李 卓，時(shí)慶峰，王 欣，高彥澤，施 蕊

(1. 北京理工大學(xué) 光電學(xué)院，北京 100081；2. 精密光電測(cè)試儀器與技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；3. 藍(lán)視光學(xué)科技(北京)有限責(zé)任公司，北京 100081)

0 引 言

紅外場(chǎng)景生成技術(shù)廣泛應(yīng)用于紅外制導(dǎo)半實(shí)物仿真系統(tǒng)中[1]。隨著近年來紅外成像探測(cè)系統(tǒng)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用不斷深入，應(yīng)用在宇宙空間中低冷環(huán)境下的紅外場(chǎng)景模擬系統(tǒng)變得越來越重要。這些低冷環(huán)境主要包括衛(wèi)星、深空探測(cè)器、空間反衛(wèi)星武器等所處的太空空間背景，因此需要模擬低溫環(huán)境下的場(chǎng)景目標(biāo)輻射特性，用于開展深空低冷背景下紅外場(chǎng)景的生成、檢測(cè)及輻射測(cè)量。實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下通常是將低溫紅外場(chǎng)景生成裝置放置于能提供低溫真空的低溫真空艙中，通過紅外場(chǎng)景生成裝置產(chǎn)生所需的紅外輻射場(chǎng)景[2]。

目前低溫紅外場(chǎng)景生成技術(shù)中，主要的技術(shù)方案包括MEMS轉(zhuǎn)換薄膜技術(shù)，北京理工大學(xué)研制的基于MEMS轉(zhuǎn)換薄膜的轉(zhuǎn)換芯片，可以達(dá)到1 024×1 024的空間分辨率，模擬的最高溫度可以達(dá)到250 ℃。電阻陣列技術(shù)方面，Santa Barbara Infrared公司研制了低溫電阻陣列，稱為OASIS (optimized arrays for space-background infrared simulation)，采用512×512的陣列結(jié)構(gòu)，最高可模擬溫度可達(dá)700 K[3]。其他低溫紅外場(chǎng)景生成方法包括光組合電阻陣列型轉(zhuǎn)換方式以及半導(dǎo)體技術(shù)方式。Optical Science Corporation研制了二極管激光陣列和電阻陣列組合的紅外場(chǎng)景轉(zhuǎn)換原理樣機(jī)，激光二極管陣列采用W型量子阱二極管激光，電阻陣列使用BRITE II，可在100～290 K環(huán)境中模擬250～850 K的溫度[4]。烏克蘭的學(xué)者應(yīng)用半導(dǎo)體屏原理，在室溫下實(shí)現(xiàn)了210～300 K高幀頻動(dòng)態(tài)場(chǎng)景的模擬[5-6]。但是由于電阻陣和激光二極管等直接輻射型場(chǎng)景生成裝置的原理是自身發(fā)射紅外輻射，因此它所模擬的最低溫度要高于自身工作溫度，所模擬的溫度越低，其工作溫度越低，越難以實(shí)現(xiàn)[7-8]。半導(dǎo)體屏無法模擬接近于絕對(duì)零度的低溫，而且其動(dòng)態(tài)范圍較小。

在低溫環(huán)境下大部分紅外場(chǎng)景生成裝置必須加入保溫措施才能正常工作[9]，而保溫層和相關(guān)的電子元器件會(huì)引入熱源，對(duì)背景和目標(biāo)的紅外輻射都會(huì)產(chǎn)生熱干擾。由于所模擬的背景溫度和目標(biāo)溫度較低，紅外目標(biāo)輻射強(qiáng)度小，所以低溫場(chǎng)景還容易受到艙內(nèi)其他熱源輻射的干擾。

本文研究了一種基于MEMS轉(zhuǎn)換薄膜的低溫紅外場(chǎng)景生成技術(shù)，其工作原理類似于電阻陣列工作原理。與電阻陣列的區(qū)別是，電阻陣列是利用電流給像元加熱，產(chǎn)生熱輻射，而MEMS轉(zhuǎn)換薄膜是利用光照射在像元上給像元加熱，產(chǎn)生紅外輻射。所以MEMS轉(zhuǎn)換薄膜是一種利用光照射在像元上，像元吸收照射光的能量產(chǎn)生溫度升高，進(jìn)而產(chǎn)生紅外輻射的被動(dòng)無源器件。紅外場(chǎng)景生成系統(tǒng)除了MEMS轉(zhuǎn)換薄膜以外，其他的設(shè)備包括場(chǎng)景寫入系統(tǒng)和光源均置于真空艙外，艙內(nèi)沒有電子元件，因此低溫真空艙內(nèi)的溫度場(chǎng)更加干凈，也解決了電子元器件低溫不能工作的問題。MEMS轉(zhuǎn)換薄膜本身可以模擬的最低溫度不再受自身工作溫度的限制，而主要取決于MEMS轉(zhuǎn)換薄膜所處的環(huán)境溫度，因此MEMS轉(zhuǎn)換薄膜能夠模擬的最低溫度可以接近于環(huán)境溫度。

紅外場(chǎng)景生成的主要技術(shù)參數(shù)包括可模擬的場(chǎng)景溫度范圍和時(shí)間響應(yīng)兩個(gè)參數(shù)，即可模擬紅外場(chǎng)景的溫度特性和時(shí)間特性。

本文對(duì)低溫條件下MEMS薄膜芯片的溫度特性和時(shí)間特性進(jìn)行了數(shù)學(xué)物理建模分析，并對(duì)MEMS薄膜芯片在低溫環(huán)境下的溫度空間特性和時(shí)間特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在173 K、2×10-5Pa環(huán)境下，MEMS薄膜芯片可模擬的溫度范圍為173～540 K，上升時(shí)間為6.73 ms，下降時(shí)間為6.22 ms，陣列規(guī)模可達(dá)1 400×1 400。

1 低溫紅外場(chǎng)景生成技術(shù)

1.1 低溫紅外場(chǎng)景轉(zhuǎn)換原理

MEMS轉(zhuǎn)換薄膜的原理是薄膜吸收照射到其表面處的寫入光能量，使薄膜表面溫度升高進(jìn)而產(chǎn)生紅外輻射，工作原理如圖1所示。由于寫入光攜帶的能量具有特定的空間分布(寫入光圖像的灰度的空間分布)，因此照射到MEMS轉(zhuǎn)換薄膜上每個(gè)像元的寫入光能量都不相同，MEMS轉(zhuǎn)換薄膜不同像元吸收不同的寫入光能量后使得像元升高不同的溫度，形成與寫入光能量分布相對(duì)應(yīng)的溫度場(chǎng)分布，進(jìn)而形成與寫入光圖像相對(duì)應(yīng)的紅外圖像輻射[10-11]。MEMS轉(zhuǎn)換薄膜直徑4英寸，通過MEMS技術(shù)制作周期性排列的微結(jié)構(gòu)作為像元，像元尺寸為37 μm×37 μm，像元陣列為1 400×1 400。

圖1 MEMS薄膜芯片轉(zhuǎn)換原理Fig.1 Principle of MEMS film transducer

1.2 低溫紅外場(chǎng)景生成技術(shù)

與工作在常溫環(huán)境下的紅外場(chǎng)景生成裝置相比，工作在低溫環(huán)境下的紅外場(chǎng)景生成裝置需要放置在低溫環(huán)境下，這就要求場(chǎng)景生成裝置的電子設(shè)備在低溫下可以正常工作。一般的措施是對(duì)裝置增加保溫層，使其在低溫下正常工作。這種情況下，保溫層對(duì)低溫真空艙內(nèi)溫度場(chǎng)分布會(huì)產(chǎn)生干擾，并且由于發(fā)光器件的工作溫度不是在低冷環(huán)境下，所以這種方式模擬的紅外場(chǎng)景最低溫度也達(dá)不到環(huán)境溫度，而是電子元件可以工作的最低溫度。針對(duì)這些特點(diǎn)，做了如下考慮和設(shè)計(jì)。

基于MEMS轉(zhuǎn)換薄膜的低溫紅外場(chǎng)景所生成的最低溫度是由低溫真空艙內(nèi)部的環(huán)境溫度以及轉(zhuǎn)換薄膜的溫度決定的，最高溫度與轉(zhuǎn)換薄膜本身性質(zhì)和寫入光功率密度相關(guān)。由于MEMS轉(zhuǎn)換薄膜本身是被動(dòng)無源器件，圖像寫入系統(tǒng)可以放到低溫真空艙外部，通過低溫真空艙窗口照射到MEMS轉(zhuǎn)換薄膜表面。受溫度的影響，在低溫條件下低溫真空艙內(nèi)的零件位置會(huì)有變化，不同溫度條件下會(huì)有不同。因此，在艙外通過多維調(diào)整架組成的光路調(diào)整裝置，在低溫實(shí)驗(yàn)過程中可以調(diào)整寫入光的參數(shù)。由于艙內(nèi)沒有電子元件，避免了電子元器件低溫工作產(chǎn)生熱源而引入的雜光干擾問題。MEMS轉(zhuǎn)換薄膜本身能模擬的最低溫度主要取決于環(huán)境溫度，因此MEMS轉(zhuǎn)換薄膜可以模擬的最低溫度可以接近于環(huán)境溫度。

紅外場(chǎng)景轉(zhuǎn)換裝置是一個(gè)為MEMS轉(zhuǎn)換薄膜提供工作環(huán)境和必要結(jié)構(gòu)的腔體封裝結(jié)構(gòu)，其組成如圖2所示。為了盡量減小熱交換造成的熱能損失，MEMS轉(zhuǎn)換薄膜需工作在真空條件，此時(shí)MEMS轉(zhuǎn)換薄膜與環(huán)境由于對(duì)流而引起的熱交換可以忽略。紅外場(chǎng)景轉(zhuǎn)換裝置與外界連接的光窗口需要同時(shí)對(duì)532 nm波段的寫入光和2～14 μm的紅外光都具有高透過性，采用氟化鋇材料制作。裝置內(nèi)部放置MEMS轉(zhuǎn)換薄膜，以及測(cè)溫Pt電阻(測(cè)溫范圍73～773 K)，通過電氣接頭將信號(hào)引出，腔體內(nèi)部涂抹高吸收率(0.9～0.94)的黑漆，以減少內(nèi)部雜散光的反射。裝置背部為液氮腔體，側(cè)面為電氣接頭以及真空接頭。在低溫真空艙內(nèi)工作時(shí)，將液氮和真空管路分別與低溫真空艙自身管路相連，紅外場(chǎng)景轉(zhuǎn)換裝置即可開始工作。在不制冷條件下，紅外場(chǎng)景轉(zhuǎn)換裝置也可以通過小型帶壓液氮罐和真空機(jī)組單獨(dú)工作，實(shí)現(xiàn)在常溫常壓環(huán)境下的調(diào)試。

圖2 紅外場(chǎng)景轉(zhuǎn)換裝置結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of infrared scene conversion device

低溫紅外場(chǎng)景生成系統(tǒng)主要由場(chǎng)景寫入系統(tǒng)、寫入光窗口、艙內(nèi)反射鏡、紅外場(chǎng)景生成裝置、紅外窗口、測(cè)試設(shè)備、溫度傳感器、液氮儲(chǔ)罐等組成。場(chǎng)景寫入系統(tǒng)圖像的功能是生成帶有低溫紅外特征的寫入光波段動(dòng)態(tài)場(chǎng)景，寫入光信號(hào)經(jīng)過低溫真空艙寫入光窗口和艙內(nèi)反射鏡成像至安放在冷艙內(nèi)的紅外場(chǎng)景轉(zhuǎn)換裝置的MEMS薄膜芯片上，將寫入光波段的場(chǎng)景轉(zhuǎn)換為紅外波段場(chǎng)景，最終經(jīng)低溫真空艙紅外窗口投影至測(cè)試設(shè)備。低溫真空艙為紅外圖像轉(zhuǎn)換裝置提供低溫真空工作環(huán)境模擬低溫背景。紅外場(chǎng)景轉(zhuǎn)換裝置各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的溫度傳感器通過低溫真空艙的穿艙法蘭連接至艙外控制柜，可以實(shí)時(shí)測(cè)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)處溫度。液氮管路直接與MEMS薄膜背部的液氮腔接通，為MEMS薄膜提供液氮制冷。

圖3 低溫紅外場(chǎng)景生成系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.3 Cryogenic infrared scene generation system

2 低溫MEMS薄膜芯片建模

2.1 芯片空間特性模型

當(dāng)寫入光為線光源時(shí)，光源兩側(cè)芯片的熱力學(xué)行為可以簡(jiǎn)化成二維熱傳導(dǎo)行為。當(dāng)芯片厚度d相比于直徑足夠小時(shí)，芯片在厚度方向可認(rèn)為沒有溫度梯度，此時(shí)芯片的熱力學(xué)行為可以簡(jiǎn)化為一維熱傳導(dǎo)方程。由于芯片工作時(shí)處于高真空環(huán)境，可以忽略熱對(duì)流，此時(shí)薄膜芯片的熱力學(xué)行為可以描述為

(1)

其邊界條件為

式中：d為芯片厚度；ρ為芯片密度；cp為芯片比熱容；T為芯片溫度；q表示照射在芯片上的橫向傳播功率密度；k為芯片熱傳導(dǎo)系數(shù)；ε為芯片表面發(fā)射率；σ為斯忒藩-玻爾茲曼常數(shù)(5.67×10-8W·m-2·K-4)；T0為環(huán)境溫度；r為芯片半徑；Q為芯片上吸收的熱流密度。式(1)左邊表示芯片溫度隨時(shí)間變化，式(1)右邊分別表示芯片吸收的熱流密度、熱傳導(dǎo)和輻射對(duì)芯片表面溫度變化的影響。

(2)

可以得到式(2)的解為

(3)

2.2 芯片時(shí)間特性模型

當(dāng)寫入光出射處為圓形光斑時(shí)，假設(shè)在照明區(qū)域內(nèi)溫度分布是均勻的，即薄膜芯片在受到照射表面處無溫度梯度，此時(shí)薄膜芯片的熱力學(xué)行為可以用沿厚度方向的瞬態(tài)方程來描述，如式(4)所示。

(4)

將邊界條件T-T0|t=0=ΔT0代入式(4)，得到芯片表面溫度隨時(shí)間變化的函數(shù)為

(5)

3 低溫紅外場(chǎng)景生成

3.1 低溫紅外場(chǎng)景空間特性

紅外場(chǎng)景寫入系統(tǒng)生成一個(gè)灰度圖像，經(jīng)艙內(nèi)反射鏡和分束器投影到芯片表面，薄膜吸收可見光能量后生成紅外輻射圖像。由InfraTec VarioCAM HD型紅外測(cè)溫?zé)嵯駜x(鏡頭焦距30 mm)通過低溫真空艙的紅外窗口進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，熱像儀波段范圍7.5～14 μm。最高溫度測(cè)量結(jié)果受到環(huán)境溫度和寫入光功率的共同影響。環(huán)境溫度可以通過液氮管路進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過艙內(nèi)芯片背部的鉑電阻進(jìn)行溫度測(cè)量。寫入光功率可以通過場(chǎng)景寫入系統(tǒng)的灰度值來調(diào)節(jié)，寫入光功率強(qiáng)度通過預(yù)先測(cè)試的從場(chǎng)景生成裝置到薄膜芯片處的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

將寫入光功率密度恒定為0.027 5 W/mm2，研究不同環(huán)境溫度對(duì)薄膜芯片可模擬的最大溫度與最小溫度差值的關(guān)系。MEMS薄膜芯片是無源被動(dòng)器件，可模擬的最低溫度與環(huán)境溫度相近。由圖4可以看出在173～235 K的溫度區(qū)間內(nèi)，不同環(huán)境溫度下芯片可模擬的動(dòng)態(tài)范圍隨著環(huán)境溫度的降低而逐漸增加，測(cè)得二者測(cè)量值ΔTExp的多項(xiàng)式擬合曲線為

(6)

可以看出環(huán)境溫度越低可模擬的溫度動(dòng)態(tài)范圍越高，如果將低溫真空艙的環(huán)境溫度降到更低，芯片所模擬產(chǎn)生紅外場(chǎng)景溫度的最大值與最小值的差值將會(huì)更高。

圖4 寫入光功率密度恒定(0.027 5 W/mm2)時(shí)環(huán)境溫度與可模擬動(dòng)態(tài)范圍關(guān)系Fig.4 Relationship between ambient temperature and simulated dynamic range when the optical power density is 0.027 5 W/mm2

根據(jù)圖4可知，測(cè)量值與計(jì)算值的標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.75 K，最大偏差4.04 K出現(xiàn)在最低溫173 K處，遠(yuǎn)高于誤差平均值0.218 K的水平，在不同環(huán)境溫度下，各組計(jì)算值和測(cè)量值的偏差主要來自材料熱導(dǎo)率、發(fā)射率和密度等熱物性參數(shù)的改變。因?yàn)椴牧系臒嵛镄詤?shù)并不是定值，而是會(huì)隨著環(huán)境溫度的變化而改變，在最低溫度處薄膜材料的參數(shù)改變值最大，因此出現(xiàn)了測(cè)量值與計(jì)算值最大的偏差?？赡M溫度范圍的測(cè)量值ΔTExp與計(jì)算值ΔTCal的差值補(bǔ)償函數(shù)g(T0)是與環(huán)境溫度T0相關(guān)的函數(shù)，可以表示為

g(T0)=ΔTExp-ΔTCal

(7)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量值與理論計(jì)算值的測(cè)量結(jié)果，曲線方程g(T0)的表達(dá)式為

(8)

將低溫真空艙環(huán)境溫度穩(wěn)定在173 K條件下，研究不同的寫入光功率對(duì)芯片可模擬的最大溫度與最小溫度之差的關(guān)系。圖5顯示了兩者基本呈線性關(guān)系，擬合的曲線方程為

ΔT=2 970.94×q-4.75

(9)

圖5 環(huán)境溫度(173 K)恒定時(shí)寫入光功率與可模擬動(dòng)態(tài)范圍關(guān)系Fig.5 Relationship between optical power and simulated dynamic range when the ambient temperature (173 K) is constant

通過增加寫入光功率，芯片所輻射的紅外場(chǎng)能量隨著入射到薄膜芯片表面處的能量增加而增加，系統(tǒng)模擬的溫度動(dòng)態(tài)范圍會(huì)繼續(xù)增加。測(cè)量值與計(jì)算值的差值平均數(shù)為2.01 K，最大偏差出現(xiàn)在功率密度0.059 9 W/mm2處，為14.834 9 K。計(jì)算誤差的來源除了上文中提到的材料本身參數(shù)在低溫下與常溫下有所不同之外，不同功率的寫入光在經(jīng)過成像光學(xué)系統(tǒng)與低溫真空艙寫入光窗口及艙內(nèi)反射鏡時(shí)的損耗不同也是誤差引入的來源。為了測(cè)試芯片的損傷閾值，逐步將寫入光功率增加，當(dāng)芯片開始出現(xiàn)不可逆的損壞時(shí)，得到在173 K環(huán)境下，MEMS薄膜芯片在寫入光照射下的損傷閾值為0.123 3 W/mm2，此時(shí)最高溫度為539.93 K，動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到了367.93 K。此時(shí)測(cè)得的圖像灰度對(duì)比度如圖6所示，其水平和垂直方向的灰度范圍分別為50～255和47～254。

圖6 薄膜芯片對(duì)比度測(cè)試圖Fig.6 Film transducer contrast test charts

3.2 低溫紅外場(chǎng)景時(shí)間特性

紅外場(chǎng)景寫入系統(tǒng)將一組方波脈沖形式寫入光圖像投影到芯片表面，在低溫真空艙紅外窗口處用紅外透鏡聚焦至紅外探測(cè)器焦平面處，進(jìn)行測(cè)試信號(hào)的采集，即可得到薄膜芯片輻射出的信號(hào)強(qiáng)度隨時(shí)間變化的信息，紅外探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間優(yōu)于20 ns。MEMS薄膜芯片接收到寫入光的能量后，芯片表面溫度迅速升高，直到芯片達(dá)到熱平衡。進(jìn)入熱平衡狀態(tài)后，芯片溫度保持不變，此時(shí)輻射強(qiáng)度達(dá)到最大。當(dāng)無寫入光信號(hào)時(shí)，芯片表面溫度開始緩慢降低，輻射強(qiáng)度開始下降，直到接近于零，完成一個(gè)調(diào)制周期的光熱轉(zhuǎn)換。

利用紅外點(diǎn)源探測(cè)器測(cè)量芯片輻射強(qiáng)度隨時(shí)間變化的過程，分析不同環(huán)境溫度下芯片熱平衡狀態(tài)被破壞后輻射強(qiáng)度的變化曲線，如圖7所示。

圖7 環(huán)境溫度與芯片瞬態(tài)溫度關(guān)系Fig.7 Relationship between ambient temperature and transducer transient temperature

紅外場(chǎng)景投影裝置顯示一幅圖像的時(shí)間分為上升時(shí)間、保持時(shí)間和下降時(shí)間3部分。假設(shè)紅外場(chǎng)景投影裝置像元輻射強(qiáng)度最大值為V，將芯片的上升時(shí)間設(shè)定為像元輻射強(qiáng)度從0.1V上升至0.9V所需要的時(shí)間，保持時(shí)間是指像元輻射強(qiáng)度從0.9V上升至V再下降到0.9V所需要的時(shí)間，下降時(shí)間設(shè)定為像元輻射強(qiáng)度從0.9V下降至0.1V所需要的時(shí)間[15]。對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的不同環(huán)境溫度下薄膜芯片的輻射強(qiáng)度隨時(shí)間變化的曲線進(jìn)行計(jì)算處理，可以得到如圖8所示的上升時(shí)間、下降時(shí)間與環(huán)境溫度的關(guān)系。隨著環(huán)境溫度的下降，薄膜芯片的上升時(shí)間從環(huán)境溫度203 K時(shí)的6.52 ms逐漸增加為環(huán)境溫度173K時(shí)的6.73 ms，同時(shí)下降時(shí)間從環(huán)境溫度203 K時(shí)的6.75 ms逐漸下降為環(huán)境溫度173 K時(shí)的6.22 ms。

圖8 環(huán)境溫度與上升/下降時(shí)間關(guān)系Fig.8 Ambient temperature versus rise/fall time

3.3 仿真實(shí)驗(yàn)

仿真實(shí)驗(yàn)中，MEMS轉(zhuǎn)換薄膜層材料熱特性參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 MEMS轉(zhuǎn)換薄膜材料參數(shù)設(shè)置Tab.1 MEMS film transducer material parameter setting

根據(jù)熱傳導(dǎo)模型和像元物理模型，利用有限元分析的方法模擬低溫薄膜芯片像元在低溫環(huán)境下的溫度特性。將材料參數(shù)代入模型可得MEMS薄膜芯片的空間熱分布，在真空條件下，以173 K作為像元初始溫度進(jìn)行仿真，分析像元在這種條件下的溫度分布。像元達(dá)到熱平衡時(shí)的溫度分布如圖9所示。在173 K環(huán)境溫度下，寫入光功率密度0.123 3 W/mm2時(shí)，像元表面最高物理溫度為867 K，最低物理溫度426 K，支撐腿和襯底交界處為725 K，根據(jù)發(fā)射率和占空比可知像元的平均表觀溫度為549.48 K。

圖9 像元穩(wěn)態(tài)溫度分布Fig.9 Pixel steady-state temperature distribution

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種低溫紅外場(chǎng)景生成技術(shù)，基于MEMS薄膜芯片無源、被動(dòng)的原理設(shè)計(jì)了低溫紅外場(chǎng)景生成裝置，對(duì)薄膜芯片的空間特性和時(shí)間特性進(jìn)行了理論計(jì)算和仿真分析。在7.5～14 μm波段，當(dāng)入射到芯片處的光功率密度為0.027 5 W/mm2時(shí)，環(huán)境溫度從233 K降低到173 K，可模擬溫度范圍從49.67 K增大到85.2 K。在環(huán)境溫度173 K下，寫入光功率增加到0.123 3 W/mm2時(shí)，可模擬溫度范圍加大到367 K。當(dāng)環(huán)境溫度從233 K降低到173 K時(shí)，薄膜芯片的上升時(shí)間從6.52 ms增加至6.73 ms，下降時(shí)間從6.75 ms減少至6.22 ms。低溫實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：環(huán)境溫度越低，MEMS薄膜芯片可模擬溫度的范圍越大，時(shí)間響應(yīng)也越快。MEMS薄膜在低溫紅外場(chǎng)景生成技術(shù)中擁有廣闊的應(yīng)用前景，目前，基于MEMS薄膜的紅外轉(zhuǎn)換器件的低溫紅外場(chǎng)景生成技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于低溫環(huán)境半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)中。