專利名稱：基于碳纖維的紅外光源及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及紅外技術(shù)領(lǐng)域，具體而言是一種基于碳纖維的紅外光源及制備方法。
背景技術(shù)：
紅外技術(shù)已廣泛應(yīng)用于火災(zāi)報警，車輛、人員探測，CO2XH4等氣體檢測以及測溫等方面。目前廣泛應(yīng)用的一種寬帶紅外光源是利用加熱后的螺旋狀金屬燈絲(多為鎳鉻絲)發(fā)射紅外光。在螺旋狀燈絲外增加陶瓷等紅外輻射材料可以提高光源的發(fā)光效率。但這種光源功耗大，發(fā)出的紅外光不均勻，光源壽命短。這些傳統(tǒng)的紅外光源由于發(fā)熱體(燈絲)熱容量較大，調(diào)制頻率很低，在很多場合中不得不使用比較復(fù)雜的機械斬波裝置，使得 系統(tǒng)可靠性降低，成本提高。另外一種寬帶紅外光源是基于微電子機械(MEMS)技術(shù)的紅外光源(Micromachined tuned-band hot bolometer emitter, US parent 6756594 ；Highfrequency infrared emitter, US parent 6297511 ;基于微電子機械系統(tǒng)技術(shù)的紅外光源及制備方法，CN 200410073801.7)?；贛EMS技術(shù)的紅外光源體積小、功耗低。發(fā)光體熱容很小，可以實現(xiàn)快速的光源調(diào)制。但是，基于MEMS技術(shù)的紅外光源制備工藝復(fù)雜、成本較聞。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于碳纖維的紅外光源及制備方法。該紅外光源具有體積小、功耗低、調(diào)制頻率高、中遠紅外發(fā)射效率高等優(yōu)點。本發(fā)明的方法可實現(xiàn)低成本、大批量制備。為達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是—種基于碳纖維的紅外光源,包括管座、管腳、拋物反光杯、光學(xué)窗口、紅外光源芯片；管腳在管座上表面，拋物反光杯固接于管座上表面，拋物反光杯前端面固接有紅外窗口，紅外光源芯片固接在管座上表面并處于拋物反光杯的焦點位置；其紅外光源芯片包括支撐框架、碳纖維加熱體及電極壓焊塊；支撐框架中心部有通孔或凹槽，支撐框架在一方向相對的兩側(cè)邊框上表面固接有電極壓焊塊；多根碳纖維加熱體相互平行設(shè)置，懸空排布在支撐框架通孔或凹槽上方，每根碳纖維加熱體兩端分別與側(cè)邊框上表面的電極壓焊塊固接;紅外光源芯片位于拋物反光杯的焦點位置；通過壓焊金屬絲將電極壓焊塊與管腳電連接。所述的紅外光源，其所述支撐框架為硅材料或陶瓷材料；電極壓焊塊為金屬材料。所述的紅外光源，其所述支撐框架中心部有一通孔，通孔為方形，或倒梯形；框架厚度為300 μ m,尺寸為3*3mm到5*5mm之間，內(nèi)部方形通孔尺寸為2*2mm到4*4mm之間。所述的紅外光源，其所述支撐框架中心部有一凹槽，凹槽尺寸為2*2mm到4*4mm之間。所述的紅外光源，其所述相互平行設(shè)置的多根碳纖維加熱體，是相互等間距平行排布在支撐框架通孔或凹槽上方。所述的紅外光源，其所述多根碳纖維加熱體，是以并聯(lián)排布或串聯(lián)排布的方式，與側(cè)邊框上表面的電極壓焊塊固接。所述的紅外光源，其所述每根碳纖維加熱體兩端，是用導(dǎo)電膠同電極壓焊塊固接。所述的紅外光源，其多個基于碳纖維的紅外光源，可組成紅外光源陣列。一種所述的紅外光源的制備方法，其包括下列步驟a)清洗硅片；b)熱氧化形成氧化硅；c)沉積氮化硅；d)第一次光刻，淀積金屬薄膜形成電極壓焊塊；e)第二次光刻，刻蝕氮化硅、腐蝕氧化硅形成腐蝕窗口 ；f)利用硅各向異性腐蝕技術(shù)，背面腐蝕硅形成支撐框架結(jié)構(gòu)；g)在支撐框架上表面制備整列的碳纖維加熱體，用導(dǎo)電膠將碳纖維加熱體兩端分別同電極壓焊塊固接，形成紅外光源芯片；h)紅外光源芯片用高溫膠貼片于金屬管座上，通過壓焊金屬絲將電極壓焊塊與管腳相連；i)將h)步的成品，于真空或充氮氣氛中封裝在帶有氟化鈣光學(xué)窗口、拋物反光杯的金屬管座上。本發(fā)明的優(yōu)點與積極效果本發(fā)明提供了一種基于碳纖維的紅外光源及其制備方法，實現(xiàn)了寬帶紅外光源的低成本、大批量生產(chǎn)。碳纖維是一種石墨的六方晶格層狀結(jié)構(gòu)組成，是一種高導(dǎo)熱高輻射型的全黑體材料，因此在電熱應(yīng)用中表現(xiàn)出來的電熱轉(zhuǎn)換效率高。與傳統(tǒng)的白熾燈型紅外光源相比，本發(fā)明的發(fā)熱體熱容量很小，調(diào)制頻率可達到10赫茲(100%調(diào)制深度)。與基于MEMS技術(shù)的紅外光源相比，本發(fā)明的紅外光源制備工藝簡單，成本低，擴展了紅外監(jiān)測的應(yīng)用領(lǐng)域。


圖I是本發(fā)明的基于碳纖維的紅外光源芯片結(jié)構(gòu)俯視圖；其中圖1(a)為碳纖維串聯(lián)排布的結(jié)構(gòu)俯視圖；圖I (b)為碳纖維并聯(lián)排布的結(jié)構(gòu)俯視圖；圖2是本發(fā)明的基于碳纖維的紅外光源芯片結(jié)構(gòu)剖面示意圖；其中圖2(a)為一種紅外光源芯片結(jié)構(gòu)；圖2(b)為第二種紅外光源芯片結(jié)構(gòu)；圖2(c)為第三種紅外光源芯片結(jié)構(gòu)。圖3是本發(fā)明的基于碳纖維的紅外光源芯片制備工藝示意圖；其中圖3(a)為熱氧化氧化硅、淀積氮化硅；圖3 (b)為第一次光刻，淀積金屬形成電極壓焊塊；
圖3 (C)為第二次光刻，刻蝕氮化硅、腐蝕氧化硅形成腐蝕窗口 ；圖3 (d)為利用硅各向異性腐蝕技術(shù)，背面腐蝕硅形成支撐框架結(jié)構(gòu)；圖3(e)為在硅框架表面制備整列的碳纖維，形成紅外光源芯片；圖4是基于碳纖維的紅外光源芯片具體制備工藝流程框圖。
具體實施例方式結(jié)合

本發(fā)明的具體實施方法。圖I是本發(fā)明的基于碳纖維的紅外光源芯片結(jié)構(gòu)俯視圖。其中圖I (a)為碳纖維串聯(lián)排布的結(jié)構(gòu)俯視圖；圖1(b)為碳纖維并聯(lián)排布的結(jié)構(gòu)俯視圖。I為支撐框架；2為電極壓焊塊；3為碳纖維發(fā)熱體。 圖2是本發(fā)明的基于碳纖維的紅外光源芯片結(jié)構(gòu)剖面示意圖。其中圖2(a)為一種紅外光源芯片結(jié)構(gòu)；圖2(b)為第二種紅外光源芯片結(jié)構(gòu)；圖2(c)為第三種紅外光源芯片結(jié)構(gòu)。圖2(a)所示，一種紅外光源芯片結(jié)構(gòu)是支撐框架I為陶瓷材料，形狀為方形框架，其中部開方形通孔6 ;支撐框架I表面有固接的電極壓焊塊2 ;碳纖維加熱體3整列排布在支撐框架I上，并與電極壓焊塊2接觸；通過壓焊金屬絲將電極壓焊塊2與管腳相連。圖2(b)所示，一種紅外光源芯片結(jié)構(gòu)是支撐框架I為陶瓷材料，形狀為方形框架，其中部開凹槽8 ;支撐框架I表面有固接的電極壓焊塊2 ;碳纖維加熱體3整列排布在支撐框架I上，并與電極壓焊塊2接觸；通過壓焊金屬絲將電極壓焊塊2與管腳相連。圖2 (C)所示，一種紅外光源芯片結(jié)構(gòu)是支撐框架I為硅材料，形狀為方形框架，其中部開倒梯形通孔7 ;支撐框架I表面有固接的鈍化層，包括氧化硅層4和氮化硅層5 ;鈍化層表面有固接的電極壓焊塊2 ;碳纖維加熱體3整列排布在支撐框架I上，并與電極壓焊塊2接觸；通過壓焊金屬絲將電極壓焊塊2與管腳相連。圖3是本發(fā)明的基于碳纖維的紅外光源芯片制備工藝示意圖，其中圖3(a)為熱氧化氧化硅、淀積氮化硅；圖3(b)為第一次光刻，淀積金屬形成電極壓焊塊；圖3(c)為第二次光刻，刻蝕氮化硅、腐蝕氧化硅形成腐蝕窗口 ；圖3((1)為利用硅各向異性腐蝕技術(shù)，背面腐蝕硅形成支撐框架結(jié)構(gòu)；圖3(0為在硅框架表面制備整列的碳纖維，形成紅外光源芯片。圖4是基于碳纖維的紅外光源芯片具體制備工藝流程框圖，具體工藝流程為I)清洗硅片(300微米厚，100晶向的雙面拋光硅片)；2)熱氧化300內(nèi)米的氧化硅；3) LPCVD沉積500內(nèi)米厚的氮化硅；4)第一次光刻，淀積金屬薄膜形成電極壓焊塊(正性光刻膠，膠膜厚度在I微米到5微米之間，典型值為2微米)；5)濺射鉬/鉭薄膜200內(nèi)米)，剝離制備電極壓焊塊；6)第二次光刻(正性光刻膠，膠膜厚度在I微米到5微米之間，典型值為2微米)，用SF6反應(yīng)離子刻蝕(RIE)去除氮化硅。用HF緩沖液去除氧化硅；7)用KOH溶液或者四甲基氫氧化銨(TMAH)溶液各向異性腐蝕硅形成倒梯形通孔結(jié)構(gòu)；
8)將碳纖維整列排 布在支撐框架上，采用導(dǎo)電膠將碳纖維同電極壓焊塊固接，形成紅外光源芯片。
權(quán)利要求
1.一種基于碳纖維的紅外光源，包括管座、管腳、拋物反光杯、光學(xué)窗口、紅外光源芯片；管腳在管座上表面，拋物反光杯固接于管座上表面，拋物反光杯前端面固接有紅外窗口，紅外光源芯片固接在管座上表面并處于拋物反光杯的焦點位置；其特征在于紅外光源芯片包括支撐框架、碳纖維加熱體及電極壓焊塊；支撐框架中心部有通孔或凹槽，支撐框架在一方向相對的兩側(cè)邊框上表面固接有電極壓焊塊；多根碳纖維加熱體相互平行設(shè)置，懸空排布在支撐框架通孔或凹槽上方，每根碳纖維加熱體兩端分別與側(cè)邊框上表面的電極壓焊塊固接； 紅外光源芯片位于拋物反光杯的焦點位置； 通過壓焊金屬絲將電極壓焊塊與管腳電連接。
2.如權(quán)利要求I所述的基于碳纖維的紅外光源，其特征在于，所述支撐框架為硅材料或陶瓷材料；電極壓焊塊為金屬材料。
3.如權(quán)利要求I或2所述的基于碳纖維的紅外光源，其特征在于所述支撐框架中心部有一通孔，通孔為方形，或倒梯形；框架厚度為300μηι,尺寸為3*3mm到5*5mm之間，內(nèi)部 方形通孔尺寸為2*2mm到4*4mm之間。
4.如權(quán)利要求I或2所述的基于碳纖維的紅外光源，其特征在于所述支撐框架中心部有一凹槽，凹槽尺寸為2*2mm到4*4mm之間。
5.如權(quán)利要求I所述的基于碳纖維的紅外光源，其特征在于所述相互平行設(shè)置的多根碳纖維加熱體，是相互等間距平行排布在支撐框架通孔或凹槽上方。
6.如權(quán)利要求I或5所述的基于碳纖維的紅外光源，其特征在于所述多根碳纖維加熱體，是以并聯(lián)排布或串聯(lián)排布的方式，與側(cè)邊框上表面的電極壓焊塊固接。
7.如權(quán)利要求I所述的基于碳纖維的紅外光源，其特征在于所述每根碳纖維加熱體兩端，是用導(dǎo)電膠同電極壓焊塊固接。
8.如權(quán)利要求I所述的基于碳纖維的紅外光源，其特征在于多個基于碳纖維的紅外光源，可組成紅外光源陣列。
9.一種如權(quán)利要求I所述的紅外光源的制備方法，其特征在于包括下列步驟 1)清洗硅片； 2)熱氧化形成氧化硅； 3)沉積氮化硅； 4)第一次光刻，淀積金屬薄膜形成電極壓焊塊； 5)第二次光刻，刻蝕氮化硅、腐蝕氧化硅形成腐蝕窗口； 6)利用硅各向異性腐蝕技術(shù)，背面腐蝕硅形成支撐框架結(jié)構(gòu)； 7)在支撐框架上表面制備整列的碳纖維加熱體，用導(dǎo)電膠將碳纖維加熱體兩端分別同電極壓焊塊固接，形成紅外光源芯片； 8)紅外光源芯片用高溫膠貼片于金屬管座上，通過壓焊金屬絲將電極壓焊塊與管腳相連； 9)將8)步的成品，于真空或充氮氣氛中封裝在帶有氟化鈣光學(xué)窗口、拋物反光杯的金屬管座上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于碳纖維的紅外光源及制備方法，涉及紅外技術(shù)。該紅外光源包括管座、管腳、拋物反光杯、光學(xué)窗口、紅外光源芯片。管腳在管座上表面，拋物反光杯固接于管座上表面，拋物反光杯前端面固接有光學(xué)窗口，紅外光源芯片固接在管座上表面并處于拋物反光杯的焦點位置。其中，紅外光源芯片包括支撐框架、碳纖維加熱體以及電極壓焊塊。支撐框架上表面固接有電極壓焊塊；碳纖維加熱體整列排布在支撐框架通孔上方，碳纖維加熱體兩端分別與電極壓焊塊接觸；通過壓焊金屬絲將電極壓焊塊與管腳相連。本發(fā)明基于碳纖維的紅外光源體積小、功耗低、調(diào)制頻率高、中遠紅外發(fā)射效率高。本發(fā)明的方法可實現(xiàn)低成本、大批量制備。
文檔編號H05B3/14GK102788325SQ20111012852
公開日2012年11月21日 申請日期2011年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月18日
發(fā)明者何秀麗, 李建平, 管人寶, 趙永翠, 趙玲, 高曉光 申請人:中國科學(xué)院電子學(xué)研究所