MEMS可调谐超构表面热辐射器，实现高性能动态红外光调控
2026-04-03 19:53:30 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
这项研究提出了一种通用方案，通过集成自支撑全金属超构表面、静电驱动MEMS执行器和微加热器，实现了可调谐超构表面热辐射器，该热辐射器具有覆盖2-14 μm的宽动态范围和良好的光谱分辨率。
近几十年来，超构材料（Metamaterials）及超构表面（Metasurfaces）在电磁波调控领域展现出了巨大优势，特别是在红外波段表现突出。随着微加工技术的快速发展，微机电系统（MEMS）技术已成为实现器件可重构的重要技术路线。MEMS超构表面在调谐范围、响应速度和功耗方面展现出显著优势。可调谐超构表面的出现为动态红外调控铺平了道路，并在推进生物化学传感和红外成像等应用中发挥了至关重要的作用。
据麦姆斯咨询报道，近日，清华大学和南京大学等机构的研究人员组成的团队提出了一种微加工可调谐窄带热辐射器，通过集成MEMS可重构超构表面与片上微加热器，实现了宽调谐范围和高品质因子。得益于超构表面与法布里-珀罗（FP）腔的共振模式耦合，通过连续改变空气间隔厚度，发射峰可在2 ~ 14 μm范围内进行调制。研究人员将自支撑全金属超构表面与硅基MEMS执行器相结合，提出了一种构建MEMS可重构超构表面的通用方案，该方案能够有效消除衬底的本征损耗和多重共振，从而大幅提升光谱分辨率。
针对上述可重构超构表面，研究人员开发并实施了一种晶圆级MEMS微加工工艺，表明该方案批量生产的潜力。研究人员进一步制备了微型化可调谐超构表面热辐射器，调谐范围覆盖长波红外波段，并通过实验验证了其热辐射调控能力。这项研究为实现高性能实时热辐射调控提供了切实有效的解决方案，并在构建高度集成、低成本的动态红外超构器件方面展现出广阔应用前景。相关研究成果以“Design and fabrication method of the MEMS tunable metasurface thermal emitter with free-standing structures”为题发表于Photonics Research期刊。
图1 MEMS可调谐超构表面热辐射器示意图
器件设计与电磁调控机制
MEMS可调谐超构表面热辐射器由MEMS可重构超构表面芯片与衬底芯片组成。图2（a）展示了可重构超构表面由MEMS执行器上的周期性金属超构原子阵列构成。图2（c）中的衬底芯片由外围驱动电极、金反射器以及中心处加热电极组成。图2（d）展示了重构过程。
图2 MEMS可调谐超构表面热辐射器结构
在该MEMS可重构超构表面中，超构表面与金反射器共同构成空气间隔型FP腔，其中FP共振与超构表面共振发生耦合，从而产生相消干涉并实现完美吸收。通过改变空气间隔层的厚度，可以调节吸收峰的中心波长，并通过耦合共振实现宽可调吸收范围。因此，该MEMS可重构超构表面可以在宽波段内实现可调谐窄带发射。研究人员模拟了吸收光谱随空气间隔厚度变化以及电磁特性，相关结果如图3所示。
图3 超构FP腔性能模拟结果
MEMS可重构超构表面的反射系数和透射系数对可调吸收响应至关重要。为了进一步阐明其基本调谐机制，图4（a）和图4（b）展示了不同参数下模拟的反射振幅与相位特性。
图4 MEMS可重构超构表面基本调谐机制
为了实现覆盖2 ~ 14 μm整个中波红外（MWIR）和长波红外（LWIR）波段，并且具有高吸收率和可调波长范围，研究人员设计了5种不同的超构原子结构，其在不同的空气间隔层厚度下的模拟光谱如图5 (a) - 5 (e)所示。
图5 中波红外至长波红外波段超构原子模拟结果
器件的制造工艺
图6展示了MEMS可重构超构表面的晶圆级制造工艺，该工艺便于实现批量生产。该器件采用表面微加工与体微加工相结合的工艺制备。制造工艺中，利用埋设氧化层和背面氧化层的氧化硅以及粘合层的Cr作为多层硬掩模，以实现不同的设计蚀刻深度，如图7所示。
图6 MEMS超构表面芯片的制造工艺
图7 多层蚀刻掩模示意图
所制备的MEMS超构表面芯片与衬底芯片集成，衬底芯片包含驱动电极、微加热器和金反射器，共同构成可调谐红外热辐射器。衬底芯片不仅作为静电驱动的接地平面，还可以构建级联系统来实现光子功能。衬底的制造工艺如图8所示。
图8 衬底芯片的制备及倒装芯片键合工艺
器件表征与性能测试
研究人员对所制备的MEMS超构表面芯片进行了测试。图9（a）展示了制备的MEMS超构表面晶圆及单颗芯片照片，器件成品率超过95%。图9（b）展示了使用三维光学轮廓仪检测表面形貌的结果。研究人员利用傅里叶变换红外光谱与红外显微镜相结合，测试了三款可重构热辐射器（E1、E2和E3）的反射光谱，相关结果如图10所示。
图9 所制备的超构表面芯片表征
图10 三款MEMS可重构热辐射器的测试结果
总结及展望
综上所述，这项研究提出了一种通用方案，通过集成自支撑全金属超构表面、静电驱动MEMS执行器和微加热器，实现了可调谐超构表面热辐射器，该热辐射器具有覆盖2-14 μm的宽动态范围和良好的光谱分辨率。将MEMS超构表面与功能化衬底芯片相集成，可以有效地构建微型化可调谐超构器件。研究人员构建并测试了具有不同超构原子结构的MEMS超构表面热辐射器，证明了设计方案的有效性，并为气体传感、热伪装及其它应用提供了极具前景的平台。实际上，通过将不同的超构表面与相应的功能化衬底集成，该MEMS超构表面架构可进一步扩展，从而构建用于光束偏转的级联超构表面、可调谐超构透镜以及光开关的动态超构器件及阵列。这项工作为实现高效、高性能动态红外光调控提供了一种切实可行的解决方案。
论文链接：https://doi.org/10.1364/PRJ.574681
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