基于超表面及折返型悬臂的太赫兹探测器像元及应用制造技术

本发明专利技术一种基于超表面及折返型悬臂的太赫兹探测器像元及应用，属于探测器领域；所述像元包括吸波模块和形变模块，通过吸波模板将太赫兹波的电磁能量转换为热能，通过形变模块将热能转化为空间位移；所述吸波模块为超表面结构，包括以n

【技术实现步骤摘要】
基于超表面及折返型悬臂的太赫兹探测器像元及应用


[0001]本专利技术属于探测器领域，具体涉及一种基于超表面及折返型悬臂的太赫兹探测器像元及应用。

技术介绍

[0002]太赫兹波频率位于传统微波波段和红外波段之间，其独特的频段位置使得关于太赫兹的研究涉及到电子学和光子学领域。得益于太赫兹波的特性，太赫兹成像在过去二十年中受到广泛关注并逐渐成为了一个高度活跃的领域，太赫兹技术在安检、医学成像和遥感等众多领域都拥有着广阔的应用前景。例如，太赫兹波光子能量较低，其辐射的低光子能量不会导致电离风险，因此可使用太赫兹成像获得生物分子的太赫兹指纹光谱，用于物质的无损检测。
[0003]近年来，国内外许多研究人员致力于研发高灵敏度、实时响应的太赫兹探测器，用作太赫兹成像系统的关键组件。主流的太赫兹探测器可以分为两类：光子探测器和热探测器。大多数光子探测器具有高灵敏度和极快的响应时间，但其工作波段很窄，且它们必须工作在超低温环境下，需要配置额外的低温维持系统，这也导致了太赫兹光子探测系统体积庞大、造价昂贵。热探测器将太赫兹辐射作为热量吸收，从而产生可测量的输出信号，该信号由材料本身的热敏特性引起。常规的热探测器能够在室温下以良好的灵敏度和响应时间运行，例如热电堆、热释电探测器和高莱探测器。目前大多数可用的太赫兹成像系统以上述光子或热探测器为核心部件，在扫描模式下运行，这可能需要几十秒到几个小时才能获得一张图像。为了提高获取图像的速度，一种基于红外微测辐射热计的太赫兹焦平面阵列探测器受到了研究者的注意，该探测器可实现“凝视”型成像，拍摄一张太赫兹图像仅需数十微秒。由于太赫兹焦平面阵列探测器的优势明显，其受到了各国的广泛重视。美国设立“太赫兹焦平面成像技术”“亚毫米波焦平面成像技术”“先进扫描成像项目”等研究专项用于军事领域；欧洲在其第七、第八框架中设立多个相关专项推动太赫兹焦平面阵列探测器的商业应用。然而，由于缺乏合适的太赫兹吸波材料，太赫兹焦平面阵列探测器的灵敏度受到很大影响。
[0004]综上所述，一种兼具在太赫兹波段耦合效率高、工作频段灵活设计、工作温度为室温无需制冷、可形成大规模平面阵列、等效噪声功率低、灵敏度高、响应时间快等优点的太赫兹焦平面阵列探测器将极大的提升太赫兹成像系统在军事以及商业领域的实用性。

技术实现思路

[0005]要解决的技术问题：
[0006]为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提供一种基于超表面及折返型悬臂的太赫兹探测器像元，要解决的技术问题为：1)实现指定波段的高效率吸波；2)探测器像元的工作温度设计为室温，无需制冷；3)探测器像元设计满足阵列化条件；4)探测器像元响应时间小于100ms，满足视频级成像速度需求；5)探测器像元最小可探测功率达到nW量级，实现高灵
敏度探测。
[0007]本专利技术的技术方案是：一种基于超表面及折返型悬臂的太赫兹探测器像元，包括吸波模块和形变模块，通过吸波模板将太赫兹波的电磁能量转换为热能，通过形变模块将热能转化为空间位移；
[0008]所述吸波模块为超表面结构，包括以n
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n形式阵列的n2个方环子单元；所述方环子单元为具有两个吸收峰的三层结构，顶层与底层为金属，中间为介质层；顶层包括两个同心方环金属贴片；
[0009]所述形变模块包括自由端、固定端、C型支臂，所述C型支臂通过固定端与基底连接，通过自由端与吸波模块连接，将吸波模块悬置于基底上方。
[0010]本专利技术的进一步技术方案是：所述两个同心方环的内方环的边长为a1，环边宽度为w1；外方环的边长为a2，环边宽度为w2，a2＝a1+2*w2+0.4μm。
[0011]本专利技术的进一步技术方案是：所述吸波模块从下到上依次为金薄膜层、氮化硅薄膜层、金方环阵列层，包括以5
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5形式阵列的25个方环子单元。
[0012]本专利技术的进一步技术方案是：所述形变模块包括两个对称且竖直设置的C型支臂；两个C型支臂的底部端头通过隔热悬臂与固定端连接，顶部端头与自由端连接；两个自由端分别与吸波模块的相对两侧边缘连接，使得吸波模块成悬臂形式。
[0013]本专利技术的进一步技术方案是：所述C型支臂的厚度方向为双层结构，外层为金层，内层为氮化硅层。
[0014]本专利技术的进一步技术方案是：所述隔热悬臂为单层结构，材质为氮化硅。
[0015]本专利技术的进一步技术方案是：所述像元的结构参数如下：
[0016][0017]其中，p为方环子单元的边长，t1为顶层或底层的厚度，t2为介质层的厚度，t3为C型支臂外层的厚度，t4为C型支臂内层的厚度，w3为自由端的长度，l1为C型支臂顶部的长度，l2为隔热悬臂的长度，h为C型支臂顶部和底部之间的高度距离。
[0018]一种太赫兹探测器，包括太赫兹辐射源、基于超表面及折返型悬臂的太赫兹探测器像元和读出模块，基于超表面及折返型悬臂的太赫兹探测器像元包括吸波模块和形变模块；
[0019]由太赫兹辐射源出射太赫兹波照射到吸波模块上，通过吸波模块将太赫兹波的电磁能量转化为热能；通过所述形变模块将吸波模块的热能转化为空间位移，得到形变模块自由端位移量与入射太赫兹波功率的关系，由读出模块输出至上位机，完成探测功能。
[0020]本专利技术的进一步技术方案是：所述基于超表面及折返型悬臂的太赫兹探测器像元的响应度为12.2μm/μW。
[0021]一种太赫兹焦平面成像系统，包括焦平面阵列探测器，所述探测器的焦平面阵列结构是以3
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3形式阵列的9个像元构成。
[0022]有益效果
[0023]本专利技术的有益效果在于：
[0024]1、本专利技术由于引入了超表面结构，所以可以实现超过90％的吸收率。本专利技术中的超表面结构采用复合单元，排布方式为单层同心排布，具体来说，超表面复合单元的谐振结构为大小不同的两个金属方环，分布在同一层内，二者同心放置。在太赫兹波的照射下，两个方环分别独立等效为磁偶极子和电偶极子，共同耦合入射波，实现宽带高吸收率。此外，调整方环结构的尺寸即可改变其吸波频带的位置。本专利技术所设计的像元对目标频段太赫兹波具有超过90％的吸收率，远高于传统太赫兹微测辐射热计的吸收率。
[0025]2、本专利技术由于引入了C形折返悬臂，在纵向上对悬臂结构进行折叠，相当于增长了悬臂的有效长度，进而提高了探测器的响应度，具体数值如图4所示。同时，悬臂结构并未增大探测器像元的面积，不影响探测器的集成度。本专利技术所设计的像元通过C形双层微悬臂梁的设计，在不扩大单个像元尺寸的情况下，提高了像元的响应度，达到了12.2μm/μW。
[0026]3、本专利技术探测器像元结构的仿真结果如图5所示，本专利技术所设计的像元具有90ms的响应速度，基本满足实时成像需求。
[0027]4、本专利技术探测器在机理上属于“光机械探测器”，即将电磁波能量转换为机械位移量进行输出，完成探测功能。该类探测器具备在室温下工作的能力，加上本专利技术中引入了超表面结构，进一步提升了探测器耦合入本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于超表面及折返型悬臂的太赫兹探测器像元，其特征在于，包括吸波模块和形变模块，通过吸波模板将太赫兹波的电磁能量转换为热能，通过形变模块将热能转化为空间位移；所述吸波模块为超表面结构，包括以n
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n形式阵列的n2个方环子单元；所述方环子单元为具有两个吸收峰的三层结构，顶层与底层为金属，中间为介质层；顶层包括两个同心方环金属贴片；所述形变模块包括自由端、固定端、C型支臂，所述C型支臂通过固定端与基底连接，通过自由端与吸波模块连接，将吸波模块悬置于基底上方。2.根据权利要求1所述一种基于超表面及折返型悬臂的太赫兹探测器像元，其特征在于：所述两个同心方环的内方环的边长为a1，环边宽度为w1；外方环的边长为a2，环边宽度为w2，a2＝a1+2*w2+0.4μm。3.根据权利要求1所述一种基于超表面及折返型悬臂的太赫兹探测器像元，其特征在于：所述吸波模块从下到上依次为金薄膜层、氮化硅薄膜层、金方环阵列层，包括以5
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5形式阵列的25个方环子单元。4.根据权利要求1所述一种基于超表面及折返型悬臂的太赫兹探测器像元，其特征在于：所述形变模块包括两个对称且竖直设置的C型支臂；两个C型支臂的底部端头通过隔热悬臂与固定端连接，顶部端头与自由端连接；两个自由端分别与吸波模块的相对两侧边缘连接，使得吸波模块成悬臂形式。5.根据权利要求4所述一种基于超表面及折返型悬臂的太赫兹探测器像元，其特征在于：所述C型支臂的厚度...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱海亮，王开，牟进超，刘甘雨，王庚辰，谢胜琳，周雨欣，狄玉洁，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：