CN103575403A - 一种基于mems技术的太赫兹焦平面阵列 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于MEMS技术的太赫兹焦平面阵列的设计，属于太赫兹探测和微电子机械系统技术领域。本发明提供的太赫兹焦平面阵列由多个双材料微悬臂梁像元组成，当被动/主动太赫兹波通过太赫兹物镜聚焦到太赫兹焦平面阵列时，通过设计在双材料微悬臂梁像元表面的太赫兹吸收结构将吸收的能量转换成热能，双材料效应使微悬臂梁像元发生弯曲，光学检测系统读出多个微悬臂梁像元的形变量和分布，最终通过数据图像处理模块以光强图像的方式将被测物体的太赫兹场显示出来。本发明提供的太赫兹焦平面阵列工作在非制冷环境下，用于进行太赫兹成像。
Description
技术领域
本发明属于太赫兹(THz-Terahertz)探测和微电子机械系统(MEMS-microelectronic mechainical systems)技术领域，涉及太赫兹探测成像技术，特别是涉及一种基于MEMS技术的太赫兹焦平面阵列的设计技术。
背景技术
近年来，太赫兹技术正逐渐引起人们广泛的关注，并有着突飞猛进的发展。由于太赫兹波具有很高的空间分辨率和时间分辨率，因此太赫兹成像及太赫兹波谱技术成为太赫兹应用的两个主要关键技术。太赫兹技术应用最广泛的领域首属安检和反恐，太赫兹辐射可以最大程度的穿过非金属和非极性介质进行传播，从而探测到被隐藏或伪造的物质。利用太赫兹电磁波可以检查机场通关的旅客与行李，且相比较目前机场的常规安检设备，该技术具有更为突出的安全性。目前，传统太赫兹探测成像系统具有成像速度慢，所获得的图像分辨率低、对比度差以及系统结构复杂、体积庞大等一系列问题，因此开发一种高分辨率、小体积、低成本、实时成像的太赫兹探测系统是太赫兹探测技术走出实验室、迈向市场的发展趋势。
针对太赫兹波段靠近红外波段的特性，目前国外开始关注采用改进的非制冷红外探测焦平面阵列(FPA-Focal Plane Array)实现室温太赫兹探测，主要包括测辐射热计、温差电偶和热释电传感器等几种类型，其探测机理是利用敏感材料吸收太赫兹辐射导致敏感元产生某些可测量性能的改变，将不可见的太赫兹辐射转换成可见的图像。热电型红外焦平面阵列一般不需致冷(超导除外)，且易于使用、维护，可靠性好；制备工艺相对简易，成本较低。但是受材料本征性质、电学器件的自热效应、读出电路布线等因素的限制，这类焦平面阵列探测器的探测灵敏度、分辨率和响应速度一直不能满足高性能应用的要求。
近年来，微悬臂梁式非制冷红外探测器得到了广泛重视，这种探测器的核心器件是由多个双材料微悬臂梁像元组成的焦平面阵列。利用金属材料和半导体材料的热膨胀系数相差很大的特性，当焦平面阵列吸收红外辐射产生温度变化时，双材料微悬臂梁像元由于两种材料热膨胀系数的差别，会响应不同温升产生不同的热致形变，光学或电学方法读出焦平面阵列像元的形变量，即可实现红外探测。这类红外探测器具有更高的灵敏度和分辨率，以及更快的响应速度，而制备成本、功耗、体积却更为低廉。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于MEMS技术的太赫兹焦平面阵列。MEMS太赫兹焦平面阵列由多个双材料微悬臂梁像元组成，当被动/主动太赫兹波通过太赫兹物镜聚焦到太赫兹焦焦平面阵列时，设计在微悬臂梁像元表面的太赫兹吸收结构将吸收的能量转换成热能，双材料效应使多个微悬臂梁像元发生弯曲，光学检测系统读出微悬臂梁阵列的形变量和分布，最终通过数据图像处理模块以光强图像的方式将被测物体的太赫兹场显示出来。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种MEMS太赫兹焦平面阵列，它包括有多个微恳臂梁像元和支撑多个微悬臂梁像元的衬底，所述多个微悬臂梁像元可有64×64、128×128、256×256、512×512或1024×1024等个数，所述多个微悬臂梁像元结构完全相同。所述微悬臂梁像元由太赫兹敏感面和微恳臂梁支腿组成，所述太赫兹敏感面是悬空结构，通过微悬臂梁支腿固支在衬底上。所述太赫兹敏感面包括主结构层、太赫兹吸收结构层和光学反射镜面。
所述主结构层由一层或多层半导体介质材料组成，如氮化硅、氧化硅等，用于支撑太赫兹吸收结构层和光学反射镜面，所述主结构层也可以作为太赫兹吸收结构层中的一部分，起到吸收太赫兹辐射的作用。
所述太赫兹吸收结构层为吸收太赫兹辐射并将其转化成为热能的结构。所述太赫兹吸收结构层可以位于主结构层的上方或下方，也可以在多层主结构层中间；所述太赫兹吸收结构层可以由一层薄膜材料或多层薄膜材料叠加形成，所述薄膜材料可以是薄金属层、超材料吸收结构、金属化合物、碳纳米管、石墨烯、半导体介质材料、有机高分子材料等。所述超材料吸收结构是由太赫兹反射层、介质材料层和谐振结构组成。所述太赫兹反射层为连续金属薄膜，位于超材料吸收结构的最下层。所述介质层位于位于太赫兹反射层和谐振结构之间，采用透射太赫兹的材料，包括有机高分子聚会物材料，如聚酰亚胺、聚对二甲苯-C(Parylene-C)等，或半导体介质材料，如二氧化硅、氮化硅和碳化硅等。所述谐振结构为与目标太赫兹波频段有强烈谐振的单一谐振结构或周期性谐振结构，所述谐振结构可以是闭合的环型结构、单侧开口的劈裂环结构、一维或二维栅格结构等，所述谐振结构的尺寸及晶格常数根据探测频段波长的要求设计为亚波长，所述谐振结构可以采用金属材料，如金、铝、铜等，也可以采用掺杂半导体材料，如掺杂的硅、锗等，也可以是金属硅化物材料，如钛硅化合物、钴硅化合物、钨硅化合物等。
所述光学反射镜面是反射检测光的一层或多层薄层金属材料。所述光学反射镜面可以是位于主结构层上表面或下表面的独立薄层金属，也可以是太赫兹吸收结构中的薄金属层。
所述微悬臂梁支腿包括形变支腿和热隔离支腿，所述微悬臂梁像元通常包含有两个微悬臂梁支腿，位于太赫兹敏感面两侧，所述微悬臂梁支腿的排列方式包括直线式、折线式、双折线式和多折线式。所述形变支腿由两种热膨胀系数相差较大的材料组成，基体材料为具有较小热导率和热膨胀系数的半导体介质材料，如氮化硅、氧化硅等；另一种材料为高热膨胀系数的金属、聚合物等材料，形变支腿部分的设计的原则是获得尽可能大的形变量；所述形变支腿一端连接于太赫兹敏感面，使太赫兹敏感面吸收的热量传导至形变支腿。所述热隔离支腿仅包括热导率小的半导体介质材料，该半导体介质材料可与形变支腿的基体材料一致，所述热隔离支腿位于形变支腿和衬底之间，以减小微悬臂梁像元的热传导，热隔离支腿部分的设计原则是获得最大隔热效率。
所述支撑多个微悬臂梁像元的衬底可以是单晶硅片、锗片、石英片等材料，如果太赫兹波从衬底一面入射，所述衬底材料需要对太赫兹波有高透过率，可以在所述衬底材料上淀积增透膜以提高太赫兹的透过效率。所述衬底可以部分或全部去除，形成半镂空结构或全镂空结构，这样使太赫兹波可以不经过衬底直接辐射到太赫兹敏感面，从而提高太赫兹焦平面阵列的灵敏度。所述半镂空结构是部分去除衬底，由剩余衬底形成多个纵横支撑梁，纵横支撑梁交叉形成多个方形或长方形框架，所述多个微悬臂梁像元通过微悬臂梁支腿分别固定到框架上；所述全镂空结构是全部去除多个微悬臂梁像元下面的衬底，仅剩余多个悬臂梁像元外围的衬底，剩余衬底形成的一个方形或长方形框架，所述一个方形或长方形框架内有多条纵横支撑梁，多条纵横支撑梁将框架分割成小窗口阵列，每个小窗口镶嵌一个微悬臂梁像元。所述纵横支撑梁支撑于框架上，所述微悬臂梁像元支撑于纵横支撑梁上。所述框架材料与衬底材料相同，所述支撑梁材料可以是单晶硅、多晶硅、氮化硅、氧化硅以及他们的叠加材料。
综上所述，本发明利用MEMS工艺，结合双材料效应、太赫兹高效率吸收理论和光学检测成像技术，提出了一种室温太赫兹成像焦平面阵列，本发明具有如下优势：
1)本发明提出的由双材料微悬臂梁像元组成的太赫兹焦平面阵列是采用光学方式读出，由于不需要读出电路，所以不存在热电子噪声，同时双材料微悬臂梁像元的热机械噪声很低，因此可以在非制冷条件也就是在室温条件下正常工作；
2)本发明设计的太赫兹吸收结构可最大限度吸收太赫兹能量，并转化为热能，可有效提高焦平面阵列的灵敏度；
3)光学的读出方式可以对焦平面阵列信息进行整体处理，增加像元数量基本不会增加信息的处理量，且相比电学读出的焦平面阵列，光学读出的焦平面阵列工艺简单，易于提高阵列的像元数量，从而提高太赫兹探测器的分辨率。
附图说明：
图1为本发明提出的太赫兹焦平面阵列俯视结构示意图；
图2为本发明提出的微悬臂梁像元俯视结构示意图；
图3为本发明提出的微悬臂梁像元剖面结构示意图；
图4为本发明提出的半镂空焦平面阵列像元剖面结构示意图；
图5为本发明提出的全镂空微悬臂梁焦平面阵列俯视结构示意图。
附图中相同的附图标记代表相同的部件。
其中：
1-微悬臂梁式像元；2-衬底；3-微悬臂梁式像元太赫兹敏感面；4-主结构层；5-金属反射层；6-谐振结构；7-形变支腿；8-热隔离支腿；9-支撑梁；10-框架。
具体实施方式：
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的结构及方法作详细描述。
一种MEMS太赫兹焦平面阵列，它包括有多个微悬臂梁像元(1)和支撑多个微悬臂梁像元的衬底(2)，所述多个微悬臂梁像元(2)可有64×64、128×128、256×256、512×512或1024×1024等个数，所述多个微悬臂梁像元(1)结构完全相同。所述微悬臂梁像元由太赫兹敏感面(3)和微悬臂梁支腿组成，所述太赫兹敏感面(3)是恳空结构，通过微悬臂梁支腿固支在衬底(2)上。所述太赫兹敏感面包括主结构层(4)、太赫兹吸收结构层和光学反射镜面(5)。
所述主结构层(4)由一层或多层半导体介质材料组成，如氮化硅、氧化硅等，用于支撑太赫兹吸收结构层和和光学反射镜面，所述主结构层(4)也可以作为太赫兹吸收结构层中的一部分，起到吸收太赫兹辐射的作用。
所述太赫兹吸收结构层为吸收太赫兹辐射并将其转化成为热能的结构。所述太赫兹吸收结构层可以位于主结构层(4)的上方或下方，也可以在多层主结构层中间；所述太赫兹吸收结构层可以由一层或多层薄膜材料叠加形成，所述薄膜材料可以是薄金属层、超材料吸收结构、金属化合物、碳纳米管、石墨烯、半导体介质材料、有机高分子材料等。所述超材料吸收结构是由太赫兹反射层(5)、介质材料层(4)和谐振结构(6)组成。所述太赫兹反射层为连续金属薄膜，位于超材料吸收结构的最下层。所述介质层(4)位于位于太赫兹反射层(5)和谐振结构(6)之间，采用透射太赫兹的材料，包括有机高分子聚会物介质材料，如聚酰亚胺、聚对二甲苯-C(Parylene-C)等，或半导体介质材料，如二氧化硅、氮化硅和碳化硅等。所述谐振结构(6)为与目标太赫兹波频段有强烈谐振的单一谐振结构或周期性谐振结构，所述谐振结构可以是闭合的环型结构、单侧开口的劈裂环结构、一维或二维栅格结构等，所述谐振结构的尺寸及晶格常数根据探测频段波长的要求设计为亚波长，所述谐振结构可以采用金属材料，如金、铝、铜等，也可以采用掺杂半导体材料，如掺杂的硅、锗等，也可以是金属硅化物材料，如钛硅化合物、钴硅化合物、钨硅化合物等。
所述光学反射镜面(5)是反射检测光的一层或多层薄层金属材料。所述光学反射镜面可以是位于主结构层(4)上表面或下表面的独立薄层金属，也可以是太赫兹吸收结构中的薄金属层。
所述微悬臂梁支腿包括形变支腿(7)和热隔离支腿(8)，所述微悬臂梁像元通常包含有两个微悬臂梁支腿，位于太赫兹敏感面(3)两侧，所述微悬臂梁支腿的排列方式包括直线式、折线式、双折线式和多折线式。所述形变支腿(7)由两种热膨胀系数相差较大的材料组成，基体材料为具有较小热导率和热膨胀系数的半导体介质材料，如氮化硅、氧化硅等；另一种材料为高热膨胀系数的金属、聚合物等材料，形变支腿部分的设计的原则是获得尽可能大的形变量；所述形变支腿(7)一端连接于太赫兹敏感面(3)，使太赫兹敏感面吸收的热量传导至形变支腿。所述热隔离支腿(8)仅包括热导率小的半导体介质材料，该半导体介质材料可与形变支腿(7)的基体材料一致，所述热隔离支腿位于形变支腿(8)和衬底(2)之间，以减小微悬臂梁像元的热传导，热隔离支腿部分的设计原则是获得最大隔热效率。
所述支撑多个微悬臂梁像元的衬底(2)可以是单晶硅片、锗片、石英片等材料，如果太赫兹波从衬底一面入射，所述衬底(2)材料需要对太赫兹波有高透过率，可以在所述衬底材料上淀积增透膜以提高太赫兹的透过效率。所述衬底(2)可以部分或全部去除，形成半镂空结构，如图4所示，或全镂空结构，如图5所示，这样使太赫兹波可以不经过衬底直接辐射到太赫兹敏感面(3)，从而提高太赫兹焦平面阵列的灵敏度。所述半镂空结构是部分去除衬底，由剩余衬底形成多个纵横支撑梁(9)，纵横支撑梁(9)交叉形成多个方形或长方形框架(10)，所述多个微悬臂梁像元(1)通过微悬臂梁支腿分别固定到框架(10)上；所述全镂空结构是全部去除多个微悬臂梁像元(1)下面的衬底(2)，仅剩余多个悬臂梁像元外围的衬底，剩余衬底形成的一个方形或长方形框架(10)，所述一个方形或长方形框架内有多条纵横支撑梁(9)，多条纵横支撑梁(9)将框架分割成小窗口阵列，每个小窗口镶嵌一个微悬臂梁像元(1)。所述纵横支撑梁(9)支撑于框架(10)上，所述微恳臂梁像元(1)支撑于纵横支撑梁(9)上。所述框架材料与衬底材料相同，所述支撑梁材料可以是单晶硅、多晶硅、氮化硅、氧化硅以及他们的叠加材料。
本发明提出的太赫兹焦平面阵列如图1和图4所示，微悬臂梁像元如图2所示。本发明的实施方法不限于实施例中所公开的内容。
Claims (10)
1.一种基于MEMS技术的太赫兹焦平面阵列，其特征在于：所述太赫兹焦平面阵列由多个微悬臂梁像元和支撑多个微悬臂梁像元的衬底组成，所述多个微悬臂梁像元的结构完全相同。
2.如权利要求1所述的太赫兹焦平面阵列，其特征在于：所述微悬臂梁像元由太赫兹敏感面和微悬臂梁支腿组成，所述太赫兹敏感面是悬空的，通过微悬臂梁支腿固支在衬底上。
3.如权利要求2所述的微悬臂梁像元，其特征在于：所述太赫兹敏感面包括主结构层、太赫兹吸收结构层和光学反射镜面。
4.如权利要求3所述的太赫兹敏感面，其特征在于：所述主结构层由一层或多层半导体介质材料组成，所述半导体介质材料可以是氮化硅、氧化硅等；所述主结构层也可以作为太赫兹吸收结构层中的一部分。
5.如权利要求3所述的太赫兹敏感面，其特征在于：所述太赫兹吸收结构层可以位于主结构层的上表面或下表面，也可以在多层主结构层中间；所述太赫兹吸收结构层可以由一层薄膜材料或多层薄膜材料叠加形成，所述薄膜材料可以是薄金属层、超材料吸收结构、金属化合物、碳纳米管、石墨烯、半导体介质材料、有机高分子材料等。
6.如权利要求5所述的太赫兹吸收层，其特征在于：所述超材料结构是由太赫兹反射层、介质材料层和谐振结构组成。所述太赫兹反射层为连续金属薄膜，位于超材料结构的最下层。所述介质材料层位于位于太赫兹反射层和谐振结构之间，采用透射太赫兹波的材料，所述介质材料层包括有机高分子聚合物材料，如聚酰亚胺、聚对二甲苯-C(Parylene-C)等，或半导体介质材料，如二氧化硅、氮化硅和碳化硅等。所述谐振结构可以是闭合的环型结构、单侧开口的劈裂环结构、一维或二维栅格结构等，所述谐振结构的尺寸及晶格常数根据探测频段波长的要求设计为亚波长，所述谐振结构可以采用金属材料，如金、铝、银、铜等，也可以采用掺杂半导体材料，如掺杂的硅、锗等，也可以是金属硅化物材料，如钛硅化合物、钴硅化合物、钨硅化合物等。
7.如权利要求3所述的太赫兹敏感面，其特征在于：所述光学反射镜面可以是一层或多层薄层金属材料，可以位于主结构层上表面或下表面，也可以是太赫兹吸收结构中的薄金属层。
8.如权利要求2所述的微悬臂梁像元，其特征在于：所述微悬臂梁支腿包括形变支腿和热隔离支腿，位于太赫兹敏感面两侧，所述微悬臂梁支腿的排列方式可以是直线式、折线式、双折线式和多折线式等。所述形变支腿由两种热膨胀系数相差较大的材料组成，一种材料为具有较小热导率和热膨胀系数的半导体介质材料制备，如氮化硅、氧化硅等；另一种材料为高热膨胀系数的金属、聚合物等材料；所述形变支腿一端连接于太赫兹敏感面，一端连接于热隔离支腿。所述热隔离支腿仅包括热导率较小的半导体介质材料，该半导体介质材料可以与形变支腿的一种材料相同，所述热隔离支腿位于形变支腿和衬底之间。
9.如权利要求1所述的太赫兹焦平面阵列，其特征在于：所述支撑多个微悬臂梁像元的衬底可以是单晶硅片、锗片、石英片等材料，如果太赫兹波从衬底一面入射，所述衬底材料需要对太赫兹波有高透过率，可以在所述衬底材料上淀积增透膜以提高太赫兹的透过效率。
10.如权利要求1所述的太赫兹焦平面阵列，其特征在于：所述衬底可以部分或全部去除，形成半镂空结构或全镂空结构。所述半镂空结构是部分去除衬底，由剩余衬底形成多个纵横支撑梁，纵横支撑梁交叉形成多个方形或长方形框架，所述多个微悬臂梁像元通过微悬臂梁支腿分别固定到框架上；所述全镂空结构是全部去除多个微悬臂梁像元下面的衬底，仅剩余多个悬臂梁像元外围的衬底，剩余衬底形成的一个方形或长方形框架，所述一个方形或长方形框架内有多条纵横支撑梁，多条纵横支撑梁将框架分割成小窗口阵列，每个小窗口镶嵌一个微悬臂梁像元。所述纵横支撑梁支撑于框架上，所述微悬臂梁像元支撑于纵横支撑梁上。所述框架材料与衬底材料相同，所述支撑梁材料可以是单晶硅、多晶硅、氮化硅、氧化硅以及他们的叠加材料。
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