集传感器与超材料集成吸收器于一体的微机电系统太赫兹双材料解析.doc

集传感器与超材料集成吸收器于一体的微机电系统太赫兹双材料 本论文阐述运作频率为3.8太赫兹的微机电系统(MEMS)太赫兹双材料传感器的制作。偶然的太赫兹辐射被超材料与双材料集成的装置吸收。设计者为该吸收器设计了一个匹配量子级联激光器照明源的谐振频率，该谐振频率同时还为吸收器提供结构支持,所需的热机性能以及光学数据读取途径。测量显示,组合吸收器在频率为3.8太赫兹时，吸收率达到近90%。观测发现响应度为0.1°∕μW，时间常数为14毫秒。超材料吸收器的使用使得通过把传感响应度调整到所需的频率从而实现潜在太赫兹成像应用的高灵敏度成为可能。?2012美国光学学会 1 - 10太赫兹频率下的太赫兹成像已经通过使用传统微测热辐射计成像仪对红外(IR)波长(8 - 12μm)加上作为照明源的量子级联激光器(QCL)[1,2]进行优化而得到证明。由于在太赫兹范围内的被动成像而言，背景热能相对红外热能来说小得多，太赫兹成像方案通常用光源对目标进行照明。然而,微测热辐射计摄像头像素大小（~25微米）相对于太赫兹波长(～100μm)来说，并不适用于太赫兹范围下的运作，且像素膜不是适用于太赫兹高吸收。类似的限制也出现在基于双材料的微机械红外成像技术(3、4),这也另一个可能的太赫兹成像候选技术。 这两种方法都依赖于热检测，被吸收的电磁辐射会给传感元件加热,在微型测辐射热仪监测下改变其电阻,并改变双材料传感器的传感元件的结构。虽然这两种方法都有着相同的传感器检测原理,但是双材料传感器就研究平台来说更具吸引力，因为它利用外部光学读出(5、6), 从而降低了读出电子设备单一集成电路的要求[7]。为了在太赫兹光谱范围内达到更高的高灵敏度,我们需要设计出适合太赫兹高吸收率材料的像素，并且将其大小调至最优。 一种实现太赫兹高吸收率的方法就是采用超材料结构,这种结构可以用标准的精密加工材料来制造。几个研究团体就在太赫兹光谱波段下工作的超材料结构的分析和制造做了报告，其超材料结构使用多种多样的配置,包括谐振元素和金属立方体和金属环的周期阵[8-11]。 最近的研究证明，在微波和低于太赫兹的频率下，使用单一开口环谐振器的微机械传感器吸收率约达40%[12]。本论文中，我们阐述的是非冷凝太赫兹双材料传感器与超材料吸收器集成体的制作，该结构在3.8太赫兹频率（量子级联激光器(QCL)照明发出同样的频率）下吸收率高达近90%。 如图1中所示的探测器由两个主要部分构成:(一)超材料太赫兹吸收器。它负责将吸收的太赫兹辐射转化成热量,也提供在可见范围内光学读出的反应;(b)多折的双材料微悬臂。它负责对整体结构进行监测，因为太赫兹吸收转化成的热量会造成温度升高。悬臂固定在基座位置充当一个散热器,让传感器在刺激终止时恢复到原先的状态。以上要求加上微机电系统(MEMS)制造过程中的兼容性要求，对于制造双材料像素的材料造成了额外的限制。我们的设计选取将热、机械和光学性能进行最佳组合的二氧化硅和铝作为同时满足太赫兹高吸收率和双材料监测能力的结构，它们还能符合微机电系统制造的兼容性要求。 经设计，超材料吸收器应在频率为3.8太赫兹（也是量子级联激光器发射激光的频率[13]）时吸收率达到峰值。此概念得到红外范围[14]内微型测辐射热仪检测结果和我们包含一排周期为20μm的铝方体(16.5μm)和由SiO2层分隔开的铝底平面的设计体证实。 Fig. 1.? (a) Micrograph of the 双材料微机电系统传感器在发射之前的显微图以及（b）已发射像素的光学轮廓显微图。可以看到，残余应力造成了像素膜的变形。 铝和二氧化硅层分别为100 nm和1.2μm厚。像素吸收区域为88×200μm2,并包含组成超材料结构的40个铝方体。 太赫兹探测器是使用标准的微加工技术制作而成。首先,将一层100纳米厚的铝膜安置在300μm厚的硅基座上。然后,使用光刻和溅镀蚀刻来制作铝层的图形，形成吸收器阵列和第一对镀铝柱(十分接近于吸收器)。接下来, 在300°C条件下用等离子体增强化学气相沉积法将厚1.2μm的二氧化硅层安置下来，接下来覆上100纳米厚的铝膜。 然后，用光刻和湿蚀刻对第二金属层刻图，确定吸收器的底平面(还可以作为光学读取器对太赫兹吸收量化成的热量造成的变形的反应体)并确定另一侧的第二对镀铝柱。然后，由刻蚀二氧化硅层的反应离子对传感器结构定形，确保如图1（a）所示的像素。被固定到基板(绿色)的折叠柱两侧的两外悬臂没有镀铝，不对像素进行隔热。最后,用波希法蚀刻出背后的沟纹，工作就完成了。用光学轮廓测量法测量的像素图如图1(b)所示，其中像素膜的变形是由于制造后的残余压力造成的。这样的变形不会影响传感器的灵敏度和可以在进一步精细化制造过程中最小化。 超材料结构的吸收性能可以利用一个三维有