Structural Design and Simulation of MEMS Infrared Light Source for CO2 Detection with Low Power Consumption
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摘要:
传统的二氧化碳传感器存在着体积大、功耗高等问题，近年来随着半导体技术和材料的发展，MEMS技术逐渐成为传感器的研究重点。研究并设计了一种适用于二氧化碳传感器的微机电系统（micro-electro-mechanical system，MEMS）红外光源芯片结构，采用硅（Si）作为基底，氧化硅（SiO2）-氮化硅（Si3N4）-氧化硅（SiO2）作为红外光源的支撑层材料，辐射区的加热电阻采用延展性良好的铂（Pt），以铝（Al）为电极。光源的支撑层采用四轴大圆角悬空结构，极大减少了辐射区热量向衬底的热传导且稳定性较好，通过有限元仿真分析，该光源具有低功耗和结构稳固的特点。
Abstract:Conventional carbon dioxide sensors pose significant drawbacks such as large size and high power consumption. In recent years, with the development of semiconductor technology and materials, microelectromechanical systems (MEMS) technology has gradually become the focus of sensor research. In this study, a microelectromechanical system with an infrared light source chip structure for carbon dioxide sensors was designed and investigated. Silicon (Si) was used as the substrate, silicon dioxide (SiO2)–silicon nitride (Si3N4)–silicon dioxide (SiO2) was used as the support layer of the infrared light source, platinum (Pt), which has good ductility, was used as the heating resistor for the radiation area, and aluminum (Al) was used as the electrode. The support layer of the light source adopted a four-axis large rounded corner suspension structure, which significantly reduced the thermal conduction of heat from the radiation area to the substrate and provided better stability. Through finite element simulation analysis, the light source was characterized by low power consumption and a solid structure.
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0. 引言
在自然界中，二氧化碳（CO2）气体是大气的重要组成部分之一，也是植物进行光合作用的主要原料，同时二氧化碳的浓度对人体健康有着很大的影响。随着科技的不断发展，工业不断排放二氧化碳，导致温室气体增加，加剧了全球气候变暖的趋势。因此，对二氧化碳的检测变得格外重要。目前，常用的检测二氧化碳的方法有气相色谱法、光线干涉法、半导体检测法以及红外光谱吸收法等[1]，这些检测方法各有优劣，在不同的应用场景适合采用不同的方法。针对目前微型化、集成度高和智能化等新型传感器的需求，非色散红外光谱吸收法具有响应速度快、测量气体的范围广、功耗低以及抗干扰能力强的优势，同时成本也比较低，在二氧化碳气体检测领域得到了广泛的应用。随着集成电路的发展，芯片的工艺不断更新，气体传感器也正向着微型化、智能化的方向发展。
近年来，MEMS红外光源的研究越来越深入，目前主要的研究内容包括增强电光转换效率，减小辐射区的热量损失，增强辐射区电阻的辐射率，设计合适的发热电阻结构用于不同气体的测量等。Lee等人[2]通过在制备过程中两步体硅刻蚀改变了支撑层的结构设计了一种红外气体传感器，该红外光源在6 ms的响应时间内辐射区的最高温度可达1200℃，平均温度可达800℃。M. T. Cole等人[3]设计的红外光源的发射层采用垂直排列的多壁碳纳米管，采用深反应离子技术释放薄膜提高了光束的准直度，使光源的辐射强度在3~6 μm的范围内提高130%。Sreyash Sarkar等人[4]研究了黑硅的特性，通过高掺杂得到超黑硅，这种黑硅在1.5~8.5 μm有着超高辐射率。该光源通过金属铂（Pt）作为加热电阻来加热黑硅，具有良好的光源发射特性。程美英等人[5]将多晶硅作为发热电阻材料，设计了一款新型硅基微电子机械光源，该光源的辐射波长可达1.5~20 μm，同时具有较长的使用寿命。杨靖等人[6]研制了一款微型化二氧化碳气体传感器，该传感器采用以环形走线的钨（W）电极为加热丝的MEMS红外光源，该光源具有热响应时间短、功耗低和发热温度均匀的特点，集成度高。
本文设计了一款适用于二氧化碳气体检测的MEMS红外光源，采用四轴大圆角的悬空结构有效减小热量的损失。设计了相应的电阻结构，通过调整控制电阻加热时产生的温度大小，使其特定温度辐射出的红外光波长与二氧化碳的吸收波长相接近，仿真结果表明该光源具有低功耗、结构稳定的优点。
1. 基本原理
MEMS红外光源采用热激发的工作方式，其红外辐射原理类似于灰体辐射，通过对发热电阻通电使电阻产生极高的温度，进而产生红外辐射，其不同的温度会产生不同波长的光谱。对于黑体辐射，其辐射率和波长基本遵循普朗克公式：
$$ M\left( {\lambda , T} \right) = \frac{{2{\text{π }}h{c^2}}}{{{\lambda ^5}}}\frac{1}{{{{\text{e}}^{hc/\lambda kT}} - 1}} $$ (1) 式中：k为玻尔兹曼常数；h为普朗克常数；T为黑体温度；c为光速；λ为波长；M为黑体的辐射度。根据普朗克定律可以看出，随着黑体温度的提高，产生的辐射光谱向短波方向移动，具体关系可由维恩位移定律[7]表示：
$$\lambda_{\mathrm{m}} T=2897.6 \mu \mathrm{m} \cdot \mathrm{K}$$ (2) 由该公式可知，黑体辐射力的极大值所对应的波长和热力学温度的乘积为一常数。因此，针对目标检测气体对不同波长的红外光的吸收程度不同，计算可得所设计的光源的最佳工作温度。在室温、标准大气压条件下，CO2气体在4.26 μm附近的吸收线较强，4.26 μm常被用作CO2气体检测的特征谱段[6]。由式(2)可以计算得出在这一波长下对应的温度为680.19 K，也就是407℃。因此，本设计的目标工作温度为407℃，在设计中，不断调整电阻结构和电压范围，找到最接近407℃的合适的结构。
不过，现实中并不存在绝对黑体，也就是说没有辐射率恒为1的物体。斯特藩-玻尔兹曼定律描述了发射率为ε灰体的辐射功率与温度的变化规律，其公式为：
$$P=A \sigma \varepsilon T^4$$ (3) 式中：σ是斯特藩-玻尔兹曼常数，σ＝5.67×10－8 J⋅m－2K－4s－1$ \mathrm{。} $由该公式可得，辐射功率的大小由辐射的有效面积、辐射系数以及辐射体的温度所决定。辐射功率和温度的四次方成正比，因此温度对辐射功率影响最大，是最主要的影响因素。
MEMS红外光源通过给电阻通电产生焦耳热，进而使温度升高产生红外光。焦耳热主要由3种途径传递，分别为热传导到硅衬底、表面对流散热和热辐射至空气[8]。其中热辐射能量是我们所需要的能量，由斯特藩-玻尔兹曼定律可得，其热辐射功率公式为：
$$P=A_{\mathrm{d}} \sigma \varepsilon\left(T^4-T_0^4\right)$$ (4) 式中：Ad为辐射面积；ε为发射率。通过该公式，在辐射面积、发射率、环境温度和斯特藩-玻尔兹曼常数确定的情况下，测量辐射温度即可计算得出辐射能量。要在尽可能小的功耗下提高辐射功率，需要合理地设计辐射源的辐射面积和电阻结构并有高的发射率。能量利用率为热辐射功率和驱动功率的比值[9]：
$$\eta=\frac{A_{\mathrm{d}} \sigma \varepsilon_1\left(T^4-T_0^4\right)}{P_{\mathrm{d}}}$$ (5) 式中：Pd为光源的驱动功率。能量利用率的大小在一定程度上可以判断红外光源的好坏，在同一工作温度下，能量利用率越高，说明该光源通过衬底传导的热量和对流消耗的热量越少，能量更多地用于红外辐射。
2. 结构设计
2.1 总体结构
MEMS红外光源的结构如图 1所示，光源采用四轴悬浮薄膜结构，从上至下依次为辐射层、加热电阻层、氧化硅-氮化硅-氧化硅3层结构支撑层以及硅基底。其中，支撑层下为空腔，电阻通过悬空的四轴由铝电极连接到中心辐射区。整个芯片总体尺寸为1.9 mm×1.9 mm×0.3 mm，其中辐射区的尺寸为0.9 mm×0.9 mm，辐射面积为0.81 mm2，四轴支撑臂宽为0.2 mm。设计的电阻形状全部做圆角处理，防止出现可能的电流和应力集中在拐点的情况，采用小曲率的结构设计增大了电阻的同时降低了电流大小，提高了辐射效率。
2.2 电阻结构
整体电阻的厚度大小为0.5 μm，宽度为30 μm，通过支撑悬臂连接到两侧的铝电极。电阻采用铂金属材料，铂导电性和导热性良好，可以在通电时使辐射区快速达到工作温度，同时铂电阻长时间工作时电阻稳定，可以提高光源的工作寿命。加热电阻整体采用小曲率结构设计，以此降低电流密度。
2.3 支撑结构
MEMS红外光源的支撑层采用氧化硅-氮化硅-氧化硅三层复合结构。在制作工艺流程中氧化硅薄膜会产生压应力，氮化硅薄膜会产生张应力，因此，采用氧化硅-氮化硅-氧化硅三层结构可以很好地平衡加热过程产生的应力，最上层的氧化硅还起到了绝缘的作用，同时也尽量减少热量向硅基底的传导。设计的四轴支撑结构的4个悬臂宽为0.2 mm，悬臂与辐射区边缘采用大圆角设计。
3. 有限元仿真分析
3.1 电热耦合仿真
在SolidWorks中建模后，利用ANSYS Workbench对MEMS红外光源进行电热耦合有限元仿真分析。采用20 μm的六面体进行网格划分，为减少计算量，去除硅基底，在支撑层与硅基底接触的底面施加持续22℃室温的温度载荷来模拟硅基底对红外光源加热温度的影响。在两个电极处分别施加1.85 V和0 V的电压，电阻的发射率设置为0.8[10]。在悬浮支撑膜下方以及上方与空气接触的地方施加热对流载荷，采用软件预置的空气对流系数，具体参数如表 1所示。
表 1 空气对流系数Table 1. Air convection coefficientTemp./℃ 1 10 100 200 300 500 700 1000 Convection coefficient 1.24 2.67 5.76 7.25 8.3 9.84 11.01 12.4 将相关材料和载荷参数设置好后进行电热耦合仿真，其仿真结果如图 2所示。辐射区平均温度为394℃，中心最高温度为425.89℃，由图 2的温度曲线可得，辐射区温度集中在425℃左右，温度分布相对均匀。通过式(2)计算可得该光源发出波长在4.15 μm附近的红外光，符合对CO2气体的检测。通过仿真得到流过电流为15.58 mA，可得加热电阻阻值为118.7 Ω，功耗仅有28.82 mW，通过式(4)计算可得辐射功率为7 mW，能量利用率为24.3%。由于本文针对的是CO2检测，工作温度较低，所以能量利用率不是很高，当测量其他气体时，随着温度的升高，能量利用率逐渐升高。
3.2 功耗仿真分析
加载不同大小的电压时，驱动功率不同，从而影响温度大小。随着电压的逐渐增大，温度逐渐升高。如图 3所示，温度和电压近似成正比关系，当电压为1 V时，辐射区平均温度在160℃左右，随着电压的增加，温度逐渐升高，当施加3.2 V电压时温度达到762℃左右。由式(2)计算可得光源可发出2.8~6.7 μm附近波长的红外光，在中红外波段有着良好的线性关系。
同时，温度随着功率的增大而增加，近似线性关系，如图 4所示，由于电阻和悬空结构的设计，因此仅用较小的功率便可产生很高的温度，有较好的能量利用率和稳定性能。
3.3 稳定性仿真分析
光源的稳定性至关重要，稳定的结构可以满足长时间工作的要求，为了研究红外光源的结构稳定性，将四轴大圆角设计和不含圆角结构的模型分别进行稳态结构分析对比。将电热仿真的温度结果导入到稳态结构仿真模块中，施加标准地球重力载荷和1000gn的加速度冲击载荷，将底部和硅基底接触的面添加固定支撑，其总变形结果如图 5所示。从图中可以看出，从辐射区中心位置向四周形变逐渐增大，形变最大的位置位于支撑膜的四条边，设计结构的最大变形为0.104 μm，去除圆角结构的模型最大变形为0.114 μm。由此可见设计的圆角结构相较于直边有一定的分散应力作用，同时整体结构的稳定性良好。
3.4 光源动态仿真
MEMS红外光源一般工作在电调制模式下，为了研究MEMS光源的动态响应，将模型导入Comsol中，加载的电压改为频率为5 Hz、幅度为1.85 V、占空比为50%的方波信号，仿真结果如图 6所示。从图中可以看出，光源在5 Hz的方波信号下，最高温度为500℃，响应时间在60 ms左右，通过和稳态仿真的温度对比，可以得到光源在5 Hz的方波信号下的调制深度为100%。
通过仿真不同频率下光源的动态响应，得到光源的调制深度曲线，如图 7所示。从图中可以看出，在6 Hz以下光源具有满调制深度，频率越高调制深度越低，当频率达到100 Hz，此时光源的调制深度为53%。
在MEMS红外光源中，低的响应时间、大的有效辐射面积和低功耗之间是相互矛盾的[11]，要想减少功耗只能以较大的响应时间为代价，要在具体的应用环境中合理地平衡它们之间的关系。
4. 制作工艺流程
MEMS红外光源芯片的工艺流程如图 8所示，其具体流程为：
① 在硅（Si）片上通过热氧化形成一层SiO2薄膜[12]，通过低压化学气相沉积法（low pressure chemical vapor deposition，LPCVD）沉积一层Si3N4薄膜，再通过等离子增强化学气相沉积法（plasma enhanced chemical vapor deposition，PECVD）形成一层SiO2薄膜，得到红外光源的支撑层。
② 通过磁控溅射的方法淀积一层50 nm的Ti硅化物附着层，用于氧化硅和铂之间的黏附，然后在钛上溅射一层铂金属层。在铂电阻层上通过溅射沉积一层Al。通过湿法腐蚀去除辐射区部分仅在对角留下铝电极，然后通过剥离工艺将铂金属层图形化。
③ 在铂金属层上通过等离子增强化学气相沉积法淀积一层多晶硅，然后通过反应离子刻蚀（reactive ion etching，RIE）生成纳米结构，形成黑硅辐射层。
④ 在刻蚀支撑层薄膜前先沉积有机聚合物来保护侧壁，然后利用反应离子刻蚀（RIE）去除介质层，图形化形成圆角结构。通过深反应离子刻蚀（deep reactive ion etching，DRIE）释放体硅，形成悬空结构。
5. 总结
针对微型化二氧化碳气体传感器的需求，且光源是气体传感器的核心部件，本文设计了一款四轴圆角悬空结构的MEMS红外光源，采用Pt作为加热电阻，支撑层采用SiO2-Si3N4-SiO2复合膜结构以及悬空设计。仿真结果表明，该光源功耗仅有28.82 mW，温度分布集中在425℃左右，可以发出波长在4.15 μm左右的红外光，符合CO2检测的要求。稳定性仿真的最大形变仅有0.104 μm，具有低功耗和稳定性良好的特点，满足微型CO2气体传感器的要求。
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表 1 空气对流系数
Table 1 Air convection coefficient
Temp./℃ 1 10 100 200 300 500 700 1000 Convection coefficient 1.24 2.67 5.76 7.25 8.3 9.84 11.01 12.4 
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