面向智能农业的晶圆级超低功耗高均匀性红外光源研究

《ENERGY & ENVIRONMENTAL MATERIALS》：An Ultra-Low-Power and High-Temperature-Homogeneity Wafer-Scale Infrared Source

本综述报道了一种晶圆级集成、具有高温度均匀性的超低功耗红外光源（IRS）。该光源采用创新的铝修饰纳米森林（Al@NFs, ANFs）辐射层，在4.26 μm波长处发射率高达0.8，并通过微加热器图案的迭代优化使有效区域温度均匀性提升至90%。集成ANF-IRS的非色散红外（NDIR）传感系统功率密度降至256.7 mW/mm2，运行效率提升18倍（从0.39%至7.24%），成功应用于温室CO2浓度实时监测，为智能农业提供了低功耗硬件解决方案。

　　

引言

智能农业已成为现代农业发展的基石。二氧化碳（CO₂）作为光合作用的关键底物，对植物生长发育具有重要调控作用。然而，在可控环境农业设施（如温室、畜禽舍）中，CO₂浓度的持续升高不仅影响作物生长，还可能对作业人员安全构成威胁。因此，开发能够连续、精确、可靠监测CO₂浓度的新型传感设备成为研究重点。

在众多气体传感技术中，非色散红外（NDIR）传感器因其高选择性和检测精度成为主流技术方案。红外光源（IRS）作为NDIR传感器的核心部件，通过发射目标气体指纹波长的红外光，诱导气体分子对辐射的吸收。为实现有效气体检测并扩展单IRS可探测气体范围，要求IRS能够覆盖尽可能多的指纹波长。

IRS技术的核心在于微加热器几何设计和辐射层材料。现有微加热器构型（如蜿蜒形、同心圆、空间填充图案）虽改善了加热均匀性，但整个辐射区域仍存在显著热梯度。当有效区域实现等温条件时，器件可最大限度地减少传导热损失，同时确保发射波长与气体特定吸收指纹之间的精确光谱对准。此外，辐射材料直接决定IRS的运行效率。然而，在8英寸晶圆上制造IRS极具挑战性，主要原因是缺乏能够在8英寸晶圆级衬底上实现大面积、原位集成的辐射材料。当前主流材料（如氧化石墨烯薄膜、碳纳米管）虽注重高发射率，但忽略了原位集成性和制造可扩展性的关键考量。

本文提出了一种创新的IRS，集成了可在8英寸晶圆级制造的高发射率辐射层，并采用驱动轮式微加热器几何图案，旨在实现优异的热均匀性、最小化功耗和提升运行效率。

结果与讨论

铝修饰纳米森林（ANFs）辐射材料展现出简单的结构和高中红外发射特性。通过集成准有序一维纳米结构，在4.26 μm（CO₂指纹波长）处的发射率可从原始衬底的低于10%提高至80%。ANFs的制造工艺包括在硅衬底上旋涂6 μm厚的光敏聚酰亚胺（PI）层，经光刻图案化定义红外发射有效区域，随后通过氧和氩等离子体原位处理形成2 μm高的纳米森林（NFs）结构，最后通过溅射沉积30 nm厚的铝层形成ANF辐射层材料。该工艺验证了ANFs在8英寸IRS晶圆上的大面积原位集成。扫描电子显微镜（SEM）图像显示，图案化的ANFs可以无缝原位集成到衬底上，并表现出优异的均匀性。

X射线光电子能谱（XPS）分析表明，ANFs主要包含O、C、Si、Al等元素。C 1s谱证明了各种含碳化学键（如C–C、C–H、C–O、C=O）的存在，表明其为富碳表面环境。部分Al纳米颗粒被氧化为Al₂O₃，但残留的金属Al在增强红外吸收中起关键作用。

表面碳键的伸缩和弯曲振动可诱导强中红外吸收。同时，Al纳米颗粒表面的局域电子振荡可与中红外区域的特定化学键振动（如C=O键（4.26 μm/2347 cm^?1）、C-H键（3.3–3.5 μm/2850–3000 cm^?1）、C-C键（8.3–10 μm/1000–1200 cm^?1））耦合，从而进一步增强宽带吸收性能。有限差分时域（FDTD）法模拟了ANFs周围的电场分布。由于纳米尺度的近场效应，Al纳米颗粒周围增强的电场可与NFs表面的化学键相互作用。当金属纳米颗粒的等离子体共振频率与分子键的振动频率匹配时，会发生等离子体-振动耦合，通过表面增强红外吸收（SEIRA）效应显著增强红外吸收。因此，等离子体增强效应和分子振动模式的协同作用赋予该结构优异的红外吸收特性。密度泛函理论（DFT）模拟了该结构的SEIRA效应。外加电场也能有效增强红外吸收。比较施加电场与未施加电场的情况，NFs在2150–2400 cm^?1波数范围内的峰值吸收强度可增强高达三倍，并伴随峰值波长红移。在表面修饰Al纳米颗粒后，其周围发生局域场增强：在2.5–10 μm波长范围内电场增强约三倍，在4.26 μm波长处增强因子达到约十倍。

此外，由于腔模共振，具有非均匀、光栅状间距的纳米柱阵列会产生多个窄带吸收峰，其光谱相互重叠。同时，这种微结构的高纵横比和大比表面积提供了更有效的吸收表面，从而进一步增强了整体红外吸收能力。增强的键振动、局域表面等离子体共振（LSPR）效应、腔模共振和光陷阱效应的共同作用显著拓宽了整体红外吸收光谱。

通过集成这种高发射率辐射材料，ANF-IRS表现出优异性能。ANF-IRS本质上是一个热发射器，由硅衬底、SiO₂支撑层、钨微加热器、Si₃N₄钝化层和顶部ANF辐射层组成。为确保长期低功耗稳定运行和均匀红外发射，微加热器采用驱动轮几何图案。通过多物理场迭代设计，集成电磁加热和热膨胀，同时施加重力、电源端子、温度和底面固定等约束条件。通过实时热分布反馈，算法可自适应评估温度均匀性并调整电阻线宽度和间距以优化有效区域温度均匀性，最终确定微加热器的精确尺寸。模拟结果表明，有效区域内温差控制在30 °C以内，最高温度达到408 °C。应力模拟显示结构在热应力下呈现均匀压力分布，平均压力低于1.5 × 10⁸N/m²，平均变形小于1 μm。基于上述模拟设计，成功制备了具有封闭膜基结构的物理ANF-IRS器件。

ANF器件凭借优异的辐射层和精确设计的微加热器几何形状，实现了显著的性能提升。热成像显示有效区域最高温度为408 °C。有效区域均匀性（温度超过最高温度90%的区域比例）超过60%。沿ANF-IRS中心直径提取的温度剖面显示，温度梯度范围为350至408 °C，温度均匀性达到约90%。得益于更均匀的发射区域，ANF-IRS在相同1 Hz调制信号下的辐射强度达到裸IRS的约七倍。响应时间和恢复时间分别为41 ms和47 ms，支持高频调制。ANF-IRS在?3 dB调制深度下的调制频率高达13 Hz，与商用黑体红外发射器的典型性能相当。此外，ANF-IRS在连续运行期间温度波动偏差仅为0.5%，表现出优异的热稳定性。

ANF-IRS的光学功率（IRS上表面的辐射功率）与输入功率的关系显示，配备反射器的ANF-IRS在输入功率为201.6 mW时，输出光学功率为16.35 mW，运行效率为7.24%。随着输入功率增加，光学功率逐渐增加，相应的运行效率也缓慢增加。裸IRS、NF-IRS和ANF-IRS的照片显示，要达到相同的408 °C温度，NF-IRS的功耗为303.8 mW，而ANF-IRS的功耗为201.6 mW。在相同功耗（201.6 mW）下，裸IRS的温度仅能达到300 °C。由于发射率的增加，ANF-IRS在408 °C时的功耗比NF-IRS降低了33.6%。ANF-IRS功耗的降低归因于其更高的发射率，使其在较低温度下即可实现相同的辐射输出。

功率密度的降低源于几个关键因素：首先，ANF-IRS采用钨作为加热材料，其具有较低的比热（c_p）和密度（ρ），降低了加热过程中的能耗。其次，ANF-IRS的有效区域具有高温度均匀性，最大限度地减少了温度梯度，从而降低了热传导损失。通过综合优化这些方面，ANF-IRS实现了与以往报道器件相比显著的功率密度降低。具体而言，ANF-IRS的有效区域对应于直径1 mm的圆形区域（面积=0.785 mm²），在408 °C时功率密度计算为256.7 mW/mm²，低于大多数报道的IRS，并在运行效率方面展现出显著优势。

在全面评估IRS性能的基础上，进一步探索了其实际应用性，将ANF-IRS集成到NDIR CO₂气体传感器中用于温室CO₂监测。NDIR气体传感器主要由三个部分组成：宽带IRS、气室和红外探测器。采用ANF-IRS和本课题组先前工作中制备的基于ANF的热电堆红外探测器（ANF-thermopile）构建NDIR气体传感器。在传感器中，采用了集成ANFs以增强红外吸收的热电堆红外探测器，并在IR探测器的TO46帽上放置了4.26 μm滤光片。建立了由稳压电源、气体混合系统和传感腔组成的气体测试系统。传感器输出电压随CO₂浓度（0至5000 ppm）增加而从218 μV下降至198 μV。显著的电压变化（ΔV）与气体浓度呈现良好的线性关系，验证了传感器优异的CO₂检测性能。

此外，使用360秒测试周期和0.5占空比在固定CO₂浓度4000 ppm条件下评估了动态响应。传感器表现出稳定的输出特性，进一步验证了其动态响应性能。气体传感器表现出15.86秒的响应时间和24.26秒的恢复时间，与近期研究报道的最先进NDIR传感器性能相当，证明了其用于温室CO₂浓度实时监测的能力。

为验证NDIR气体传感器用于温室CO₂监测，使用丙烯酸板构建了一个密闭测试系统。NDIR气体传感器和温湿度探头安装在温室内。放置植物生长灯以提供光合有效辐射，并使用遮光布屏蔽环境阳光干扰。环境温度和湿度是影响NDIR气体传感器输出电压的两个重要因素。环境温度或湿度的升高均会导致NDIR CO₂传感器输出下降。这是因为较高湿度增加了气室中水蒸气分子的浓度，其吸收和散射红外光，从而降低了到达热电堆的辐射强度。同时，环境温度升高会提高热电堆的冷端温度，导致输出电压基线漂移。温室测试系统内一天内的温度和湿度变化显示，植物生理响应（特别是光诱导的气孔张开和蒸腾作用）驱动了这些日常波动。通过将温湿度数据映射，可以获得背景信号。气体传感器输出和背景信号在全天的变化表明，当灯光开启时，植物启动光合作用，导致CO₂浓度降低，传感器输出电压与背景信号之间的差值相应增加。当灯光关闭时，植物仅进行呼吸作用，导致CO₂浓度升高。尽管由于温湿度背景效应，传感器输出增加了约40 μV，但净信号（定义为传感器输出与背景信号之差）由于CO₂浓度升高而从3 μV上升至11 μV。这些结果表明，该NDIR气体传感器非常适用于温室环境中的实时CO₂浓度监测。

结论

总之，本文报道了一种高性能红外光源，其包含通过原位制造的大面积ANF辐射层。通过迭代设计方法优化的微加热器实现了高热均匀性，扩大了有效辐射面积，同时减少了有效区域的热传导损失，从而提高了IRS的运行效率。此外，ANF辐射层在2.5–10 μm波长波段表现出高发射率，这归因于化学键伸缩振动、Al颗粒的LSPR、腔模共振和光陷阱效应。所制备的IRS在408 °C时具有256.7 mW/mm²的低功率密度，并在NDIR气体传感器的CO₂浓度检测中得到验证。这种具有优异特性且易于大规模、低成本制造的ANF材料，为智能农业的发展提供了关键的技术支持和广阔的应用前景。