一种MEMS红外光源的衬底结构的制作方法

一种mems红外光源的衬底结构
技术领域
1.本实用新型涉及红外光源领域，特别是涉及一种mems红外光源的衬底结构。

背景技术：

2.红外传感技术已经被广泛应用于大气质量检测、温度监控、工业过程控制、空间监控、信息通信、医学及军事等领域。红外光源是红外传感技术的重要元件，常用的发光波长为3-5微米以及8-14微米。传统热辐射红外光源如白炽灯，其电光转换效率低、调制特性差；而波长在3-5微米的红外二极管发光效率低，输出功率小，限制了其应用；量子级联红外激光器能够发射高强度的窄带红外激光，但效率也不高，且制造成本高昂。利用微机电系统(mems)技术制作的mems红外光源是一种新型的热辐射红外光源，具有电光转换效率高、体积小、能耗低等特点，同时光谱很容易覆盖2-20微米范围，还具有较快的调制频率，已经被广泛应用于红外传感领域，成为红外光源的趋势性技术。
3.常规结构的mems红外光源包含衬底，在衬底上设有支撑层，支撑层和衬底采用四边固支结构连接，在支撑层上设有发热电极层。通过给发热电极层通电产生焦耳热，使发热电极层升温至特定温度(根据所需红外发射波长和辐射量确定)，进而产生红外辐射。mems红外光源的红外辐射主要从两个方向出射：一个是从发热电极层上方向外辐射，这部分前向的红外辐射属于红外传感器的有效辐射。另一个是从发热电极层经由支撑层向衬底传递的辐射，这部分红外辐射在mems红外光源封装后将被封装材料和衬底等吸收，无法有效利用，属于器件的能量损耗。因此，提高器件的光电转换效率的途径就是增强器件的“前向辐射”并抑制器件的“后向辐射”。
4.为了增强发热电极层上方的“前向辐射”，技术人员通常会选择具有高发射率的材料制作发热电极层或者在发热电极层表面增设具有更高红外发射率的红外发射层。为了抑制红外光源中“底向辐射”造成的能量损失；现有mems红外光源会采用如图1所示的衬底掏空技术，将衬底材料从底面向上“掏空”可以减小衬底材料的体积和质量，降低器件中由支撑层和衬底整体产生的热容；最终提升了mems红外光源的电光转换效率并降低加热功耗。同时，衬底底部掏空在工艺上也较易实现，不会对衬底上方的各个功能层的生成和产品性能造成影响。
5.此外，部分技术人员还会在器件中设置反射层，以达到进一步抑制器件“底向辐射”的目的。例如在中国发明专利申请公开号cn114249292a提供的如图2的技术方案中，在衬底底面设置反射层，将发热电极层经由支撑层向衬底部分辐射的红外线反射回去，再经过发热电极层向上辐射。该方案虽然在一定程度降低了器件“底向辐射”产生的能量损耗，但是也会造成新的技术问题。例如，与衬底直接紧密贴合的反射层本身也会和支撑层构成一个“联通”的整体，吸收部分能量，进而增大器件的热容，产生热损耗。同时，反射层与支撑层贴合的结构设计，在器件开关阶段会因不同功能层材料热膨胀系数差异较大而导致剧烈的热应变效应，进而增大反射层破损或脱落的风险，影响光源光电转换性能和使用寿命。

技术实现要素：

6.基于此，针对现有技术中mems红外光源的底向热传导和红外辐射等导致光电转换效率不高的问题；本实用新型提供一种mems红外光源的衬底结构。
7.本实用新型公开一种mems红外光源的衬底结构，该衬底结构为mems光源的底部支撑结构，包括衬底、支撑层以及发射层。衬底结构上负载mems光源的发光结构。发光结构包括沿竖向叠层设置的发热电极层、红外发射层，以及与发热电极层电连接的两条发热电极焊盘。
8.其中，衬底上表面的中央设有向下凹陷的凹坑，凹坑包括一个水平的底面以及呈坡面状的侧壁。凹坑的上口至少完整覆盖上方的红外发射层。反射层完整覆盖在衬底中凹坑的内壁上；反射层采用对2-14微米波长范围的红外线具有高反射率的材料制备而成的薄膜。
9.支撑层覆盖在衬底上表面，支撑层的覆盖面积大于衬底中的凹坑。支撑层和衬底呈四边固支结构相接，二者之间形成空腔结构。支撑层中设有至少一个贯穿的牺牲窗口，牺牲窗口与下方的衬底中的凹坑连通；牺牲窗口的分布位置与上方的发热电极层的分布位置相切或相离。
10.在本实用新型的新方案中，光源中发热电极层向下进行热传导时，大部分衬底区域被掏空形成空腔结构，进而阻碍朝向光源下方的热传导作用。同时空腔结构内的反射层可以将红外发射层朝下的红外辐射完整反射回去，抑制mems光源因底向红外辐射造成的光电效率损失。
11.作为本实用新型进一步的改进，空腔结构的深度为1-50μm。
12.作为本实用新型进一步的改进，反射层采用由物理气相沉积或者化学气相沉积制成的一体式均匀镀层。一体式镀层的表面呈镜面状态，具有更高的反射率。
13.作为本实用新型进一步的改进，支撑层中的牺牲窗口的数量为偶数，并对称设置在支撑层中相对发热电极焊盘的两侧的位置上。对称设置的牺牲窗口可以使得支撑层的应力作用更加均匀，提高衬底结构整体的机械强度。
14.作为本实用新型的优选方案，牺牲窗口为两条，且采用长条形孔。
15.作为本实用新型进一步的改进，在发热电极层中，对应支撑层中包含牺牲窗口的两侧宽度小于下方的凹坑的对应侧宽度；对应支撑层中不包含牺牲窗口的两侧宽度大于下方的凹坑的对应侧宽度。
16.采用这种特殊结构，可以最大程度使得发热电极层下方的衬底部分保持“悬空”；以抑制朝下的热传导效应。同时，该结构可以避免发热电极层对支撑层中预留的牺牲窗口造成遮挡。
17.作为本实用新型进一步的改进，发热电极焊盘搭接在所述发热电极层上，且发热电极焊盘沿着两侧牺牲窗口的连线方向分布；发热电极焊盘的分布位置恰好与下方的衬底中凹坑的上口边缘相切。
18.采用这种特殊结构可以使得发热电极焊盘恰好“骑”在凹坑边缘上，保证结构的稳定性和支撑层的抗压性能。
19.作为本实用新型进一步的改进，红外发射层位于发热电极层上表面；且红外发射层分布在两条发热电极焊盘四个顶点的连线区域内。红外发射层的这一特殊的分布状态可
以使得红外发射层产生的底向辐射被反射层完全反射。
20.作为本实用新型进一步的改进，支撑层采用由绝缘材料制备而成的一体式薄膜，或支撑层中与发热电极层的接触面为绝缘型面。
21.与现有技术相比，本实用新型公开的技术方案具有如下有益效果：
22.1、该衬底结构中独特的空腔结构可以对发热电极层朝下方的热量传导进行最大化的抑制。同时配合空腔内的反射层将红外发射层朝底向的红外辐射反射回去，将无效辐射转换为有效辐射。进而大幅提高mems光源器件的光电转化效率。
23.2、这种特殊的衬底结构可以有效降低器件的热容，并保持最佳的结构强度和稳定性，提高mems光源的抗震性能，以及其它各项抗逆性。同时，将反射层置于空腔内使得反射层与支撑层不接触，还可以降低反射层产生的器件热容，并增强反射层在使用过程中的耐热性能。避免mems光源开关状态切换时，器件温度的剧烈变化对反射层稳定性造成的影响。提高mems光源的使用寿命。
24.3、支撑层中预留的牺牲窗口可以使得这种包含空腔结构的特殊衬底结构可以通过先注入牺牲层材料，再通过牺牲窗口释放牺牲层的工艺进行生产，降低该产品的加工成本。
附图说明
25.图1为背景技术中衬底掏空技术制备的mems红外光源的纵剖面结构示意图。
26.图2为背景技术中在掏空衬底底部设置反射层的mems红外光源的纵剖面结构示意图。
27.图3为本发明实施例1中提供的mems红外光源的整体结构示意图。
28.图4为本发明实施例1中提供的mems红外光源的包含凹坑的衬底的结构示意图。
29.图5为本发明实施例1中提供的mems红外光源的纵向剖面结构示意图。
30.图6为本发明实施例1中提供的mems红外光源具体结构的分层爆炸图。
31.图7为本发明实施例1中提供的包含过渡层的mems红外光源的纵向剖面结构示意图。
32.图8为本发明实施例1中提供的带有隔离层的mems红外光源的纵向剖面结构示意图。
33.图9为本发明实施例1中提供的带有保护层的mems红外光源的纵向剖面结构示意图。
34.图10为本实用新型实施例2中提供的一种mems红外光源的衬底结构的结构爆炸图示意图。
35.图11为本实用新型实施例2中提供的一种mems红外光源的衬底结构的纵向剖面结构示意图。
36.图中标记为：
37.100、凹坑；101、衬底；301、反射层；501、支撑层；601、发热电极层；701、隔离层；801、发热电极焊盘；901、红外发射层；1001、保护层；1002、牺牲窗口；5011、过渡层。
具体实施方式
38.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
39.需要说明的是，当组件被称为“安装于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“固定于”另一个组件，它可以是直接固定在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。
40.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
41.实施例1
42.图1和图2是背景技术中提及的两个现有方案中的mems红外光源的纵向剖面结构示意图。这两种技术方案和传统红外光源相同，都包括衬底101、支撑层501、发热电极层601、隔离层701、红外发射层901和发热电极焊盘801。这种叠层结构的器件可以通过在衬底101上依次生成不同功能层的工艺来加工制造。其中，衬底101是生成上方的各个功能层的基础，起到供各层稳定附着，以及提供良好的支撑作用等效果。支撑层501是衬底101和发热电极层601之间的中间层，起到良好的支撑作用，尤其是在衬底101进行特殊的蚀刻加工时，支撑层501可以为上方各功能层起到良好的支撑效果，均匀分散上方各部分的压应力产生的负荷。
43.发热电极层601和发热电极焊盘801相接，发热电极焊盘801用于接引线进而为发热电极供电，发热电极层601材料是一种可将电能转换为自身内能功能层，发热电极层601在导电状态会迅速升温发热；并向外产生红外辐射。红外发射层901则是由具有超高红外发射率的材料制备而成的功能层，该功能层在高温状态下会将接收到的内能以红外辐射的形式发射出去。
44.由于发热电极层601的主要功能就是产生红外辐射以及通过热传导的方式对上方直接接触红外发射层901进行加热，使得红外发射层901可以保持发射状态。但是由于支撑层501和红外电极层底面也是直接接触的，因此加热电极层产生的热量也会传导至支撑层501以及衬底101部分。而对于mems红外光源来说，传导至支撑层501和衬底101部分的这部分热量的能耗是并未转化为有效的红外辐射的，属于器件的无效功耗(一类损耗)，器件的无效功耗会显著降低mems光源的光电转换效率。另一方面，红外发射层901产生的红外辐射既会向上辐射，也会向下辐射，向上辐射的属于发射出去的有效辐射，而向下辐射的部分无法进行有效调制和应用，属于无效辐射(二类损耗)，产生的无效辐射是降低器件的光电转换效率的另一个重要原因。
45.图1提供的技术方案主要是在多层堆叠式mems红外光源的基础上，将衬底101底部对应红外发射层901的位置掏空，掏空后的衬底101与支撑层501的接触面减小，衬底101的体积和质量大幅缩小；进而可以有效降低器件工作时因热传导产生的能量损失，即减小器
件的一类损耗。同时，由于掏空部分位于衬底101的底面，所以不会影响上方各功能层的加工成型。但是需要说明的是：由于衬底101在器件加工过程中起支撑作用，所以衬底101必须要在所有功能层成型后再通过光刻、腐蚀等方式掏空。
46.图2的技术方案是本案发明人提出的对图1方案的进一步改进。改进点主要是在衬底101的底面掏空部分增加了一个反射层301；反射层301采用对红外辐射具有高反射率的材料制备而成。因此，反射层301可以将上方红外发射层901产生的向下的红外辐射反射回去，将部分无效辐射转化为有效辐射。进而降低器件的二类损耗。图2的技术方案在降低器件的二类损耗的同时，也会存在一些弊端。图2方案的缺点的详细内容将在后续介绍本实施例提供的改进方案的优势时进行针对性说明。
47.具体地，本实施例在图1和图2对应的技术方案的基础上，更进一步提供一种新型的光电转换效率提升的mems红外光源。本实施例提供的光源的整体结构如图3所示，该mems红外光源包括从下至上依次叠加的衬底101、支撑层501、发热电极层601、红外发射层901；以及与发热电极层601电连接的两条发热电极焊盘801。需要强调的是，图3以及本实施例后文的文字和图片部分在对本案进行介绍时，主要是以矩形光源形态进行举例说明的。但是光源的形状并不是本实施例方案的一个限制性技术特征，本实施例提供的技术方案并不局限于任意一种形状。该光电转换效率提升的mems红外光源可以采用矩形光源、也可以采用圆形光源，甚至是椭圆形、长条形，以及其它任意不规则形态。
48.本实施例提供技术方案与现有方案的主要区别在于：如图4所示，本实施的mems红外光源的衬底101的上表面设有向下凹陷的凹坑100，凹坑100包括一个水平的底面以及呈坡面状的侧壁。衬底101呈四边固支结构与上方的支撑层501相接，并在二者之间形成空腔结构。结合图5可知，在本实例提供的mems红外光源中，凹坑100上口的围合区域覆盖红外发射层901。即凹坑100上口的分布区域可以完整覆盖住上方的红外发射层901，可以理解为本实施例方案光源中的整个红外发射层901是“悬”在凹坑100上方的。
49.请结合图6，在本实施例提供的mems红外光源的衬底101中，凹坑100上口的围合区域位于两条发热电极焊盘801的内侧，且凹坑100上口围合区域沿发热电极焊盘801的至少一端的延伸方向上的分布区域超出发热电极焊盘801的长度范围。通俗来说，以矩形光源为例，凹坑100沿平行与发热电极焊盘801延伸方向上的长度要比上方的红外发射层901(以及发热电极层601)要长。而凹坑100垂直于发热电极焊盘801延伸方向上的宽度要比下方的红外发射层901(以及发热电极层601)要短。当光源采用其它形状时，应当满足这一限定，即：凹坑100必须“夹”在两条发热电极焊盘801之间，但是要比发热电极焊盘801略长一点。
50.同时，如图5所示，本实施例提供的mems红外光源的支撑层501的面积大于凹坑100的上口以及发热电极层601。且如图3和图6所示，支撑层501中设有至少一个贯穿的牺牲窗口1002，牺牲窗口1002与下方的衬底101中的凹坑100连通。牺牲窗口1002的分布位置与发热电极层601的分布位置相切或相离。具体来说就是，支撑层501完整“盖住”衬底101上的凹坑100。且发热电极层601恰好罩在正对凹坑100处的支撑层501上方。同时，支撑层501中设置有与下方的凹坑100相通的牺牲窗口1002，且牺牲窗口1002必须分布在支撑层501上不会被发热电极层601和红外发射层901遮挡的位置。
51.本实施例提供的mems红外光源中，衬底101的凹坑100底面和侧壁上设有完整的反射层301，反射层301由对2-14微米波长范围的红外线具有高反射率的材料制备而成。
52.以下结合本实施例提供的mems光源的上述技术特征对该光源产品的工作原理和性能优势进行详细的说明。
53.首先，本实施例提供的光源中存在和图2方案相似的“掏空”结构，即本案中的凹坑100。因此本案的衬底101也可以具有降低mems红外光源的热容，减少发热电极层601向衬底101部分的热传导的效果。进而降低器件的一类损耗。但是，本案的凹坑100又和图2中的衬底101“掏空”方式不一样。特别地，本案中的凹坑100是位于衬底101上方的，这使得衬底101和支撑层501之间会形成一个空腔。本实施中空腔结构的功能包括以下两点：1、空腔可以有效阻隔发热电极层601和支撑层501构成的组合体向下的热传导路径，起到第一重削减热辐射的效果。2、空腔中气体介质又相当于一层热的不良导体构成的“保温被”，避免热量传递到衬底101上从衬底101上较大的表面散失掉。
54.其次，本案中凹坑100的结构呈上口大下口的小的形状，具体如图4-6所示，凹坑100纵向截面大致呈“水渠”状。考虑到凹坑100的壁面和底面会生成所需反射层301。因此这种带有斜坡的凹坑100壁面至少包括以下几个优势：
55.(1)反射层301材料主要是通过溅射或者蒸发工艺生成的。凹坑100的斜坡型壁面可以有利于更好的沉积反射层301材料。提高反射层301在凹坑100内的分散效果和连续性，得到一个均一的完整的反射层301。增强反射层301对红外辐射的反射效果。
56.(2)凹坑100的水平底面相当于一个平面反射镜，可以完整地将上方的红外发射层901的底向辐射反射到红外发射层901上方。
57.(3)凹坑100的斜坡壁面的正上方恰好是支撑层501的受压面，也是发热电极焊盘801的承载支点。本案中如图5的斜坡壁面则相当于一个上底小下底大的梯形“堤岸”，起到了良好的耐压和耐冲击效果。这可以使得mems红外光源的器件具备较强的抗震和耐压性能；提高产品的使用寿命。
58.(4)凹坑100在加工中需要通过各项异性腐蚀或光刻加工等工艺生成。这种特殊形状的凹坑100也恰好和化学腐蚀以及激光蚀刻的工艺特点相适应，非常容易加工出来；可以降低产品的生产成本。
59.另外，本实施例提供mems红外光源的技术方案中，凹坑100分布区域(即反射层301分布区域)恰好“收缩”在两条发热电极焊盘801内侧，这使得发热电极焊盘801可以恰好搭接在凹坑100的坡面上，保持良好的支撑效果。而发热电极焊盘801之间的红外发射层901又可以完整“悬”在凹坑100上方，这使得红外发射层901的所有底向辐射均能到达凹坑100内的发射层上，进而提高底向辐射的反射率，最大幅度抑制二类损耗的功率。
60.需要特别强调一点：在本实施例提供的技术方案中，衬底101由于和支撑层501之间具有一个有凹坑100形成的空腔；设置在空腔壁面上的反射层301，就会具有如下的优势：由于反射层301与mems光源的发热区中间有空腔隔离，因此当mems频繁开关时，反射层301的温度相对比较低且比较稳定，所以衬底101和反射层301之间热膨胀不明显，反射层301不会发生明显的变形或脱落。即本实施例的方案中，反射层301的耐热性能较好，即使器件长时间使用，反射层301也不容易损坏，器件的使用寿命较长，也可以最大程度保持器件最佳的光电转换性能。
61.而对于图2中的现有方案而言，当mems红外光源频繁开关时，反射层301与支撑层501之间直接接触(相当于与mems的发热区直接接触)，此时反射层301在使用过程中的温度
变化剧烈，衬底101和反射层301可能会发生不同程度的热膨胀，进而导致二者界面附着效果变差，严重时会导致反射层301破损。由于图2反射层301是位于衬底101下方的，一旦反射层301破损，就可能导致反射层301局部脱落、反射层301的均一性和完整性被破坏，失去红外辐射的反射作用。进而导致mems红外光源的光电转换效率降低。
62.同时，空腔和衬底101掏空等工艺的其中一个重要作用都是降低器件的热容，进而提高器件的光电转换效率。(注：热容指物体对热能的吸收和储蓄能力；热容越高，吸收相同热能的温度升高幅度越低，热容与物体的体积/质量，以及材料类型等属性相关。)而本案的反射层301位于空腔下，不与支撑层501接触，所以对器件的热容几乎没有影响。而图2中的方案，反射层301是与支撑层501直接接触，反射层301增大了器件的热容。这对于提高器件的光电转换效率是不利的。
63.最后，本实施例在支撑层501上预留的具有特殊形状和位置的牺牲窗口1002的主要作用是便于产品的加工。众所周知，衬底101上方的各个功能层实际上都是一层微米或纳米级别的镀层或薄膜。因此这些功能层是无法直接生长在带有凹坑100等衬底101上表面的；否则得到各个功能层也是带有凹坑的，无法呈平面状态。因此，凹坑100只能在各个功能层形成之后再进行加工。但是，功能层形成后，再通过蚀刻在器件“中央”生成一个凹坑100在技术上并不可行。
64.针对这一问题，本发明设计了一种特殊的生产工艺，专门用于生产本实施例提供的具有特殊结构的mems红外光源。本实施例提供的加工工艺的一个关键技术手段就是采用具有某种特异性可以通过特定方法选择性去除的材料作为牺牲层，预先将牺牲层填在加工出的凹坑100中，待凹坑100上方的各功能层形成后，再将牺牲层材料从凹坑100内去除。而支撑层501上的预留的牺牲窗口1002就是用来去除凹坑100内的牺牲层材料的。
65.特别地，本实施例设计的牺牲窗口1002既与下方的衬底101中的凹坑100连通，便于对凹坑100中的牺牲层材料进行去除。又需要和发热电极层601的分布位置相切或相离；进而保证不会对上方的功能层的完整性造成破坏，不影像上方各个功能层的功能。同时也要避免上方的功能层对牺牲窗口1002造成堵塞或者遮挡。
66.在实际应用中，牺牲窗口1002至少有一个，牺牲窗口1002可以采用任意形状的通孔，例如圆孔状、条状等等。在最优的方案中，牺牲窗口1002应当在支撑层501上对称设置，位于发热电极层601的两侧。这可以保证支撑层501受到应力应变作用保持平衡，提高生产良率和使用寿命。推广开来，本实施例提供的mems红外光源的最佳方案也是在整体结构(包括各个功能层)的设计上保持良好的结构对称性。以提升器件的结构强度、抗逆性和各项性能。
67.在本实施例提供的mems红外光源中，空腔结构的深度为1-50μm。器件的空腔在该深度范围条件下能够发挥最佳的技术效果。当空腔深度低于该优选区间时，衬底101几乎等同于无凹坑100，支撑层501和衬底101非常靠近，无法发挥上述技术效果。当空腔深度大于该优选区间时，空腔的深度过大时，提升了加工的难度，同时反射层301对红外辐射的反射效果会变差。
68.在本实施例中，反射层301可以采用由ag、au、cu、al中的任意一种制备而成的金属镀层薄膜。或采用介质膜布拉格反射层301。或采用由任意多种单一的金属镀层薄膜按照指定顺序叠加构成的多层复合薄膜。ag、au、cu、al都是具有高红外反射率的材料。介质膜布拉
格发射层是一种常见的由高低折射率介质材料按照一定次序组成的叠层光学薄膜，可以通过膜层设计对特定波长的红外线或者宽光谱红外线产生强反射，也可以作为本实施例中的反射膜。
69.考虑到不同材料的成本不一样，ag、au反射层301的成本比cu、al高很多；因此在实际应用中还可以根据需要将不同材料分层设置在衬底101上，以形成复合反射层301薄膜。例如以cu为反射层301基底，在上表面生成较薄的au镀层，构成所需的反射层301。复合反射层301不仅可以保持较高的红外辐射反射率，还可以在mems红外光源的生产成本和材料强度、韧性、耐磨性等综合性能方面达到更好的技术效果。
70.本实施例中的衬底101材料包括硅以及其它可作为红外光源衬底101的材料，如石英、玻璃、蓝宝石等等。其中，使用硅作为所需的衬底101材料时，通常将采用硅(100)面作为形成凹坑100以及各功能层的作业面，此时可以非常容易地采用硅的各项异性腐蚀实现倒梯形(开口大，底面小)的凹坑100形状。
71.在本实施例中，支撑层501采用由氧化硅或氮化硅构成的单一材料或由二者间隔交叠设置构成的多层复合材料。氧化硅和氮化硅均为强度高、硬度大、导热性差、绝缘、耐高温、耐腐蚀的无机非金属材料；非常适合作为mems光源中的支撑层501材料使用。
72.本实施例的mems光源中的红外发射层901为由高红外发射率的材料制备而成，厚度为50-1000nm。其中，高红外发射率的材料包括nicr合金、tin、tialn、非晶碳、sic、nicro化合物、zro2、hfo2、la
1-x
ca
x
cro3(0≤x≤0.5)以及碳纳米管中的任意一种或多种的混合物。
73.特别地，本实施例的红外发射层901的发射面呈粗糙面结构。粗糙面结构提高mems红外光源的红外发射能力。
74.在本实施例中，发热电极层601的材料采用pt、mo、nicr合金、多晶硅、sic、cu、w、hfb2、ptsi以及sno2中的任意一种；以上材料都是现有的用于制造电阻发热单元的材料，这些材料制备的发热电极层601在通电后可以将电能更大效率地转换成内能进行发热。
75.如图7所示，在本发明更优化的技术方案中，发热电极层601与支撑层501之间还可以增加用于提高二者界面附着力的过渡层5011。过渡层5011根据采用的发热电极层601和支撑层501材料的不同而选自ti、cr、ni中的任意一种。例如当发热电极层601采用pt材料制备而成，而支撑层501采用sio2材料时，可以在制造过程中在支撑层501上表面增加一层超薄的cr镀层，从而使得二者的界面附着力显著提升。避免发热电极层601和支撑层501在使用过程中发生脱落等现象，提高产品的综合性能。
76.本实施例中，两条发热电极焊盘801相互平行，二者电连接在发热电极层601的上表面；红外发射层901位于两条发热电极焊盘801之间。发热电极焊盘801采用alsi合金、au、al、nicr合金、niv合金中的任意一种材料制备而成。发热电极焊盘801的主要作用就是在发热电极层601上引入定向传输的电子迁移，进而使得发热电极层601产热。因此本实施例采用的发热电极焊盘801的材料为具有较高的电导率、高热稳定性、可焊性高的材料。
77.如图8所示，在本实施例更优化的方案中，发热电极层601和红外发射层901还设置有用于阻断二者之间的电传导效应的隔离层701。隔离层701的材料采用氧化硅、氮化硅、氧化铝中的一种或任意多种的组合。
78.隔离层701通常仅在红外发射层901材料也具有导电性时才采用，如果红外发射层901采用绝缘材料生产，如非晶碳、la
1-x
ca
x
cro3(0≤x≤0.5)等时，则无需在发热电极层601
和红外发射层901之间设置隔离层701。隔离层701的工作机理如下：当红外发射层901采用导电材料时，如果不和发热电极层601进行电气隔离，那么电流也会经过红外发射层901，这会导致发热电极层601的电阻发生变化，在外加电压相同的情况下，mems光源所获得的温度会与设计值发生较大偏差，无法满足工作需求。而在二者之间设置绝缘的隔离层701则可以解决以上问题。
79.如图9所示，在本实施例更优化的方案中，红外光源还设置有保护层1001，保护层1001覆盖在mems红外光源上表面中除所述发热电极焊盘801以外的区域。保护层1001起到对内部结构进行保护的作用，在本实施例中，根据对器件的性能要求，保护层1001材料主要采用具有较强的红外辐射透过率，较高的强度和硬度；较强的耐腐蚀性能和耐热性能的材料制备而成。具体地，本实施例中选择的保护层1001的材料包括氧化硅、氮化硅、氧化铝、氧化铪中的任意一种或多种的组合。
80.实施例2
81.在实施例1的基础上，本实施例提供一种特殊的衬底结构，如图10所示，该衬底结构即为实施例1中mems光源中由衬底101、支撑层501和反射层301构成的组合体。该衬底结构可以作为一切现有mems光源中衬底结构的替代方案，以提高现有mems光源的光电转化效率。降低器件的能耗，提高器件的使用寿命。
82.具体地，该衬底结构为mems光源的底部支撑结构，衬底结构上负载mems光源的发光结构。发光结构包括沿竖向叠层设置的发热电极层601、红外发射层901，以及与发热电极层601电连接的两条发热电极焊盘801。
83.其中，衬底101上表面的中央设有向下凹陷的凹坑100，凹坑100包括一个水平的底面以及呈坡面状的侧壁。凹坑100的上口至少完整覆盖上方的红外发射层901。反射层301完整覆盖在衬底101中凹坑100的内壁上；反射层301采用对2-14微米波长范围的红外线具有高反射率的材料制备而成的薄膜。反射层301采用由物理气相沉积或者化学气相沉积制成的一体式均匀镀层。一体式镀层在最佳状态下可以使得表面呈镜面状态，具有更高的反射率。
84.支撑层501覆盖在衬底101上表面，支撑层501的覆盖面积大于衬底101中的凹坑100。支撑层501和衬底101呈四边固支结构相接，二者之间形成空腔结构。空腔结构的深度为1-50μm。支撑层501中设有至少一个贯穿的牺牲窗口1002，牺牲窗口1002与下方的衬底101中的凹坑100连通；牺牲窗口1002的分布位置与上方的发热电极层601的分布位置相切或相离。支撑层501采用由绝缘材料制备而成的一体式薄膜，或支撑层501中与发热电极层601的接触面为绝缘型面。
85.支撑层501中的牺牲窗口1002的数量为偶数，并对称设置在支撑层501中相对发热电极焊盘801的两侧的位置上。对称设置的牺牲窗口1002可以使得支撑层501的应力作用更加均匀，提高衬底结构整体的机械强度。特别的，本实施例中牺牲窗口1002为两条，且采用长条形孔。
86.在发热电极层601中，对应支撑层501中包含牺牲窗口1002的两侧宽度小于下方的凹坑100的对应侧宽度；对应支撑层501中不包含牺牲窗口1002的两侧宽度大于下方的凹坑100的对应侧宽度。采用这种特殊结构，可以最大程度使得发热电极层601下方的衬底101部分保持“悬空”；以抑制朝下的热传导效应。同时，该结构可以避免发热电极层601对支撑层
501中预留的牺牲窗口1002造成遮挡。
87.发热电极焊盘801搭接在所述发热电极层601上，且发热电极焊盘801沿着两侧牺牲窗口1002的连线方向分布；发热电极焊盘801的分布位置恰好与下方的衬底101中凹坑100的上口边缘相切。采用这种特殊结构可以使得发热电极焊盘801恰好“骑”在凹坑100边缘上，保证结构的稳定性和支撑层501的抗压性能。
88.红外发射层901位于发热电极层601上表面；且红外发射层901分布在两条发热电极焊盘801四个顶点的连线区域内。红外发射层901的这一特殊的分布状态可以使得红外发射层901产生的底向辐射被反射层301全反射。
89.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
90.以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型的保护范围应以所附权利要求为准。

技术特征：

1.一种mems红外光源的衬底结构，所述衬底结构为mems光源的底部支撑结构，其上负载mems光源的发光结构；所述发光结构包括沿竖向叠层设置的发热电极层、红外发射层，以及与所述发热电极层电连接的两条发热电极焊盘；其特征在于，所述衬底结构包括：衬底，其上表面的中央设有向下凹陷的凹坑，所述凹坑包括一个水平的底面以及呈坡面状的侧壁；所述凹坑的上口至少完整覆盖上方的红外发射层；支撑层，其覆盖在衬底上表面，所述支撑层的覆盖面积大于所述衬底中的凹坑；所述支撑层和所述衬底呈四边固支结构相接，二者之间形成空腔结构；所述支撑层中设有至少一个贯穿的牺牲窗口，所述牺牲窗口与下方的所述衬底中的凹坑连通；牺牲窗口的分布位置与上方的所述发热电极层的分布位置相切或相离；以及反射层，其完整覆盖在所述衬底中凹坑的内壁上；所述反射层采用对2-14微米波长范围的红外线具有高反射率的材料制备而成的薄膜。2.根据权利要求1所述的mems红外光源的衬底结构，其特征在于：所述空腔结构的深度为1-50μm。3.根据权利要求1所述的mems红外光源的衬底结构，其特征在于，所述反射层采用由物理气相沉积或者化学气相沉积工艺制成的一体式均匀镀层。4.根据权利要求1所述的mems红外光源的衬底结构，其特征在于：所述支撑层中的牺牲窗口的数量为偶数，并对称设置在支撑层中相对发热电极焊盘的两侧的位置上。5.根据权利要求4所述的mems红外光源的衬底结构，其特征在于：所述牺牲窗口为两条，且采用长条形孔。6.根据权利要求4所述的mems红外光源的衬底结构，其特征在于：在所述发热电极层中，对应支撑层中包含牺牲窗口的两侧宽度小于下方的凹坑的对应侧宽度；对应支撑层中不包含牺牲窗口的两侧宽度大于下方的凹坑的对应侧宽度。7.根据权利要求6所述的mems红外光源的衬底结构，其特征在于，所述发热电极焊盘搭接在所述发热电极层上，且所述发热电极焊盘沿着两侧牺牲窗口的连线方向分布；所述发热电极焊盘的分布位置恰好与下方的所述衬底中凹坑的上口边缘相切。8.根据权利要求1所述的mems红外光源的衬底结构，其特征在于，所述红外发射层位于所述发热电极层上表面；且所述红外发射层分布在两条所述发热电极焊盘四个顶点的连线区域内。9.根据权利要求1所述的mems红外光源的衬底结构，其特征在于：所述支撑层采用由绝缘材料制备而成的一体式薄膜，或所述支撑层中与所述发热电极层的接触面为绝缘型面。

技术总结

本实用新型涉及红外光源领域，特别是涉及一种MEMS红外光源的衬底结构。该衬底结构为MEMS光源的底部支撑结构，包括衬底、支撑层以及发射层。衬底结构上负载MEMS光源的发光结构。其中，衬底上表面的中央设有向下凹陷的凹坑，凹坑包括一个水平的底面以及呈坡面状的侧壁。凹坑的上口至少完整覆盖上方的红外发射层。反射层完整覆盖在衬底中凹坑的内壁上；反射层用于反射2-14微米波长的红外线。支撑层覆盖在衬底上表面，支撑层和衬底呈四边固支结构相接，二者之间形成空腔结构。支撑层中设有与下方的衬底中的凹坑连通的牺牲窗口；牺牲窗口与发热电极层相切或相离。本方案可以克服传统MEMS红外光源因底向热传导和红外辐射等造成的光电转换效率不高的问题。的光电转换效率不高的问题。的光电转换效率不高的问题。