1 中电科技集团重庆声光电有限公司, 重庆 401332
2 电子科技大学 自动化工程学院, 成都 611731
3 大连理工大学 生物医学工程学院, 辽宁省集成电路与生物医学电子系统重点实验室, 辽宁 大连 116024
基于CO2红外气体传感器微型化、智能化、低功耗的发展要求,创新性地提出一种中心温度为407℃的CO2检测用微电子机械系统(MEMS)红外光源芯片。采用X型悬空桥式微热板结构,内部发热区域以环形走线的钨(W)电极为加热丝,以SiO2和Si3N4双层薄膜作为机械支撑保护层,可防止钨电阻丝氧化并提高寿命。电热耦合有限元仿真分析显示,该光源芯片具有发热区温度分布均匀、热响应时间短、功耗低的优点。采用10.16cm(4inch)MEMS工艺完成了芯片的流片制造。测试结果表明,该光源芯片在24ms内即可快速升温至工作温度407℃,功耗低至46mW,工作电压为2.85V,工作电流为16.2mA,具有热响应时间快、功耗低、集成度高的特点。
MEMS红外光源 微热板 功耗 热响应时间 CO2 CO2 MEMS infrared source micro-hot plate power thermal response time
1 中北大学电子测试技术重点实验室，山西 太原 030051
2 中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原 030051
MEMS红外光源是基于微机电系统(MEMS)制造工艺的红外光源器件，为明确 MEMS红外光源的辐射光谱分布特性和温度特性，采用 SR5000光谱辐射计对 MEMS红外光源进行辐射光谱分布特性测试，所得数据表明所选光源的红外光谱分布主要在 3～5 μm之间，中心波长位于 3.6 μm，该波段红外光具有接近 90%的大气透过率；采用红外测温仪和热敏电阻对光源辐射体温度进行测试，结果显示所选 MEMS红外光源温度特性优良，适用范围广泛。
MEMS红外光源 辐射光谱 光谱测试 温度特性 MEMS infrared light source radiation spectrum spectral testing temperature characteristic
中北大学电子测试技术国防重点实验室, 仪器科学与动态测试教育部重点实验室, 山西 太原 030051
光电标识是完成识别和搜救任务的“眼睛”。作为 “眼睛”核心组成器件, MEMS红外光源的工作稳定性对标识效果具有最直接的影响, 而 MEMS红外光源的工作稳定性取决于辐射薄膜的热稳定性, 表现为辐射体薄膜结构工作电阻的动态变化趋势。为此通过开展 MEMS红外光源电阻特性研究对于深入探索光电标识装置的标识特性意义重大。采用阻抗分析仪进行测试, 结果表明 MEMS红外光源长时间工作下其本征电阻值变化量仅为 0.4%, 热稳定性良好；在可承受驱动电压范围内, 光源的动态电阻随电压的变化无明显偏移, 薄膜表面形貌变化正常, MEMS红外光源整体结构工作稳定。
MEMS红外光源 热稳定性 动态电阻 薄膜形貌 MEMS infrared source thermal stability dynamic resistance film morphology
中北大学电子测试技术国防重点实验室, 仪器科学与动态测试教育部重点实验室, 山西 太原 030051
红外光源辐射利用率是制造高性能红外系统的关键, 准直透镜因其减少红外光源的广角散射而大幅提高红外光源利用率。针对 MEMS红外光源设计 CaF2高红外透射材料的双凸曲面结构准直辐射透镜, 使红外光线收敛呈准直辐射; 由 MEMS红外光源封装确定透镜最佳口径 r＝6.48 mm, 透镜焦距 f＝7.2 mm, 透镜厚度 d.≤2 mm, 用 Zemax光学软件仿真优化, 得出中间层厚度 d＝0.309 mm。并进行透镜的聚光光路仿真分析和效果验证, 为定向辐射 MEMS红外光源研发提供最优的原型尺寸参数, 极大提高设计效率。
MEMS红外光源 准直透镜 聚光封装 收敛辐射 MEMS infrared source collimating encapsulation light-gathering package convergence of radiation
1 中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室, 山西 太原 030051
2 中北大学电子测试技术国防科技重点实验室, 山西 太原 030051
3 苏州大学机电工程学院&江苏省先进机器人技术重点实验室&苏州纳米科技协同创新中心, 苏州 215123
硅基MEMS红外光源作为红外应用系统的核心部件,其光学辐射特性直接影响着整个红外装置的性能,然而,国内外对于硅基MEMS 红外光源的辐射特性尤其是辐射光谱特性未见详细报道,因此,为确定硅基MEMS 红外光源的辐射光谱分布,对MEMS 红外光源光谱特性进行准确测试是非常必要的.实验采用OL(Optronic Laboratories)系列光谱测量系统对MEMS 红外光源进行光谱特性测试,相对辐射光谱测试结果显示该光源的红外光谱波段主要分布在3～5 ?m,中心波长在3.6 ?m 处,其大气透过率接近90%,具有很好的大气透射度.
MEMS红外光源 光谱测试 光栅衍射 光谱辐射 MEMS infrared source Spectral test Grating diffraction Spectral radiance
1 中北大学电子测试技术国家重点实验室, 山西 太原 030051
2 中北大学仪器与动态测试重点实验室, 山西 太原 030051
针对红外气体传感器对光源的要求, 选用了一种宽波长、 高调制频率、 低功耗的小体积微机电系统(micro-electro-mechanic system, MEMS)红外光源作为辐射源, 其各项性能均能很好的满足红外传感系统对于光源的要求。 由于其面光源的朗伯辐射特性, 整形之后的红外光数值孔径仍然很大, 采用传统的长光程气室结构很难实现长光程从而提高系统的检测灵敏度。 本文结合双波长单光路的差分检测方法, 设计了一种基于积分球特性的吸收气室, 有效地解决了MEMS红外光源在高灵敏度气体检测应用中难于实现长光程的问题; 并运用光在传输过程中光通量守恒的原理, 推导了此积分球吸收气室的等效光程, 解决了积分球气室等效光程计算的难题; 同时采用FPGA主控芯片对MEMS红外光源进行高频调制并处理探测器的输出信号, 使得外围电路的设计更加简单、 灵活。 设计中, 使用直径为5 cm的积分球吸收气室便可实现166.7 cm的等效光程, 研究结果显示系统可测得的最小甲烷浓度达0.001×10-6, 极大地提高了红外检测系统的灵敏度。
红外气体传感器 MEMS红外光源 长光程 积分球气室 FPGA主控芯片 Infrared gas sensor MEMS infrared light source Long optical path Integrating sphere FPGA control chip
中北大学 电子测试技术国防重点实验室，仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原 030051
针对MEMS 红外光源的驱动控制问题，提出了一种基于FPGA 和稳压集成电路ADP3336 的可调制驱动系统。通过对MEMS 红外光源的辐射光谱和驱动特性研究，确定基于可调脉冲方波的直接驱动控制方式；采用FPGA 对数字脉冲信号进行占空比和频率的复合调制；采用ADP3336 对光源精密稳压驱动，使驱动电压偏差不大于0.1 V，驱动效率达80.1%。该驱动电路实现了对MEMS 红外光源大功率、高精度、高效率供能驱动以及深度调制，为这种新型红外光源器件的应用提供了技术基础。
MEMS 红外光源 调制 驱动电路 MEMS infrared source modulate driving circuit
