为题发表于Microsystems & Nanoengineering期刊。

MEMS红外发射器的工作原理为焦耳热效应，即电流通过电阻发热元件产生热量。为实现低功耗、高电热光转换效率和快速热响应，研究人员设计了图1所示的器件结构：采用悬浮于玻璃腔体之上的MEMS加工硅膜结构，形成低热质量设计。铂丝电阻作为发热元件制备于硅膜表面，兼具耐高温、制造成本低、与MEMS工艺兼容性强等优势。采用近似黑体的黑硅纳米结构，可有效增强表面红外发射率。增强红外辐射不仅有利于提升热光转换效率，更可通过辐射自冷却实现快速调制。此外，自封装设计可将电阻发热元件与环境空气隔离，大幅提高器件的高温耐久性和环境适应性。

图1 自封装MEMS红外发射器设计图

为优化自封装MEMS红外发射器结构设计，研究人员通过COMSOL Multiphysics软件进行了三维有限元（FEM）模拟仿真，相关结果如图2所示。

图2 自封装MEMS红外发射器的三维FEM电-热-力学特性模拟结果

图3a展示了带有PZ型电阻结构的自封装MEMS红外发射器背面视图。图3b展示了带有/不带黑硅纳米结构的自封装MEMS红外发射器俯视图。独特的黑硅层完全覆盖器件顶面，可同时增强高温膜与低温框架的红外辐射。

图3 自封装MEMS红外发射器在不同放大倍率下的图像

研究人员对自封装MEMS红外发射器的电学性能、时间和频率响应特性、可靠性等关键参数进行了系统的测试与分析，相关结果如图4至图6所示。

图4 自封装MEMS红外发射器的电学性能表征

图5 自封装MEMS红外发射器的时间与频率响应特性表征

图6 自封装MEMS红外发射器的可靠性表征

综上所述，研究人员成功设计并制备了一种具有高发射率黑硅表面的自封装MEMS红外发射器。该器件采用自封装方案，将铂丝发热元件与传感元件制备于硅膜表面，通过硅-玻璃阳极键合技术实现玻璃腔体的气密封装。这种封装方式可有效隔绝加热电阻与环境空气，保障器件在高温工作下的高可靠性。同时在硅膜另一侧制备黑硅纳米结构，以增强红外发射率，从而使硅膜兼具热支撑和密封封装的双重功能。该MEMS红外发射器在NDIR气体传感领域具有广阔的应用前景。