基于碳纳米管的MEMS红外电阻阵列，用于高速与偏振红外场景生成

红外场景模拟器能够在实验室内生成真实目标的红外辐射特征，是红外探测器、导引头及红外成像系统性能评估的重要技术平台。随着红外探测器向高帧频、高动态范围及偏振成像方向发展，传统电阻阵列（Resistor Array，RA）红外场景模拟器逐渐面临新的挑战：一方面，像素热容限制了器件响应速度；另一方面，现有偏振红外场景模拟通常依赖外部偏振器或复杂偏振光学系统来生成偏振场景，增加了系统复杂度，不利于器件的小型化和高集成化。因此，开发兼具高速响应和偏振发射能力、且无需外部光学器件的红外电阻阵列，成为该领域的重要研究方向。

据麦姆斯咨询报道，近日，中国科学技术大学赵旸教授团队联合深圳职业技术大学、散射辐射全国重点实验室等单位，提出了一种基于顺排碳纳米管的新型MEMS红外电阻阵列。该工作充分利用顺排碳纳米管超低热容和本征光学各向异性的优势，实现了无需任何外部偏振器或复杂光学系统的像素级（pixelated）偏振红外发射。实验结果表明，器件的偏振辐射特性符合Malus定律，偏振辐射强度比达到1.6；进一步的理论分析预测，当像素尺寸缩小至当前先进电阻阵列的46 μm时，器件热响应时间有望缩短至2 ms以内，帧率可超过500 Hz，为下一代高速偏振红外场景模拟系统提供了一种新的技术方案。相关成果以"Super-Aligned Carbon Nanotube-Based Resistor Array for High-Speed and Polarization Infrared Scene Simulation"为题发表于IEEE Journal of Microelectromechanical Systems（JMEMS）。

器件设计及工作机制

研究团队设计了一种基于顺排碳纳米管薄膜的MEMS红外电阻阵列。本工作充分利用顺排碳纳米管的材料特性，使顺排碳纳米管薄膜同时承担电阻发热、红外发射和偏振产生三项功能，实现了结构与功能的一体化设计。

a. 电阻阵列工作原理示意图。b. 顺排碳纳米管薄膜在中波红外（MWIR）波段的发射光谱。c. 基于顺排碳纳米管的MEMS红外电阻阵列像素结构示意图。d. 顺排碳纳米管薄膜SEM图。e. 几种材料热容对比。f. 沿碳纳米管轴的偏振发射示意图。

SA-CNT在中波红外（MWIR）波段的发射光谱。其中，顺排碳纳米管在3–5 μm中波红外波段具有接近黑体的高发射率，同时材料密度极低，具有远低于传统SiNx、SiO₂等薄膜的热容，可显著提升器件热响应速度。更重要的是，由于碳纳米管沿单一方向高度有序排列，材料天然具有光学各向异性，能够直接产生偏振红外辐射，因此整个器件无需外部偏振器或复杂偏振光学系统即可输出偏振红外信号。

器件制备

首先，通过液体毛细力诱导自组装，将垂直碳纳米管阵列转化为顺排碳纳米管薄膜；随后完成碳纳米管图形化、支撑梁沉积、电极制备以及XeF₂释放工艺，最终成功制备出2×15像素MEMS红外电阻阵列。

a. 基于碳纳米管的MEMS红外电阻阵列工艺流程。 b-d. MEMS红外电阻阵列SEM图。e. d图中绿色方框区域的放大SEM图，显示了碳纳米管桥体的取向。

器件性能表征

实验结果表明，在真空环境下，200微米像素器件可实现694 K表观温度，热响应上升时间为36 ms，下降时间为21 ms。理论分析进一步表明，当像素尺寸缩小至当前先进电阻阵列水平（46 μm）时，响应时间有望降低至2 ms以内，对应帧率超过500 Hz。

偏振性能测试结果显示，不同偏振方向对应明显不同的红外辐射强度。随着偏振片旋转，器件辐射强度呈现标准Malus定律变化规律，偏振辐射强度比达到1.6，验证了顺排碳纳米管本征偏振发射机制。

a. 热响应测量装置示意图。b. 不同输入功率下的样品表观温度。c. 样品的时间响应。d. 理论阶跃响应，46 µm 碳纳米管RA与最先进的参考器件比较，显示出更快的上升和下降时间。e. 不同电压下样品TE和TM方向的表观温度。f. 偏振器旋转360°过程中测得的样品辐射亮度曲线。