[发明专利]具有分层结构的红外发射器

说明书

本公开涉及具有分层结构的红外发射器。分层红外发射器结构仅包括半透明金属层(优选为一个半透明金属层(15))以及在半透明金属层(15)的两侧的一个或多个介电层(11、12、13、14、16、17)。此外，电加热布线(20)被布置在任何介电层(11)中或任何介电层(11)之间，以将半透明金属层(15)加热到所需的红外发射温度，优选为从400℃到1000℃的范围内的温度。

技术领域

本发明涉及具有分层结构的光学红外发射器。

背景技术

当必须测量气体或流体的成分时，广泛地使用光谱仪。在工业、科学、医学、药学、农业和生物学领域中的广泛应用中都需要这种测量。红外发射器在高准确度化学传感器的开发中发挥重要的作用，并且用作光学气体传感器系统中的主要红外发射元件。常规上，IR(红外)发射器采用电流加热的导线、丝线或导电陶瓷元件的形式。红外发射依赖于加热表面的温度和面积。对用于便携式测量设备和系统集成传感器的小尺寸光谱仪的需求已导致对微光谱仪越来越感兴趣。一些商业解决方案基于例如钨或铂的简单的薄膜发射器。但是，钨或铂的发射率低。

光学上，黑色表面可以用作吸收器或者发射器。在热敏探测器中需要吸收器，而在热红外源中需要发射器。前者不需要与后者一样承受高温。

可以通过在金属之上添加适当定制的薄膜层结构来增强简单金属表面的发射率。为了能够将光学结构用作发射器，该结构必须承受发射器使用中所需的温度。通常，在发射器应用中，使用超过100℃的温度，在这种温度下，结构应当优选为甚至在长时间段内保持不变。操作温度还可能更高，例如至少200℃、至少300℃、或者甚至高于650℃。最通常使用的发射器温度是在100-1000℃的范围内，例如在200-650℃的范围内，诸如在250-400℃的范围内。因此，结构应当承受应用的设计温度，并且在选定的操作温度范围内在很长的时间段内保持稳定。同时，结构应当允许良好的光学匹配。稳定性意味着在结构的操作寿命期间，在结构的操作条件下，结构的发射率在期望的波长范围内基本上保持不变。

因此，适用于发射器的分层结构的制造是非常苛刻的，因为部件的有效发射器使用需要高温。为此，大多数已知的吸收器结构实际上不适用于发射器使用。

由Liddiard K.C.给出的吸收器结构(Infrared Physics，1993，第34卷，第4期，第379页)不能用作红外发射器，因为它将不能忍受发射器使用中要求的温度。在Liddiard的解决方案中，薄的半透明金属层和介电层位于不透明金属层之上。薄的金属层与介电层一起形成抗反射的层结构，使得来自表面的反射在期望的波长范围内非常低。因此，在低反射和零透射率的情况下，可以获得高吸收效率。

US6177673公开了基于掺杂硅和非透明金属层的使用的红外吸收器。这种结构在发射器使用中不是光学上稳定的。光学不稳定的主要原因是掺杂剂的依赖于温度的激活水平(固体溶解度)。

US2015241612公开了基于与Liddiard的吸收器操作原理相同的红外发射器结构。薄金属层和底层介电层用作非透明反射金属层之上的抗反射层。通过用一个或多个屏蔽层保护薄的有损金属层来实现光学稳定性。

文章“Thin film absorbers for visible,near-infrared,and short-wavelength infrared spectra”(Eurosensors XXIII会议记录，Procedia Chemistry第1卷，第1期，2009年9月，第393-396页)公开了结构与US2015241612中给出的发射器结构基本上相同的吸收器结构。

市场上没有具有高发射效率的稳定光源。现有的商业解决方案是昂贵的，并且或者低效且功耗大，或者不作为分立的发光设备销售。

需要低成本、低功耗、稳定的红外源，尤其用于光谱和NDIR气体、液体和固体物质测量应用。

发明内容