超材料像元结构及使用其的焦平面阵列成像探测器

摘要

本发明涉及一种用于太赫兹及毫米波探测的超材料像元结构以及使用该超材料像元结构的焦平面阵列成像探测器，该超材料像元结构包含顶层和底层，顶层形成谐振器，谐振器包括纵向设置的至少一组分裂环，其中每个分裂环具有露出底层的特殊形状的镂空区域，从而使得超材料像元的顶层既作为微反射镜，又作为谐振器构成超材料结构，同时由顶层材料和底层材料构成双材料悬臂梁执行器；本发明涉及的焦平面阵列成像探测器包含由多个如本发明提供的超材料像元结构按周期排列组成的焦平面阵列，其中，多个所述超材料像元排列形成超材料周期结构，从而实现高分辨率成像以及对太赫兹波或毫米波的高吸收率，具有高探测灵敏度。

说明书

技术领域

本发明属于太赫兹(THz-Terahertz)及毫米波探测和成像技术领域，涉及一种超材料像元 结构，特别是涉及一种用于太赫兹及毫米波探测的超材料像元结构以及使用该超材料像元结 构的焦平面阵列成像探测器，主要应用于非制冷型太赫兹或者毫米波实时成像系统中。

背景技术

太赫兹及毫米波探测及成像技术在国防、安检、无损探测、生物医疗、工业生产、基础 科研等领域具有广泛的应用。目前，国内外已有相关研究将超材料吸收结构应用到太赫兹波 段，解决太赫兹成像探测器吸收率低的问题。例如：2010年，波士顿大学Hu Tao等人利用 超材料理论设计了用于微波和太赫兹波段的光机传感器阵列，将超材料谐振环加入双材料悬 臂梁单元；2013年，美国海军研究院的Fabio Alves等人采用SiOx和Al作为双材料悬臂梁 的两种材料，设计并制作了基于超材料的悬臂梁式太赫兹探测器；申请号为201210250324的 中国专利申请“一种基于MEMS技术的太赫兹焦平面阵列”中也涉及使用了超材料吸收结构作 为太赫兹吸收结构层。

但目前用于太赫兹探测的超材料结构及使用其的双材料悬臂梁式太赫兹成像探测器主要 存在以下缺点：1.每个超材料结构只是谐振器，不能作为微反射镜和悬臂梁执行器；2.微反 射镜面积较小，不利于光学读出；3.探测器的单个像元由多个超材料单元结构组成，需要额 外加入微反射镜和悬臂梁执行器；4.像元与像元之间间隙大，分辨率低；5.制造工艺复杂、 成本较高。

发明内容

鉴于上述缺点，提出了本发明以便提供一种至少部分地克服上述缺点的超材料像元结构 以及使用该超材料像元结构的焦平面阵列成像探测器。

根据本发明的第一方面，提供了一种超材料像元结构，所述超材料像元结构包含顶层和 底层，所述顶层形成谐振器，所述谐振器包括纵向设置的至少一组分裂环，其中每一组分裂 环包含一个分裂环，每个分裂环包括露出底层的形镂空区域，并且只有形镂空区域的横 向向外延伸的一端镂空出顶层。

根据本发明的第二方面，提供了一种超材料像元结构，所述超材料像元结构包含顶层和 底层，所述顶层形成谐振器，所述谐振器包括纵向设置的至少一组分裂环，其中每一组分裂 环包含横向背靠背对称的两个分裂环，每个分裂环包括露出底层的形镂空区域，并且只有 形镂空区域的横向向外延伸的一端镂空出顶层，每一组分裂环中的两个分裂环的形镂空 区域的竖向段靠近以形成背靠背对称结构。

根据本发明的第一或第二方面提供的超材料像元结构，其中，较佳地，所述谐振器由纵 向设置的两组分裂环组成；优选地，位于上方的一组分裂环的尺寸大于位于下方的一组分裂 环的尺寸。

根据本发明的第三方面，提供了一种超材料像元结构，所述超材料像元结构包含顶层和 底层，所述顶层形成谐振器，所述谐振器包括一个单独的分裂环，该分裂环包括E字形镂空 区域，只有E字形镂空区域的中间横向部分向外延伸的一端镂空出顶层，并且E字形镂空区 域的中间横向部分露出底层，其他部分连同底层一起镂空。

根据本发明的上述的第一至第三方面中的任意一个提供的超材料像元结构，其中，较佳 地，形成的所述谐振器的尺寸为10微米～120微米；

较佳地，形成的所述谐振器的尺寸为121微米～1000微米；

较佳地，所述顶层由金属材料构成以形成金属谐振器，所述底层由电介质材料构成；

优选地，所述金属材料为金或铝，所述电介质材料为氮化硅或二氧化硅。

其中，金属材料的顶层既作为微反射镜，又构成超材料结构，同时由顶层材料和底层材 料构成双材料悬臂梁执行器。

根据本发明的第四方面，提供了一种焦平面阵列成像探测器，该成像探测器包含由多个 如本发明第一、第二或第三方面中的任意一个提供的超材料像元结构按周期排列组成的焦平 面阵列，其中，多个所述超材料像元排列形成超材料周期结构，横向周期为一个超材料像元 的长度，纵向周期为一个超材料像元的宽度。

与现有技术相比，本发明提供的超材料像元结构的有益之处在于：1.每个超材料像元的 顶层既作为微反射镜用于光学读出，又作为谐振器构成超材料结构用于吸收电磁辐射能量， 同时由顶层材料和底层材料构成双材料悬臂梁执行器；2.微反射镜面积大，利于光学读出成 像。

本发明提供的焦平面阵列成像探测器的有益之处在于：1.该类探测器的每个像元由单个 超材料像元构成，像元与像元之间间隙小，分辨率高；2.能够实现对太赫兹波或者毫米波的 高吸收率；3.像素为亚波长大小，突破了太赫兹或者毫米波波长对物体分辨率的限制；4.该 类探测器厚度为纳米量级，具有高探测灵敏度，能够实现高帧频太赫兹或者毫米波成像。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依 照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易 懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

图1为实施例1描述的超材料单波段像元结构的示意图。

图2为实施例1描述的超材料单波段像元结构中的谐振器的示意图。

图3为实施例1描述的由多个超材料单波段像元构成的焦平面阵列的示意图。

图4为实施例2描述的超材料双波段像元结构的示意图。

图5为实施例2描述的超材料双波段像元结构中的谐振器的示意图。

图6为实施例2描述的由多个超材料双波段像元构成的焦平面阵列的示意图。

图7为实施例3描述的对称型超材料单波段像元结构的示意图。

图8为实施例3描述的对称型超材料单波段像元结构的谐振器的示意图。

图9为实施例3描述的由多个对称型超材料单波段像元构成的焦平面阵列的示意图。

图10为实施例4描述的对称型超材料双波段像元结构的示意图。

图11为实施例4描述的对称型超材料双波段像元结构的谐振器的示意图。

图12为实施例4描述的由多个对称型超材料双波段像元构成的焦平面阵列的示意图。

图13为实施例5描述的超材料像元结构的示意图。

图14为实施例5描述的超材料像元结构中的谐振器的示意图。

图15为实施例5描述的由多个超材料像元构成的焦平面阵列的示意图。

具体实施方式

为了使本领域普通技术人员对本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于 明白了解，下面结合附图，进一步阐述本发明。

实施例1：

图1为本发明实施例1提供的一种超材料单波段像元结构，该超材料单波段像元结构由 两种热膨胀系数相差较大的金属材料和电介质材料构成，金属材料可采用金或铝，电介质材 料可采用氮化硅或二氧化硅；该超材料单波段像元结构包含顶层1和底层2，顶层1是金属 材料，底层2是电介质材料，金属材料顶层1形成谐振器，图2为该超材料单波段像元结构 中的谐振器的示意图，所述谐振器包括一组分裂环，该组分裂环包含一个分裂环3，分裂环3 包括露出底层的形镂空区域，并且只有形镂空区域的横向向外延伸的一端镂空出顶层； 其中，顶层1既作为微反射镜用于光学读出，又作为金属谐振器构成超材料结构用于吸收电 磁辐射能量，同时由顶层1金属材料和底层2电介质材料构成双材料悬臂梁执行器。金属谐 振器通过周期排列形成超材料吸收体，对入射的电磁波产生强谐振，实现对特定单波段电磁 辐射的高吸收率。其中，形成的所述谐振器的尺寸可为10微米～120微米，以形成吸收太赫 兹电磁辐射的超材料吸收结构；形成的所述谐振器的尺寸也可为121微米～1000微米，以形 成吸收毫米波电磁辐射的超材料吸收结构。

图3为由多个该超材料单波段像元按周期排列构成的焦平面阵列，从而得到超材料焦平 面阵列单波段成像探测器，该成像探测器包含该焦平面阵列，其中，多个超材料单波段像元 排列形成超材料周期结构，横向周期为一个超材料单波段像元的长度，纵向周期为一个超材 料单波段像元的宽度，各个超材料单波段像元之间的连接通过氮化硅材料实现。该超材料焦 平面阵列单波段成像探测器在吸收电磁辐射之后，超材料像元中的双材料悬臂梁温度升高， 构成悬臂梁的两种材料热膨胀系数相差较大因此发生偏转，偏转量的大小对应于电磁辐射能 量的大小；对于二维焦平面阵列，各个像元反射面偏转角度的分布就体现了目标辐射的能量 场分布，利用光学方法高速并行读出能量场分布，从而实现实时面阵成像。

实施例2：

图4为本发明实施例2提供的一种超材料双波段像元结构，该超材料双波段像元结构由 两种热膨胀系数相差较大的金属材料和电介质材料构成，金属材料可采用金或铝，电介质材 料可采用氮化硅或二氧化硅；该超材料双波段像元结构包含顶层4和底层5，顶层4是金属 材料，底层5是电介质材料，金属材料顶层4形成谐振器，图5为该超材料双波段像元结构 中的谐振器的示意图，所述谐振器包括纵向设置的两组分裂环，且位于上方的一组分裂环6 的尺寸大于位于下方的一组分裂环7的尺寸，每一组分裂环包含一个分裂环，每个分裂环包 括露出底层的形镂空区域，并且只有形镂空区域的横向向外延伸的一端镂空出顶层，； 其中，顶层4既作为微反射镜用于光学读出，又作为金属谐振器构成超材料结构用于吸收电 磁辐射能量，同时由顶层4金属材料和底层5电介质材料构成双材料悬臂梁执行器。金属谐 振器通过周期排列形成超材料吸收体，对入射的电磁波产生强谐振，实现对特定双波段电磁 辐射的高吸收率。其中，形成的所述谐振器的尺寸可为10微米～120微米，以形成吸收太赫 兹电磁辐射的超材料吸收结构；形成的所述谐振器的尺寸也可为121微米～1000微米，以形 成吸收毫米波电磁辐射的超材料吸收结构。

图6为由多个该超材料双波段像元按周期排列构成的焦平面阵列，从而得到超材料焦平 面阵列双波段成像探测器，该成像探测器包含该焦平面阵列，其中，多个超材料双波段像元 排列形成超材料周期结构，横向周期为一个超材料双波段像元的长度，纵向周期为一个超材 料双波段像元的宽度，各个超材料双波段像元之间的连接通过氮化硅材料实现。该超材料焦 平面阵列双波段成像探测器在吸收电磁辐射之后，超材料像元中的双材料悬臂梁温度升高， 构成悬臂梁的两种材料热膨胀系数相差较大因此发生偏转，偏转量的大小对应于电磁辐射能 量的大小；对于二维焦平面阵列，各个像元反射面偏转角度的分布就体现了目标辐射的能量 场分布，利用光学方法高速并行读出能量场分布，从而实现实时面阵成像。

实施例3：

图7为本发明实施例3提供的一种对称型超材料单波段像元结构，该对称型超材料单波 段像元结构由两种热膨胀系数相差较大的金属材料和电介质材料构成，金属材料可采用金或 铝，电介质材料可采用氮化硅或二氧化硅；该对称型超材料单波段像元结构包含顶层8和底 层9，顶层8是金属材料，底层9是电介质材料，金属材料顶层8形成谐振器，图8为该对 称型超材料单波段像元结构中的谐振器的示意图，所述谐振器包括一组分裂环，该组分裂环 包含横向背靠背对称的两个分裂环10、11，每个分裂环10、11包括露出底层的形镂空区 域，并且只有形镂空区域的横向向外延伸的一端镂空出顶层，该组分裂环中的两个分裂环 10、11的形镂空区域的竖向段靠近以形成背靠背对称结构；其中，顶层8既作为微反射镜 用于光学读出，又作为金属谐振器构成超材料结构用于吸收电磁辐射能量，同时由顶层8金 属材料和底层9电介质材料构成双材料悬臂梁执行器。金属谐振器通过周期排列形成超材料 吸收体，对入射的电磁波产生强谐振，实现对特定单波段电磁辐射的高吸收率。其中，形成 的所述谐振器的尺寸可为10微米～120微米，以形成吸收太赫兹电磁辐射的超材料吸收结构； 形成的所述谐振器的尺寸也可为121微米～1000微米，以形成吸收毫米波电磁辐射的超材料 吸收结构。

图9为由多个该对称型超材料单波段像元按周期排列构成的焦平面阵列，从而得到对称 型超材料焦平面阵列单波段成像探测器，该成像探测器包含该焦平面阵列，其中，多个对称 型超材料单波段像元排列形成超材料周期结构，横向周期为一个对称型超材料单波段像元的 长度，纵向周期为一个对称型超材料单波段像元的宽度，各个对称型超材料单波段像元之间 的连接通过氮化硅材料实现。该对称型超材料焦平面阵列单波段成像探测器在吸收电磁辐射 之后，超材料像元中的双材料悬臂梁温度升高，构成悬臂梁的两种材料热膨胀系数相差较大 因此发生偏转，偏转量的大小对应于电磁辐射能量的大小；对于二维焦平面阵列，各个像元 反射面偏转角度的分布就体现了目标辐射的能量场分布，利用光学方法高速并行读出能量场 分布，从而实现实时面阵成像。

实施例4：

图10为本发明实施例4提供的一种对称型超材料双波段像元结构，该对称型超材料双波 段像元结构由两种热膨胀系数相差较大的金属材料和电介质材料构成，金属材料可采用金或 铝，电介质材料可采用氮化硅或二氧化硅；该对称型超材料双波段像元结构包含顶层12和底 层13，顶层12是金属材料，底层13是电介质材料，金属材料顶层12形成谐振器，图11为 该对称型超材料双波段像元结构中的谐振器的示意图，所述谐振器包括纵向设置的两组分裂 环，且位于上方的一组分裂环14和15的尺寸大于位于下方的一组分裂环16和17的尺寸， 其中每一组分裂环包含横向背靠背对称的两个分裂环，每个分裂环包括露出底层的形镂空 区域，并且只有形镂空区域的横向向外延伸的一端镂空出顶层，每一组分裂环中的两个分 裂环的形镂空区域的竖向段靠近以形成背靠背对称结构；其中，顶层12既作为微反射镜 用于光学读出，又作为金属谐振器构成超材料结构用于吸收电磁辐射能量，同时由顶层12金 属材料和底层13电介质材料构成双材料悬臂梁执行器。金属谐振器通过周期排列形成超材料 吸收体，对入射的电磁波产生强谐振，实现对特定双波段电磁辐射的高吸收率。其中，形成 的所述谐振器的尺寸可为10微米～120微米，以形成吸收太赫兹电磁辐射的超材料吸收结构； 形成的所述谐振器的尺寸也可为121微米～1000微米，以形成吸收毫米波电磁辐射的超材料 吸收结构。

图12为由多个该对称型超材料双波段像元按周期排列构成的焦平面阵列，从而得到对称 型超材料焦平面阵列双波段成像探测器，该成像探测器包含该焦平面阵列，其中，多个对称 型超材料双波段像元排列形成超材料周期结构，横向周期为一个对称型超材料双波段像元的 长度，纵向周期为一个对称型超材料双波段像元的宽度，各个对称型超材料双波段像元之间 的连接通过氮化硅材料实现。该对称型超材料焦平面阵列双波段成像探测器在吸收电磁辐射 之后，超材料像元中的双材料悬臂梁温度升高，构成悬臂梁的两种材料热膨胀系数相差较大 因此发生偏转，偏转量的大小对应于电磁辐射能量的大小；对于二维焦平面阵列，各个像元 反射面偏转角度的分布就体现了目标辐射的能量场分布，利用光学方法高速并行读出能量场 分布，从而实现实时面阵成像。

除上述实施例提供的各超材料单波段像元结构和各超材料双波段像元结构以外，超材料 像元结构中的谐振器还可由多组分裂环组成，从而得到超材料多波段像元结构，实现对特定 多波段电磁辐射的吸收，此处不再赘述。

实施例5：

图13为本发明实施例5提供的一种超材料像元结构，该超材料像元结构由两种热膨胀系 数相差较大的金属材料和电介质材料构成，金属材料可采用金或铝，电介质材料可采用氮化 硅或二氧化硅；该超材料像元结构包含顶层18和底层19，顶层18是金属材料，底层19是 电介质材料，金属材料顶层18形成谐振器，图14为该超材料像元结构中的谐振器的示意图， 所述谐振器包括一个单独的分裂环20，该分裂环20包括E字形镂空区域，只有E字形镂空 区域的中间横向部分向外延伸的一端镂空出顶层，并且E字形镂空区域的中间横向部分露出 底层，其他部分连同底层一起镂空；其中，顶层18既作为微反射镜用于光学读出，又作为金 属谐振器构成超材料结构用于吸收电磁辐射能量，同时由顶层18金属材料和底层19电介质 材料构成双材料悬臂梁执行器。金属谐振器通过周期排列形成超材料吸收体，对入射的电磁 波产生强谐振，实现对特定波段电磁辐射的高吸收率。其中，形成的所述谐振器的尺寸可为 10微米～120微米，以形成吸收太赫兹电磁辐射的超材料吸收结构；形成的所述谐振器的尺寸 也可为121微米～1000微米，以形成吸收毫米波电磁辐射的超材料吸收结构。

图15为由多个该超材料像元按周期排列构成的焦平面阵列，从而得到超材料焦平面阵列 成像探测器，该成像探测器包含该焦平面阵列，其中，多个超材料像元排列形成超材料周期 结构，横向周期为一个超材料像元的长度，纵向周期为一个超材料像元的宽度，各个超材料 像元之间的连接通过氮化硅材料实现。该超材料焦平面阵列成像探测器在吸收电磁辐射之后， 超材料像元中的双材料悬臂梁温度升高，构成悬臂梁的两种材料热膨胀系数相差较大因此发 生偏转，偏转量的大小对应于电磁辐射能量的大小；对于二维焦平面阵列，各个像元反射面 偏转角度的分布就体现了目标辐射的能量场分布，利用光学方法高速并行读出能量场分布， 从而实现实时面阵成像。

以上描述了本发明的基本原理和主要特征以及优点。本领域普通技术人员应该了解，本 发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱 离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求 保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。