基于超材料结构的太赫兹微测辐射热计及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种基于超材料结构的太赫兹微测辐射热计及其制备方法，太赫兹微测辐射热计包括由下至上的硅衬底层、读出电路层、底部钝化层、金属反射层、微桥支撑层、热敏电阻层、第一介质层、微桥支撑柱和第二介质层，微桥支撑层侧面依次形成有电极层和桥腿钝化层，第一介质层的表面集成有第一金属图案层，第二介质层的表面集成有第二金属图案层，金属反射层、热敏电阻层、第一介质层和第一金属图案层构成第一层太赫兹超材料结构，金属反射层、热敏电阻层、第二介质层和第二金属图案层构成与第一层太赫兹超材料结构谐振频点相近的第二层太赫兹超材料结构。本发明专利技术能解决现阶段太赫兹微测辐射热计对太赫兹辐射的吸收率较低且吸收峰频带较窄的问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及太赫兹探测
，特别是涉及一种基于超材料结构的太赫兹微测辐射热计及其制备方法。
技术介绍
太赫兹(Terahertz)泛指频率在0.1～10THz波段内的电磁波，位于红外和微波之间，处于宏观电子学向微观光子学的过渡阶段。相比于高频电磁波，太赫兹辐射对许多介电材料和非极性物质具有良好的穿透性，如硬纸板、塑料、纺织物等，可对不透明物体进行透视成像，是X射线成像和超声波成像技术的有效互补，可用于缉毒、无损安检及反恐等方向。同时，太赫兹辐射兼具低能性及惧水性的特点，不会导致光致电离而破坏被检物质，且不会穿透人体皮肤，对人体安全无害，是皮肤癌、龋齿洞等医学检测的理想工具。相比于低频电磁波，利用太赫兹成像可以获得更高的空间分辨率及更长的景深。基于以上原因，太赫兹探测成像技术在军用及明用等领域均有着巨大的应用前景。太赫兹探测技术包括太赫兹相干探测方法及非相干探测方法。常见的太赫兹脉冲相干探测方法有光电导取样、电光取样、外差探测及空气等离子探测等方法；太赫兹非相干探测包括基于光热效应的微测辐射热计、热释电探测器及高莱探测器以及基于光电效应的肖特基二极管、场效应管及量子阱探测器等。其中，基于光热效应的太赫兹微测辐射热计具有室温成像、实时成像、简单易携且具有与红外微测辐射热计结构、工艺相兼容等优点，是现今发展的主流。其基本工作原理为入射到微桥结构的太赫兹辐射使得热敏电阻层温度产生变化，从而引起热敏电阻层的阻值发生变化，在外加偏置的作用下产生相应的电学信号输出，最后还原成图像信息，其中，微桥结构的设计是影响微测辐射热计性能的关键因素。2005年美国MIT的Alan W.M.Lee等(Alan W M Lee,et al.“Real-time,continuous-wave terahertz imaging by use of a micro-bolometer focal-plane array”[J].Optics Letters,2005,30(19):2563-2565)提出了基于VOx焦平面探测器的连续波太赫兹透射成像，其采用了BAE System公司SCC 500L VOx焦平面探测器组件，像元数为160×120，像元尺寸为46um×46um，实现了2.52THz连续波透射成像，证明了采用微测辐射热计作为太赫兹探测器的可行性。但由于相比于红外辐射，太赫兹辐射的能量更低，波长更长，传统的微桥结构用于太赫兹波段时存在灵敏度不高且分辨率较低的问题。为了提高微桥结构对太赫兹辐射的吸收效率，必须设计新的微桥结构，如将单层结构改为双层微桥结构或者改变桥腿结构等方案。2008年，日本NEC公司(Naoki Oda,et al.“Detection of terahertz radiation from quantum cascade laser,using vanadium oxide micro-bolometer focal plane arrays”[C].Proc.of SPIE,2008,6940:69402Y-1-6940Y-12)通过在传统的基于VOx热敏材料的微桥构顶层增加一层金属吸收层以提高微桥对太赫兹辐射的吸收率。采用该种结构的微桥结构对太赫兹辐射的探测率相比于传统结构而言有了一定提高，但高质量的纳米量级的太赫兹金属吸收薄膜对制备条件要求严格，且太赫兹吸收率依旧较低。超材料结构是由周期或非周期的亚波长单元结构组成的新型人工材料，由顶层的周期性金属结构层、中间介质层及底部的连续金属薄膜反射层构成，其基本工作原理是入射电磁波在空气-表面金属结构界面及底部反射面的多次反射折射引起的相消干涉。通过调整超材料结构的图形、结构参数及介质层材料厚度等参数可以调节谐振峰的位置及相应的吸收率，可以实现对目标频点吸收率接近100％的完美太赫兹吸波器。但吸波器的单个谐振结构带宽较窄，为实现宽带吸波器，通常将几个谐振峰相近的单元结构并排或层叠放置，使得几个相近的谐振峰相连接构成宽波带吸波器。将超材料结构的太赫兹吸波器与微桥结构相结合，可以大幅度的提高太赫兹探测器对太赫兹辐射的吸收效率，从而提高太赫兹探测器性能，但现阶段对太赫兹吸波器的研究多局限于在硅基底上实现高吸收率的完美太赫兹吸波器，未涉及太赫兹探测器的研究。2011年，Grant等(James Grant et al.“Polarization insensitive,broadband terahertz metamaterial absorber”Optics Letters,Vol.36,Issue 17,pp.3476-3478(2011))设计了由三层金属十字形结构组成的太赫兹宽带吸波器结构，实验测量显示有60％的吸收率及48％的半高全宽。相比于传统微桥结构，该太赫兹吸波器对太赫兹辐射的吸收率有了明显的提高，但其工作集中于完美太赫兹吸波器的设计，未涉及太赫兹探测器的相关研究。因此，如何设计基于超材料结构的宽频带高吸收率太赫兹微测辐射热计是当前亟待解决的问题。
技术实现思路
本专利技术主要解决的技术问题是提供一种基于超材料结构的太赫兹微测辐射热计及其制备方法，能够解决现阶段太赫兹微测辐射热计对太赫兹辐射的吸收率较低且吸收峰频带较窄的问题。为解决上述技术问题，本专利技术采用的一个技术方案是：提供一种基于超材料结构的太赫兹微测辐射热计，包括：硅衬底层；读出电路层，所述读出电路层形成在所述硅衬底层上；底部钝化层，所述底部钝化层形成在所述读出电路层上；金属反射层，所述金属反射层形成在所述底部钝化层上，所述金属反射层的两侧设有微桥桥墩，所述微桥桥墩从所述底部钝化层嵌入至所述读出电路层内部；微桥支撑层，所述微桥支撑层跨接在所述金属反射层两侧的所述微桥桥墩上，且所述微桥支撑层与所述底部钝化层之间形成微桥空腔，所述金属反射层位于所述微桥空腔内；热敏电阻层，所述热敏电阻层形成在所述微桥支撑层的顶面；电极层，所述电极层形成于所述微桥支撑层的侧面，且所述电极层的上端电性连接所述热敏电阻层，下端连接所述微桥桥墩；桥腿钝化层，所述桥腿钝化层包覆在所述电极层上，且所述桥腿钝化层的下端连接所述微桥桥墩；第一介质层，所述第一介质层形成在所述热敏电阻层上；微桥支撑柱，所述微桥支撑柱形成在所述第一介质层上；第二介质层，所述第二介质层形成在所述微桥支撑柱上；其中，所述第一介质层的表面集成有第一金属图案层，所述第二介质层的表面集成有第二金属图案层，所述金属反射层、热敏电阻层、第一介质层和第一金属图案层构成第一层太赫兹超材料结构，所述金属反射层、热敏电阻层、第二介质层和第二金属图案层构成与所述第一层太赫兹超材料结构谐振频点相近的第二层太赫兹超材料结构。优选地，所述第一金属图案层为多个平行间隔排列的第一工字形金属图案，所述第二金属图案层为多个平行间隔排列的第二工字形金属图案，其中，所述第一工字形金属图案的长度方向与所述第二工字形金属图案的长度方向相互垂直。优选地，所述第一工字形金属图案的长度与所述第二工字形金属图案的长度相同或相近，以使得所述第一工字形金属图案和所述第二工字形金属图案的谐振频点相邻近但不重叠。优选地，所述第一工字形金属图案和所述第二工字形金属图案的长度均为10～50μm。优选本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于超材料结构的太赫兹微测辐射热计，其特征在于，包括：硅衬底层；读出电路层，所述读出电路层形成在所述硅衬底层上；底部钝化层，所述底部钝化层形成在所述读出电路层上；金属反射层，所述金属反射层形成在所述底部钝化层上，所述金属反射层的两侧设有微桥桥墩，所述微桥桥墩从所述底部钝化层嵌入至所述读出电路层内部；微桥支撑层，所述微桥支撑层跨接在所述金属反射层两侧的所述微桥桥墩上，且所述微桥支撑层与所述底部钝化层之间形成微桥空腔，所述金属反射层位于所述微桥空腔内；热敏电阻层，所述热敏电阻层形成在所述微桥支撑层的顶面；电极层，所述电极层形成于所述微桥支撑层的侧面，且所述电极层的上端电性连接所述热敏电阻层，下端连接所述微桥桥墩；桥腿钝化层，所述桥腿钝化层包覆在所述电极层上，且所述桥腿钝化层的下端连接所述微桥桥墩；第一介质层，所述第一介质层形成在所述热敏电阻层上；微桥支撑柱，所述微桥支撑柱形成在所述第一介质层上；第二介质层，所述第二介质层形成在所述微桥支撑柱上；其中，所述第一介质层的表面集成有第一金属图案层，所述第二介质层的表面集成有第二金属图案层，所述金属反射层、热敏电阻层、第一介质层和第一金属图案层构成第一层太赫兹超材料结构，所述金属反射层、热敏电阻层、第二介质层和第二金属图案层构成与所述第一层太赫兹超材料结构谐振频点相近的第二层太赫兹超材料结构。...

【技术特征摘要】
1.一种基于超材料结构的太赫兹微测辐射热计，其特征在于，包括：硅衬底层；读出电路层，所述读出电路层形成在所述硅衬底层上；底部钝化层，所述底部钝化层形成在所述读出电路层上；金属反射层，所述金属反射层形成在所述底部钝化层上，所述金属反射层的两侧设有微桥桥墩，所述微桥桥墩从所述底部钝化层嵌入至所述读出电路层内部；微桥支撑层，所述微桥支撑层跨接在所述金属反射层两侧的所述微桥桥墩上，且所述微桥支撑层与所述底部钝化层之间形成微桥空腔，所述金属反射层位于所述微桥空腔内；热敏电阻层，所述热敏电阻层形成在所述微桥支撑层的顶面；电极层，所述电极层形成于所述微桥支撑层的侧面，且所述电极层的上端电性连接所述热敏电阻层，下端连接所述微桥桥墩；桥腿钝化层，所述桥腿钝化层包覆在所述电极层上，且所述桥腿钝化层的下端连接所述微桥桥墩；第一介质层，所述第一介质层形成在所述热敏电阻层上；微桥支撑柱，所述微桥支撑柱形成在所述第一介质层上；第二介质层，所述第二介质层形成在所述微桥支撑柱上；其中，所述第一介质层的表面集成有第一金属图案层，所述第二介质层的表面集成有第二金属图案层，所述金属反射层、热敏电阻层、第一介质层和第一金属图案层构成第一层太赫兹超材料结构，所述金属反射层、热敏电阻层、第二介质层和第二金属图案层构成与所述第一层太赫兹超材料结构谐振频点相近的第二层太赫兹超材料结构。2.根据权利要求1所述的基于超材料结构的太赫兹微测辐射热计，其特征在于，所述第一金属图案层为多个平行间隔排列的第一工字形金属图案，所述第二金属图案层为多个平行间隔排列的第二工字形金属图案，其中，所述第一工字形金属图案的长度方向与所述第二工字形金属图案的长度方向相互垂直。3.根据权利要求2所述的基于超材料结构的太赫兹微测辐射热计，其特征在于，所述第一工字形金属图案的长度与所述第二工字形金属图案的长度相同或相近，以使得所述第一工字形金属图案和所述第二工字形金属图案的谐振频点相邻近但不重叠。4.根据权利要求3所述的基于超材料结构的太赫兹微测辐射热计，其特征在于，所述第一工字形金属图案和所述第二工字形金属图案的长度均为10～50μm。5.根据权利要求2或3所述的基于超材料结构的太赫兹微测辐射热计，其特征在于，所述多个第一工字形金属图案的长度方向两端的臂长各不相等或部分相等，所述多个第二工字形金属图案的长度方向两端的臂长各不相等或部分相等，以使得所述多个第一工字形金属图案的谐振频点相邻近但不重叠以及所述多个第二工字形金属图案的谐振频点相邻近但不重叠。6.根据权利要求5所述的基于超材料结构的太赫兹微测辐射热计，其特征在于，所述第...

【专利技术属性】
技术研发人员：王军，牟文超，苟君，吴志明，蒋亚东，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51