[发明专利]超材料像元结构及使用其的焦平面阵列成像探测器

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。