紅外場景模擬器能夠在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)生成真實(shí)目標(biāo)的紅外輻射特征，是紅外探測器、導(dǎo)引頭及紅外成像系統(tǒng)性能評估的重要技術(shù)平臺。隨著紅外探測器向高幀頻、高動態(tài)范圍及偏振成像方向發(fā)展，傳統(tǒng)電阻陣列（Resistor Array，RA）紅外場景模擬器逐漸面臨新的挑戰(zhàn)：一方面，像素?zé)崛菹拗屏似骷憫?yīng)速度；另一方面，現(xiàn)有偏振紅外場景模擬通常依賴外部偏振器或復(fù)雜偏振光學(xué)系統(tǒng)來生成偏振場景，增加了系統(tǒng)復(fù)雜度，不利于器件的小型化和高集成化。因此，開發(fā)兼具高速響應(yīng)和偏振發(fā)射能力、且無需外部光學(xué)器件的紅外電阻陣列，成為該領(lǐng)域的重要研究方向。
據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)趙旸教授團(tuán)隊聯(lián)合深圳職業(yè)技術(shù)大學(xué)、散射輻射全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等單位，提出了一種基于順排碳納米管的新型MEMS紅外電阻陣列。該工作充分利用順排碳納米管超低熱容和本征光學(xué)各向異性的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)了無需任何外部偏振器或復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)的像素級（pixelated）偏振紅外發(fā)射。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，器件的偏振輻射特性符合Malus定律，偏振輻射強(qiáng)度比達(dá)到1.6；進(jìn)一步的理論分析預(yù)測，當(dāng)像素尺寸縮小至當(dāng)前先進(jìn)電阻陣列的46 μm時，器件熱響應(yīng)時間有望縮短至2 ms以內(nèi)，幀率可超過500 Hz，為下一代高速偏振紅外場景模擬系統(tǒng)提供了一種新的技術(shù)方案。相關(guān)成果以"Super-Aligned Carbon Nanotube-Based Resistor Array for High-Speed and Polarization Infrared Scene Simulation"為題發(fā)表于IEEE Journal of Microelectromechanical Systems（JMEMS）。
器件設(shè)計及工作機(jī)制
研究團(tuán)隊設(shè)計了一種基于順排碳納米管薄膜的MEMS紅外電阻陣列。本工作充分利用順排碳納米管的材料特性，使順排碳納米管薄膜同時承擔(dān)電阻發(fā)熱、紅外發(fā)射和偏振產(chǎn)生三項(xiàng)功能，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)與功能的一體化設(shè)計。
a. 電阻陣列工作原理示意圖。b. 順排碳納米管薄膜在中波紅外（MWIR）波段的發(fā)射光譜。c. 基于順排碳納米管的MEMS紅外電阻陣列像素結(jié)構(gòu)示意圖。d. 順排碳納米管薄膜SEM圖。e. 幾種材料熱容對比。f. 沿碳納米管軸的偏振發(fā)射示意圖。
SA-CNT在中波紅外（MWIR）波段的發(fā)射光譜。其中，順排碳納米管在3–5 μm中波紅外波段具有接近黑體的高發(fā)射率，同時材料密度極低，具有遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)SiNx、SiO?等薄膜的熱容，可顯著提升器件熱響應(yīng)速度。更重要的是，由于碳納米管沿單一方向高度有序排列，材料天然具有光學(xué)各向異性，能夠直接產(chǎn)生偏振紅外輻射，因此整個器件無需外部偏振器或復(fù)雜偏振光學(xué)系統(tǒng)即可輸出偏振紅外信號。
器件制備
首先，通過液體毛細(xì)力誘導(dǎo)自組裝，將垂直碳納米管陣列轉(zhuǎn)化為順排碳納米管薄膜；隨后完成碳納米管圖形化、支撐梁沉積、電極制備以及XeF?釋放工藝，最終成功制備出2×15像素MEMS紅外電阻陣列。
a. 基于碳納米管的MEMS紅外電阻陣列工藝流程。 b-d. MEMS紅外電阻陣列SEM圖。e. d圖中綠色方框區(qū)域的放大SEM圖，顯示了碳納米管橋體的取向。
器件性能表征
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在真空環(huán)境下，200微米像素器件可實(shí)現(xiàn)694 K表觀溫度，熱響應(yīng)上升時間為36 ms，下降時間為21 ms。理論分析進(jìn)一步表明，當(dāng)像素尺寸縮小至當(dāng)前先進(jìn)電阻陣列水平（46 μm）時，響應(yīng)時間有望降低至2 ms以內(nèi)，對應(yīng)幀率超過500 Hz。
偏振性能測試結(jié)果顯示，不同偏振方向?qū)?yīng)明顯不同的紅外輻射強(qiáng)度。隨著偏振片旋轉(zhuǎn)，器件輻射強(qiáng)度呈現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)Malus定律變化規(guī)律，偏振輻射強(qiáng)度比達(dá)到1.6，驗(yàn)證了順排碳納米管本征偏振發(fā)射機(jī)制。
a. 熱響應(yīng)測量裝置示意圖。b. 不同輸入功率下的樣品表觀溫度。c. 樣品的時間響應(yīng)。d. 理論階躍響應(yīng)，46 μm 碳納米管RA與最先進(jìn)的參考器件比較，顯示出更快的上升和下降時間。e. 不同電壓下樣品TE和TM方向的表觀溫度。f. 偏振器旋轉(zhuǎn)360°過程中測得的樣品輻射亮度曲線。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1109/JMEMS.2026.3694063
《紅外熱成像與傳感技術(shù)及市場-2025版》
《短波紅外、中波紅外和制冷型紅外成像-2025版》
