具有可调制的发射率的基于超材料的红外发射器制造技术

本发明专利技术涉及一种可调制的红外发射器，该可调制的红外发射器包括加热元件、平面的基部元件、介电夹层和为结构化超材料的平面的覆盖元件，和致动器，其中，该致动器被配置为用于覆盖元件和基部元件在第一位置与第二位置之间的相对运动，从而对红外发射器的发射强度进行调制。本发明专利技术还涉及用于制造红外发射器的方法、用于借助红外发射器进行红外辐射的调制发射的方法，以及红外发射器的优选用途。一种包括红外发射器和用于调节致动器的控制设备的系统也优选地是本发明专利技术的主题。统也优选地是本发明专利技术的主题。统也优选地是本发明专利技术的主题。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有可调制的发射率的基于超材料的红外发射器


[0001]本专利技术涉及一种可调制的红外发射器，该可调制的红外发射器包括加热元件、平面的基部元件、介电夹层和为结构化超材料的平面的覆盖元件，以及致动器，其中，该致动器被配置为用于覆盖元件和基部元件在第一位置与第二位置之间的相对运动，从而对红外发射器的发射强度进行调制。本专利技术还涉及用于红外发射器的制造方法、用于借助红外发射器进行红外辐射的调制发射的方法，以及红外发射器的优选用途。一种包括红外发射器和用于对致动器进行调节的控制设备的系统也优选地是本专利技术的主题。

技术介绍

[0002]可调制的红外发射器(IR发射器)在光谱分析中有着广泛的应用。特别地，气体光谱分析通常是在红外辐射的帮助下进行的。红外范围内的电磁辐射触发所涉及的气体分子在特定频率或波长下的振动，这可以通过光谱中的吸收线来检测。
[0003]例如，环境传感器很大程度上依赖于在中红外范围(即波长从2μm到10μm)内工作的光学或光谱系统，因为这是许多重要物质(诸如二氧化碳或甲烷)所在的红外谱带。
[0004]通常使用光声光谱分析，其中强度调制的红外辐射被用于气体中待检测分子的吸收光谱中的频率。如果该分子存在于束路径中，则会发生调制吸收，从而导致加热和冷却过程，其时间尺度反映了辐射的调制频率。加热和冷却过程导致气体膨胀和收缩，从而产生调制频率的声波。这些可以通过声音检测器(麦克风)或流量传感器来测量。
[0005]光声光谱分析可以检测最精细的气体浓度，并具有多种应用。一个示例是二氧化碳的检测，它在科研和气候控制技术中发挥着重要作用。例如，可以通过这种方式测量空气中废气的浓度。其中可以检测到最小浓度的毒气的军事应用也是相关的。
[0006]不同的发射器用作上述应用的辐射源，具有不同的优点和缺点。例如，可以使用红外范围内的窄带激光源。激光源可以使用高辐射强度，并且可以使用标准组件在高频下被调制，例如用于光声光谱分析。然而，结构复杂且昂贵。必须使用相应数量的激光器，特别是为了检测不同的分子。
[0007]还已知提供基于光学纳米结构的窄带热发射器。井上等人，2015年公开了许多不同的办法([8])。参考兰迪等人2008年讨论的超材料在选择性红外发射器中的使用([13])。例如，公开了通过超材料提供单频带和双频带红外发射器。以这种方式，可以确保具有高发射率和Q因数的特定于波长的传输。与上述激光源相比，发射的红外辐射的高频调制是不可能的。
[0008]热的、宽带发射器也是已知的。它们具有广谱和通常成本较低的优势。然而，这些发射器的调制频率是有限的；由于热时间常数的原因，通过改变电流源进行直接调制会很慢，并且会显著降低组件的使用寿命。由于检测组件的固有噪声，慢调制通常会导致测量的信噪比较差。通过使用旋转斩波轮进行的外部调制更快，但结构复杂且不像许多应用所期望的那样紧凑和稳健。调制带宽也有限，而且由于惯性很难改变斩波器的旋转速度。
[0009]与此同时，人们对使这些红外传感器元件小型化的兴趣非常大，以便将它们集成
到尽可能多的技术应用中。
[0010]最适合小型化的是传感器或分光仪，其功能是基于光声效应，由于这是吸收光谱的方法，因此明显更短的光路长度足以获得足够的信噪比，与透射光谱法形成鲜明对比[7]。然而，与此同时，这也需要小型化的红外发射器的可用性，一方面应达到尽可能高的强度——因为这会导致测量信号的直接增加——但另一方面，还必须以尽可能高的频率进行调制。发射器的调制对于发生光声效应是必不可少的，因为若不这样在要检查的介质中不会产生声学信号。同时，发射器的更高调制频率意味着光声传感器的功能速度的增加和信噪比(SNR)的改善[7]。
[0011]到目前为止，主要使用的是小型化的热IR发射器，即所谓的微热板[5,6]，它们在几百度的温度下工作，达到的调制频率仅为几赫兹。通过使用等离子体结构[8至10]，可以对这种热发射器的光谱产生积极影响，但高温和低调制频率的基本问题仍然存在，现有技术无法解决。
[0012]为了制造小型化的机械电子设备，当今的许多应用领域都使用微系统技术。可以以这种方式制造的微系统(微机电系统，缩写为MEMS)非常紧凑(微米范围)，具有出色的功能和更低的制造成本。例如，DE 10 2017 206183A1将快速且紧凑的梳状驱动器描述为MEMS致动器。
[0013]在某些情况下，也已经提出了微/纳米机电系统与超材料的组合，这对于开发新型可调谐组件具有巨大潜力。在这种情况下，可能的应用领域包括从通信和太赫兹技术到医疗诊断等多种多样的领域[1至4]。
[0014]刘等人，2017年描述了表面光谱发射的调制，可以用于红外伪装或敌我识别([19])。借助于超材料，可检测的发射在对应于20℃的温度变化的范围内发生变化。结合MEMS致动器，可以在表面上生成动态红外图案，以避免红外摄像机检测或识别相应物体。
[0015]使用基于超材料的MEMS技术来调制适用于光声光谱分析的可加热IR发射器在现有技术中是未知的。
[0016]本专利技术的目的
[0017]本专利技术的目的是提供一种不具有现有技术缺点的可调制的红外发射器和一种用于产生调制的红外辐射的方法。特别地，本专利技术的目是提供一种高频且可变调制的红外发射器，其特征在于简单、廉价、同时紧凑的结构。

技术实现思路

[0018]该目的通过独立权利要求的特征实现。本专利技术的优选实施方式在从属权利要求中详细说明。
[0019]本专利技术优选地涉及一种可调制的红外发射器，包括：
[0020]‑
加热元件；
[0021]‑
由传导材料制成的平面的基部元件；
[0022]‑
介电夹层；
[0023]‑
由传导材料制成的平面的覆盖元件；
[0024]‑
致动器；
[0025]其中，覆盖元件是具有周期性排布的晶胞的结构化超材料，并且致动器被配置为
用于覆盖元件和基部元件在第一位置与第二位置之间的相对运动，从而对红外发射器的发射强度进行调制。
[0026]致动器可以用于以特别快速和简单的方式对发射的红外辐射的强度进行调制。与已知的通过改变电流供应来调制红外发射器的强度相反，根据本专利技术的调制不受热时间常数的限制。然而，例如，MEMS致动器可以用于实现远远超过100Hz至100kHz的调制频率。这种调制频率对于光声光谱分析特别有利。然而，可调制的红外发射器也适用于需要快速可靠地调制红外辐射的任何应用。
[0027]正如下文详细解释的，红外辐射的发射的调制是基于覆盖元件的结构化超材料的特性的利用。在第二位置，由结构化超材料制成的覆盖元件优选地位于尽可能近的距离处，仅受介电夹层限制，在基部元件上方具有最大可能的重叠度。在该第二(谐振)位置，红外辐射可以耦合到包括覆盖元件、介电夹层和基部元件的层系统，从而在优选的红外谐振波长处发生特别高的发射率或发生具有高强度的红外发射。
[0028]在第一位置本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种可调制的红外发射器(1)，所述红外发射器(1)包括：
‑
加热元件(11)；
‑
由传导材料制成的平面的基部元件(9)；
‑
介电夹层(7)；
‑
由传导材料制成的平面的覆盖元件(5)；和
‑
致动器(3)；其特征在于，所述覆盖元件(5)是具有周期性排布的晶胞的结构化超材料，并且所述致动器(3)被配置为用于所述覆盖元件(5)和所述基部元件(9)在第一位置与第二位置之间的相对运动，从而对所述红外发射器(1)的发射强度进行调制。2.根据前一权利要求所述的可调制的红外发射器(1)，其特征在于，所述相对运动包括所述覆盖元件(5)和/或所述基部元件(9)的沿着所述红外发射器(1)的发射方向的竖向平移运动，所述竖向平移运动使所述覆盖元件(5)与所述基部元件(9)之间的距离改变。3.根据前述权利要求中的任一项所述的可调制的红外发射器(1)，其特征在于，所述相对运动包括所述覆盖元件(5)和/或所述基部元件(9)的与所述红外发射器(1)的发射方向正交的水平平移运动，所述水平平移运动使所述覆盖元件(5)与所述基部元件(9)之间的重叠度改变。4.根据前述权利要求中的任一项或更多项所述的可调制的红外发射器(1)，其特征在于，沿所述覆盖元件(5)的表面法线方向的对于在1μm到10μm的范围内的至少一个谐振波长而言的发射率在所述第二位置是在所述第一位置的2倍，优选地在所述第二位置是在所述第一位置的4倍，更优选地在所述第二位置是在所述第一位置的8倍。5.根据前述权利要求中的任一项或更多项所述的可调制的红外发射器(1)，其特征在于，沿所述覆盖元件(5)的表面法线方向的对于在1μm到10μm的范围内的至少一个谐振波长而言的发射率，在所述第二位置具有大于0.7的值、优选地在所述第二位置具有大于0.8、0.9的值，并且在所述第一位置具有小于0.4的值、优选地在所述第一位置具有小于0.3、0.2的值。6.根据前述权利要求中的任一项或更多项所述的可调制的红外发射器(1)，其特征在于，所述晶胞包括通过对所述传导材料进行支撑来形成的谐振器，其中，所述谐振器优选地具有以下形状：开口环式谐振器(SRR)、电环式谐振器(ERR)、十字形、方形、圆形、六边形和/或这些形状的组合。7.根据前述权利要求中的任一项或更多项所述的可调制的红外发射器(1)，其特征在于，所述晶胞形成二维周期晶格，其中，晶格角在60
°
和120
°
之间，晶格角优选地是90
°
，并
且两个晶格常数是在谐振波长的5％与40％之间，两个晶格常数优选地是在谐振波长的10％与25％之间，其中，所述谐振波长优选地选自介于1μm至10μm之间的范围。8.根据前述权利要求中的任一项或更多项所述的可调制的红外发射器(1)，其特征在于，所述覆盖元件(5)由金属制成，所述覆盖元件(5)特别优选地由金、银、铝、钨、钼、钛和/或铜制成。9.根据前述权利要求中的任一项或更多项所述的可调制的红外发射器(1)，其特征在于，所述基部元件(9)是连续的传导层，并且所述基部元件(9)优选地由与所述覆盖元件(5)相同的传导材料制成。10.根据前述权利要求中的任一项或更多项所述的可调制的红外发射器(1)，其特征在于，所述介电夹层(7)由选自以下各者的材料制成：氮化铝、氮化硅、氧化铝、氧化硅、二氧化钛和/或氧化钽。11.根据前述权利要求中的任一项或更多项所述的可调制的红外发射器(1)，其特征在于，所述覆盖元件(5)、所述介电夹层(7)和/或所述基部元件(9)具有介于100nm与1500nm之间的层厚度。12.根据前述权利要求中的任一项或更多项所述的可调制的红外发射器(1)，其特征在于，所述致动器(3)是优选地选自以下各者的MEMS致动器：静电致动器、压电致动器、电磁致动器和/或热致动器，其中，所述MEMS致动器特别优选地是梳状驱动器形式的静电致动器、或压电梁形式的压电致动器。13.根据前述权利要求中的任一项或更多项所述的可调制的红外发射器(1)，其特征在于，所述红外发射器(1)包括至少四个MEMS致动器，所述至少四个MEMS致动器安装在所述覆盖元件(5)的外侧，并且被配置成同时控制所述覆盖元件(5)和所述基部元件(9)在所述第一位置与所述第二位置之间的相对运动。14.根据前述权利要求中的任一项或更多项所述的可调制的红外发射器(1)，其特征在于，在所述第一位置，所述覆盖元件(5)与所述介电层相距至少500nm的距离，优选地相距至少1000nm的距离；并且在所述第二位置，所述覆盖元件(5)与所述介电层相...

【专利技术属性】
技术研发人员：丹尼尔，
申请(专利权)人：哈恩席卡德应用研究学会，
类型：发明
国别省市：