高分辨率静电驱动MEMS可调谐滤波器，面向长波红外成像和传感应用
2026-06-27 08:48:55 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
研究团队通过光学-机械协同设计策略提出了一种适合长波红外波段的静电驱动MEMS-FPTF，可实现高光谱精细度和稳定的大行程驱动。该MEMS可调谐滤波器为长波红外光谱滤波提供了一种紧凑、低功耗和高精度的解决方案，在矿物识别、自主感知和远程光谱传感领域具有广阔的应用前景。
长波红外（LWIR）波段位于自然热辐射峰值附近，可在无主动照明的情况下实现稳定的被动成像，并且该波段覆盖了许多重要材料的特征光谱，成为传感和识别的关键光谱区域。然而，该波段的微机电系统法布里–珀罗可调谐滤波器（MEMS-FPTF）的研发面临诸多挑战，主要受限于材料的强吸收特性、低损耗薄膜材料选择匮乏，以及制备厚度大、低应力且高反射率的分布式布拉格反射镜（DBR）的工艺难度。
据麦姆斯咨询报道，针对上述问题，南通大学和中国科学院上海技术物理研究所的研究团队通过光学-机械协同设计策略，提出了一种适合长波红外波段的静电驱动MEMS-FPTF，可实现高光谱精细度和稳定的大行程驱动。该MEMS可调谐滤波器为长波红外光谱滤波提供了一种紧凑、低功耗和高精度的解决方案，在矿物识别、自主感知和远程光谱传感领域具有广阔的应用前景。相关研究成果以“A high-resolution electrostatically actuated MEMS Fabry–Pérot tunable filter for LWIR imaging and sensing applications”为题发表于Microsystems & Nanoengineering期刊。
光学原理与光学薄膜设计
作为一种紧凑且可重构的色散元件，MEMS-FPTF通常集成在红外探测器或焦平面阵列前面，以实现波长选择成像。探测器通过在目标光谱范围内扫描通带，记录一系列窄带图像，这些图像可叠加形成三维光谱数据立方体（x-y-λ），以供后续分析，如图1b所示。在这种架构中，MEMS-FPTF通过腔长调谐而非笨重的外部光学元件进行片上光谱选择，为可调谐高光谱传感提供了微型化途径。图1c展示了所提出的MEMS-FPTF的光学工作原理。MEMS-FPTF主要包括固定部分、键合层以及可动部分。可动部件和固定部件共同构成长度可调谐的FP腔。宽频波束进入腔体后，可发生多次反射。
图1 静电驱动MEMS-FPTF原理和结构
相比之下，具有多层介电层的DBR利用相长干涉（constructive interference）而非自由电子反射来实现高反射率，从而表现出比金属反射镜更低的吸收损耗。此外，DBR具有出色的热稳定性和化学稳定性，并且其光学特性可通过调整折射率对比度和层厚度来精确设计，从而提供高光谱选择性。因此，采用DBR作为高反射率结构是实现高性能MEMS-FPTF的更优选择。本研究选用Ge和ZnS作为高折射率和低折射率材料，设计了中心波长为11.5 µm的DBR，对应长波红外波段的中心区域。因此，Ge和ZnS层的物理厚度分别为0.718 µm和1.306 µm，分别对应该波长的四分之一光学厚度。图2展示了长波红外DBR结构的设计与模拟光学特性。
图2 长波红外DBR结构的设计与模拟光学特性
驱动电极结构的设计与模拟
虽然FP腔和DBR反射镜决定了MEMS-FPTF的固有光学响应，但是MEMS-FPTF的实际光谱性能在很大程度上取决于静电调谐过程中悬浮结构的机械行为。高光谱分辨率要求腔体具有良好的平行度。相反，可实现的位移和应力特性直接影响有效调谐范围和光谱退化程度，从而反馈到可行光学堆栈的选择。为了确定合适的悬浮结构，研究人员进行了有限元模拟，比较了不同几何形状悬臂梁的机械响应，如图3所示。结果显示，在综合考虑驱动效率、位移振幅和机械稳定性之间的权衡后，最终采用了三端环形结构来进行MEMS-FPTF器件的后续制备和实验验证。
图3 不同MEMS-FPTF悬浮结构设计的位移和应力特性的模拟对比
MEMS-FPTF芯片的设计与模拟
基于上述光学和机械模拟结果，研究人员开发了一种用于长波红外波段的静电驱动MEMS-FPTF。图4a展示了该器件的三维结构，其由底部抗反射（AR）层、衬底、底部DBR、底部Au电极、SU-8支撑层、顶部Au电极、顶部DBR以及顶部AR层组成。研究人员对该MEMS-FPTF芯片的光学响应进行了模拟，结果如图4所示。
图4 MEMS-FPTF芯片的结构设计及光学响应模拟
MEMS-FPTF芯片的制备与表征
基于光学-机械协同优化，研究人员采用体微加工工艺制备了MEMS-FPTF，并对其光学性能和可行性进行了评估。制造工艺如图5所示。
图5 用于MEMS-FPTF制备的体微加工工艺示意图
在制备过程中，对DBR的结构质量和厚度精度进行了表征，以验证光学设计和沉积工艺。聚焦离子束（FIB）成像提供了沉积后DBR堆栈的横截面视图（如图6a）。利用傅里叶变换红外光谱法（FTIR）测量了加工前后DBR的光学反射率（如图6c）。这些结果证实了所制备的DBR具有良好的光学性能，为实现高性能MEMS-FPTF提供了可靠的基础。研究人员进一步研究了所制备的MEMS-FPTF的整体光学性能，以评估器件级调谐行为和光谱质量，相关结果如图6d至图6i。
图6 MEMS-FPTF器件的实验表征
通过MEMS-FPTF提升图像识别能力
为了验证所提出的MEMS-FPTF的应用潜力，研究人员构建了一个针对碳酸盐矿物的概念验证视觉光谱融合任务。为了提高稳定性和可靠性，研究人员提出了一种基于MEMS-FPTF的视觉光谱混合模型，该模型通过结合长波红外光谱信息来增强识别能力，相关实验任务及结果如图7所示。结果表明，将基于MEMS可调谐滤波器的光谱传感与视觉神经网络相结合，为实现稳定且高精度的智能矿物识别与勘探提供了一条可行的途径。
图7 通过MEMS-FPTF实现视觉识别增强
总结
综上所述，这项研究通过集成光学-机械协同设计策略，成功研制出一种用于长波红外波段的高性能静电驱动MEMS-FPTF。通过采用反射率超过92%的低损耗Ge/ZnS DBR以及C₃对称的三端环形悬浮结构，实现了高光谱精细度，从而获得188 nm的最小FWHM，63.7的最大品质因子，并且在10.3-12 μm范围内实现连续调谐。这些结果验证了所提出的薄膜设计和机械结构的有效性。为了进一步评估应用潜力，利用MEMS-FPTF的实测数据建立了视觉光谱混合识别模型。通过在参考物质CaCO₃的特征吸收波段提供波长选择信息，该MEMS-FPTF有效克服了纯视觉神经网络在光照变化和复杂背景下的不稳定性。该混合模型显著增强了特征表征能力和分类稳定性。总体而言，该MEMS可调谐滤波器为长波红外光谱滤波提供了一种紧凑且高精度的解决方案，并在如矿产勘探、自主感知和远程光谱检测等智能传感应用中展现出广阔的前景。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41378-026-01360-8
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