《Materials Science in Semiconductor Processing》：Advancements in MEMS-based infrared emitters: Design, material selection, and fabrication techniques
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MEMS红外发射器综述：系统分析其发展历程、工作原理、材料设计（铂/钛氮化物等）、制造工艺及性能优化策略，重点探讨电-热-光转换效率、热时间常数调控、机械可靠性提升及光谱工程（等离子体/超材料结构）技术，总结当前局限与未来方向（低功耗、高频调制、封装集成）。
Vinay Goyal | Rahul Prajesh | Saurabh B. Mishra | Vishali Singh | Ajay Kumar | Mohd Danish
CSIR - 印度拉贾斯坦邦皮拉尼中央电子工程研究所
摘要
红外（IR）发射器是广泛应用于非分散红外（NDIR）气体传感、生物医学诊断、环境监测和安全系统等领域的关键组件。在现有的红外光源技术中，基于MEMS的红外发射器结合了紧凑的尺寸、低功耗、快速的热响应以及与大规模集成的兼容性。本文全面而深入地介绍了基于MEMS的红外发射器，涵盖了其发展历程、工作原理、材料选择、设计策略、制造工艺和性能表征。文章讨论了高效电-热-光能量转换所面临的主要挑战，特别强调了热时间常数、调制深度、机械可靠性和长期稳定性。同时分析了加热器和膜材料（包括铂、氮化钛、氮化硅及相关薄膜堆栈）在抗电迁移、热应力管理和高温操作中的作用。还回顾了涉及加热器几何形状、膜配置以及腔体与加热器比例的设计权衡，并介绍了分析和多物理场建模方法。此外，还探讨了利用等离子体结构和超材料吸收剂提高发射率的最新进展，强调了其在光谱控制和效率提升方面的潜力。最后，概述了基于MEMS的红外发射器当前的限制和未来研究方向，重点关注低功耗运行、高频调制、坚固的封装和系统级集成。
引言
红外（IR）发射器是现代传感和加热技术的核心组成部分，广泛应用于非分散红外（NDIR）气体传感、生物医学诊断、环境监测和安全系统等领域。在这些应用中，红外光源对系统尺寸、功耗、调制能力、稳定性以及最终的检测极限具有重要影响。尽管存在多种红外光源技术，但基于MEMS的热发射器因其紧凑的形态因子、低热质量、快速的热响应以及与可扩展微制造的兼容性而特别具有吸引力。
红外光谱通常分为近红外、中红外和远红外区域，每个区域都与不同的应用领域相关。近红外光谱在材料科学、制药和过程监测中有着广泛的应用[1]、[2]、[3]、[4]。中红外波长对于化学识别和气体传感尤为重要，因为许多分子在该区域具有强烈的基态吸收带[5]、[6]、[7]、[8]。远红外及更长波长的应用则主要集中在生物医学和分析仪器中[9]、[10]。第2节将讨论红外光源的发展历程以及与传感系统相关的发射器技术分类。
基于MEMS的热发射器的发展与热MEMS概念和微尺度传热工程密切相关，其性能受电-热-光能量转换路径及热诱导的机械可靠性限制的影响。热电效应（塞贝克效应、珀尔帖效应、汤姆逊效应）为热微系统提供了重要的理论基础[11]；然而，实际的MEMS红外发射器通常依赖于与膜或悬浮结构集成的电阻式微加热器来实现低功耗下的高辐射度。在许多NDIR和光谱系统中，不仅需要高输出功率，还需要在所需频率下实现稳定且可重复的调制，因为发射器的动态特性会直接影响探测器的信噪比。
从早期的纳斯特灯[12]和基于碳化硅的Globar光源[13]等热光源开始，红外发射器逐渐发展到基于半导体的相干和非相干光源，如红外LED[14]、二氧化碳激光器[15]和量子级联激光器（QCLs）[16]。尽管有这些其他光源，基于MEMS的热发射器在紧凑型和成本敏感的传感平台中仍然非常有用，因为它们可以设计成低功耗运行、具有可调的热时间常数，并且易于与封装和光学系统集成。此外，基于等离子体和超材料的结构在提高发射率和光谱工程方面也得到了越来越多的研究，为微型系统中的效率提升和选择性改进提供了新的机会。
图1展示了基于MEMS的红外发射器研究的不断增长，反映了人们对提高调制性能、可靠性和光谱控制的实际需求的持续关注。
本文的范围和贡献：本文对基于MEMS的红外发射器进行了系统的综述，重点包括：(i) 技术发展和分类；(ii) 工作原理和性能指标（如热时间常数和调制深度）；(iii) 设计和可靠性约束（包括电迁移和热机械应力）；(iv) 加热器、膜和钝化材料的选择；(v) 用于设计优化的建模和仿真方法；(vi) 制造工艺和集成限制；(vii) 发射率提升和光谱工程的最新进展；最后还提出了未来的研究方向。为了为后续的技术讨论建立清晰的概念框架，图2展示了典型基于MEMS的红外发射器的基本工作原理和结构架构。该示意图突出了电阻式加热元件、热隔离膜和支持基底之间的关键相互作用，并定义了后续章节中将系统分析的关键性能指标（如功耗、工作温度和热时间常数）。
论文结构：第2节讨论了红外（IR）光源的发展历程和分类，重点介绍了基于MEMS的热发射器。第3节总结了与传感应用相关的性能指标。第4节讨论了设计权衡和可靠性挑战，第5节讨论了材料选择。第6节涵盖了建模方法和热设计考虑。第7节讨论了制造工艺和集成限制。第8节探讨了发射率提升和光谱工程策略。第9节总结了表征和基准测试方法。第10节讨论了应用和系统级考虑。第11节概述了存在的问题和未来的研究方向，第12节总结了全文。
红外发射器的演变和分类
红外（IR）光源已从体积庞大、高功耗的热发射器发展为支持快速调制、提高效率和具有特定应用光谱特性的紧凑型器件。这一演变主要是由光谱和传感系统的需求推动的，尤其是在中红外区域，许多分子在该区域具有强烈的基态吸收特性。实际上，红外光源可以大致分为热发射器和光子发射器。
工作原理和性能指标
基于MEMS的红外发射器通过焦耳加热将电能转换为热能，随后根据热辐射定律发射红外辐射。与光子红外光源不同，基于MEMS的热发射器具有宽带特性，其性能主要受热设计、传热机制和材料属性的影响。对于非分散红外（NDIR）光谱等传感应用而言，动态热特性至关重要。
设计考虑和可靠性方面
基于MEMS的红外（IR）发射器的性能和长期稳定性受到紧密耦合的热-电-机械相互作用的影响。与宏观热光源不同，MEMS发射器在微加工结构中运行时电流密度较高且温度较高。这些结构具有有限的热质量和支持机械性能受到限制。因此，需要考虑电迁移、温度依赖的电行为等因素对可靠性的影响。
基于MEMS的红外发射器的材料
基于MEMS的红外（IR）发射器采用多层薄膜堆栈，每一层都经过精心选择以满足特定的热、电、机械和化学要求。典型的器件结构从上到下包括：钝化/发射涂层、电阻式加热器、金属互连和接触垫、可选的粘附/扩散屏障层、提供机械支撑和热隔离的膜，以及提供机械刚性的基底。
加热器几何形状和热建模
基于MEMS的红外（IR）发射器的性能主要受电、热和机械行为的共同影响。随着器件尺寸的缩小和工作温度的升高，仅依靠分析设计规则已不足以预测温度均匀性、热时间常数、功耗、应力集中和长期稳定性。因此，电热建模和多物理场仿真已成为MEMS设计的关键环节。
制造工艺和集成限制
随着对紧凑型、低功耗、机械坚固且光谱高效的热光源的需求增加，基于MEMS的红外（IR）发射器的制造工艺也取得了显著进展。尽管核心器件概念保持不变（即通过微加工技术在热隔离膜上集成电阻式加热器），但文献中报道的性能差异很大程度上受到工艺选择（如介电膜堆栈、加热器材料系统等）的影响。
发射率提升和光谱工程
基于MEMS的红外（IR）发射器的性能不仅取决于可实现的操作温度，还取决于辐射表面的发射特性。热设计决定了电能转化为热能的效率，而发射率工程则决定了这种热能转化为可用红外辐射的有效性。因此，发射率提升和光谱工程已成为提高效率的关键策略。
器件表征和基准测试
全面的表征对于评估基于MEMS的红外（IR）发射器的性能、可靠性和应用适用性至关重要。表征方法通常包括电气、热学、光学和动态测量，并结合长期可靠性测试。这些方法为文献中报道的不同器件架构、材料和制造工艺提供了有意义的定量比较基准。
应用和系统级考虑
基于MEMS的红外（IR）发射器已从实验室级别的组件发展成为广泛应用于各种传感和诊断系统中的关键组件（见图17）。它们的紧凑形态、低功耗以及与电子系统的兼容性使其特别适用于便携式、分布式和嵌入式应用。除了器件级别的性能外，系统级考虑因素（如光学耦合、调制策略、热管理和长期稳定性）也非常重要。
挑战、存在的问题和未来方向
尽管基于MEMS的红外（IR）发射器在技术上取得了显著进展，但仍存在一些技术挑战和未解决的问题，限制了其在苛刻应用中的广泛应用。这些问题涉及器件级别的权衡、材料可靠性、系统集成和长期运行稳定性。解决这些问题对于下一代高性能、低功耗的红外发射器至关重要。
结论
本文全面介绍了基于MEMS的红外发射器，涵盖了其发展历程、工作原理、材料和设计考虑、制造工艺、发射率工程、表征方法以及系统级应用。分析表明，基于MEMS的红外发射器在紧凑性、低功耗、快速热响应和与大规模集成的兼容性方面具有独特优势，使其成为这些应用中的关键组件。
CRediT作者贡献声明
Vinay Goyal：撰写初稿、可视化处理、方法论设计、数据整理、正式分析。
Rahul Prajesh：撰写与编辑、项目监督、方法论制定、资金申请、正式分析、概念构思。
Saurabh B. Mishra：撰写初稿、正式分析、数据整理。
Vishali Singh：数据调查。
Ajay Kumar：数据调查。
Mohd Danish：数据调查。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
作者衷心感谢CSIR-中央电子工程研究所（CSIR-CEERI，位于皮拉尼）提供的必要机构支持和学术环境，使本研究得以顺利进行。
Vinay Goyal博士感谢印度大学拨款委员会（UGC）通过NET-SRF奖学金提供的财政支持（参考编号：220520012106）。本研究还得到了科学和工程研究委员会（Science and Engineering Research Board）的支持。
