[发明专利]一种用于太赫兹微测辐射热计的天线结构及其制备方法

说明书

本发明提供一种用于太赫兹微测辐射热计的天线结构及其制备方法，及太赫兹探测与成像技术领域，本发明的天线结构在太赫兹微测辐射热计微桥结构桥面多层薄膜中集成一层平面天线，同时用作金属薄膜吸收层，利用金属薄膜的宽频吸收与天线对特定频率的耦合增强吸收，实现对太赫兹波的宽频高吸收。本发明采用RIE工艺修饰处理天线下的介质衬底层或天线层，形成表面微结构，增大天线与金属薄膜吸收层的有效吸收面积，提高吸收效率。

技术领域

本发明涉及太赫兹探测与成像技术领域，具体涉及一种用于太赫兹微测辐射热计的天线结构及其制备方法。

背景技术

太赫兹(Terahertz，THz)波指频率介于0.1～10THz(波长3mm～30μm)的电磁辐射，其电磁波谱位于微波和红外波段之间。因此，太赫兹系统兼顾电子学和光学系统的优势。长期以来，由于缺乏有效的太赫兹辐射产生和检测方法，人们对于该波段电磁辐射性质的了解非常有限，以致于该波段被称为电磁波谱中的太赫兹空隙。该波段也是电磁波谱中有待进行全面研究的最后一个频率窗口。与其它波段的电磁波相比，太赫兹电磁波具有如下独特的性质：①瞬态性：太赫兹脉冲的典型脉宽在皮秒量级；②宽带性：太赫兹脉冲源通常只包含若干个周期的电磁振荡，单个脉冲的频带可以覆盖GHz至几十THz的范围；③相干性：太赫兹时域光谱技术的相干测量技术能够直接测量太赫兹电场的振幅和相位，可以方便地提取样品的折射率、吸收系数；④低能性：太赫兹光子的能量只有毫电子伏特，不会因为电离而破坏被检测物质，从而可以安全地进行生物医学方面的检测和诊断；⑤穿透性：太赫兹辐射对于很多非极性绝缘物质，例如硬纸板、塑料、纺织物等包装材料都有很高的穿透特性，可用于对藏匿物体进行探测。太赫兹波的这些特点使其在物体成像、环境监测、医疗诊断、射电天文、宽带移动通讯、尤其是在卫星通讯和军用雷达等方面具有重大的科学价值和广阔的应用前景。近年来由于自由电子激光器和超快激光技术的发展，为太赫兹脉冲的产生提供了稳定、可靠的激发光源，使太赫兹辐射的产生机理、检测技术和应用技术的研究得到蓬勃发展。

太赫兹探测器是太赫兹技术应用的关键器件。在太赫兹探测器的开发和应用中，检测太赫兹辐射信号具有举足轻重的意义。传统的非制冷红外焦平面阵列结构，理论上可以用于太赫兹波段的探测与成像。根据1/4波长理论，以辐射频率 3THz为例，为充分吸收太赫兹辐射，非制冷红外焦平面阵列的光学谐振器高度应为25μm(入射辐射的1/4波长)。但这样的谐振腔高度在器件的制备上难以实现(传统非制冷红外焦平面阵列的谐振腔高度约为1.5～3μm)。若不改变谐振腔高度，其膜系结构对太赫兹辐射的吸收极低，使得信号检测的难度较大。在文献(F.Simoens,etc,“Terahertz imaging with a quantum cascade laserand amorphous-silicon microbolometer array”,Proceedings of SPIE,vol. 7485,pp.74850M-1–74850M-9,2009)中，将基于非晶硅的非制冷红外焦平面阵列用于太赫兹成像，经过模拟和实验测量，探测单元的太赫兹辐射吸收率仅为 0.16～0.17％。因此，目前常用的解决方法是：保持非制冷红外焦平面阵列的谐振腔高度不变，增加一层专门的太赫兹辐射吸收层在膜系结构的顶层上，以实现太赫兹辐射的探测与成像。Alan W.M.Lee等报道了采用160×120非制冷红外焦平面阵列进行实时、连续太赫兹波成像。敏感材料为位于氮化硅微桥上的氧化钒层。他们提出，为提高信噪比和空间分辨率，需改进焦平面阵列的设计，其中的主要工作是优化太赫兹辐射吸收材料(Alan W.M.Lee,etc,“Real-time,continuous-wave terahertz imaging by use of a microbolometer focal-planearray”,Optics Letters,vol.30,pp.2563–2565,2005)。