晶圆级自封装MEMS红外发射器实现高性能与高可靠性
晶圆级自封装MEMS红外发射器实现高性能与高可靠性
非色散红外（NDIR）气体传感器依靠气体对特定波长红外光的选择性吸收原理进行检测，因其具备寿命长、灵敏度高、稳定性优良和维护成本低等优点，被广泛应用于环境监测、工业过程控制及医疗设备等领域。这类传感器通常由三个关键模块组成：红外光源、气体腔室以及配备带通滤光片的红外探测器。
根据红外光的产生方式，红外发射器通常分为三种类型：红外激光器、红外发光二极管（LED）和热辐射源。其中，基于MEMS技术制造的微型热辐射红外发射器展现出诸多优势，例如微型化、低功耗、快速响应和较低的制造成本，因而在NDIR气体传感器中具有显著应用潜力。
近日，来自厦门大学的研究团队开发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恶劣环境中的耐用性。该器件采用了创新性的结构设计：将铂（Pt）丝作为发热元件，并集成温度传感模块于硅膜之上，通过硅-玻璃阳极键合工艺将整个结构封装于真空玻璃腔中，从而实现器件的自我封装。
在硅膜的另一侧，研究人员引入了黑硅纳米结构，以提高红外发射效率。通过COMSOL Multiphysics软件进行多物理场仿真分析，团队对器件的电学、热学及力学行为进行了优化。该发射器通过标准晶圆级MEMS工艺完成制造。
实验测试结果表明，该红外发射器在波长为6.1 μm、3 dB带宽为52 Hz的条件下，可输出172 mW/Sr/µm的辐射功率，驱动功率为850 mW时，表面温度可达到400℃。通过加速老化测试（AAT）和寿命预测模型评估器件的长期稳定性，结果显示在500℃工作环境下，其预期寿命可达10年。
相关研究成果题为《Wafer-level self-packaged MEMS infrared emitters with high-emissivity black silicon surface》，发表于《Microsystems & Nanoengineering》期刊。
MEMS红外发射器的工作原理与设计要点
MEMS红外发射器的核心原理基于焦耳热效应，即电流流经电阻材料时产生热量。为实现低功耗、高效热光转换和快速热响应，研究人员设计了一种悬浮于玻璃腔体之上的硅膜结构，形成低热质量系统。铂丝作为发热材料被沉积在硅膜表面，其具备耐高温、工艺兼容性强和成本可控等优势。
黑硅纳米结构被引入以增强表面红外辐射性能，不仅有助于提升热光转换效率，还能通过辐射自冷却机制加快调制响应速度。此外，自封装结构将发热元件与外界环境隔离，从而显著提升了器件在高温和复杂环境中的稳定性和耐久性。
仿真与结构优化
为优化结构设计，研究人员借助COMSOL Multiphysics软件对器件的电-热-力耦合行为进行了三维有限元（FEM）仿真，图2展示了相关模拟结果。
图1展示了自封装MEMS红外发射器的设计结构。
图3展示了带有/不带黑硅纳米结构的发射器在不同放大倍率下的显微图像，可见黑硅层完整覆盖器件表面，有效增强高温和低温区域的红外辐射。
性能表征与可靠性分析
研究人员对发射器的关键性能指标进行了系统测试，包括电学特性、时间与频率响应以及长期稳定性。相关数据展示在图4至图6中，表明该器件在各项性能上均达到较高水平。
图4：电学性能表征
图5：时间与频率响应特性
图6：长期可靠性分析
总结
该研究成功开发了一种具备高发射率黑硅表面的自封装MEMS红外发射器，通过集成铂丝发热元件与温度传感模块，并采用硅-玻璃阳极键合工艺，实现了器件的气密封装。该结构有效隔离发热元件与环境空气，保障了其在高温条件下的稳定性。黑硅纳米结构的引入进一步提升了发射效率，使硅膜兼具热支撑和封装功能。该器件在非色散红外气体传感器领域展现出广阔的应用前景。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41378-025-01114-y
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