CN103575407A - 一种太赫兹辐射探测器 - Google Patents

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文永正
于晓梅
马蔚
张建林
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Abstract

本发明提供的太赫兹辐射探测器由太赫兹敏感结构和含有读出电路的衬底基片组成，太赫兹敏感结构包括太赫兹吸收结构、热转换层和保护层。当被动/主动太赫兹波通过太赫兹物镜聚焦到太赫兹敏感结构上时，通过太赫兹吸收结构将吸收的能量转换成热能，进而通过热转换层使热能转化成电学信号，再通过衬底基片上的电路读出电学信号。本发明提供的太赫兹微测辐射热计工作在非制冷环境下，可进行单点探测，也可以通过焦平面阵列实现太赫兹成像。

Description

一种太赫兹辐射探测器
技术领域
本发明属于太赫兹(THz-Terahertz)探测和微电子机械***(MEMS-microelectronic mechainical systems)技术领域，特别是涉及一种利用微测辐射热计(Microbolometer)进行太赫兹探测的技术。
背景技术
太赫兹波通常是指频率在0.1THz-10THz范围内的电磁辐射。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。一方面，由于太赫兹能量很低，因此不会对物质产生破坏作用。另一方面，太赫兹光谱不仅信噪比高，能够迅速对样品组成做出分析和鉴别，而且太赫兹技术可进行非接触测量，使其在安检和反恐方面有很大的应用前景。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。目前的太赫兹探测主要采用单点探测，成像速度慢，所获得的图像分辨率低、且***结构复杂、体积庞大。因此，寻求一种能够在常温下工作，实现实时、阵列探测的太赫兹探测器件，是当前太赫兹探测器研究的发展趋势和热点方向。
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热红外探测器进行室温太赫兹探测，主要包括微测辐射热计、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电学性能的改变，将不可见的太赫兹辐射转换成可探测的电学信号。随着MEMS技术的发展，以微测辐射热计为代表的新型热效应探测器不需要制冷，且具有稳定性好、集成度高和成本低等特点而受到关注。微测辐射热计是一种热敏电阻型探测器，当微测辐射热计吸收电磁辐射后，引起温度变化，进而引起热敏电阻变化，利用读出电路(ROIC-Readout Integrated Circuit)读出电阻变化，即可得到与之相对应的电磁辐射功率。目前的微测辐射热计型探测器主要工作在长波红外波段，在进行太赫兹探测时，由于太赫兹波的辐射能量很低，导致利用微测辐射热计型探测器进行太赫兹探测的灵敏度也很低，无法达到应用的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种太赫兹辐射探测器，主要解决目前利用微测辐射热计进行太赫兹探测的灵敏度问题。该太赫兹辐射探测器是在微测辐射热计型探测器上设计太赫兹吸收结构，当被动/主动太赫兹波通过太赫兹物镜聚焦到太赫兹探测器上时，通过设计的太赫兹吸收结构将吸收的太赫兹能量转换成热能，进而使微测辐射热计型探测器上的热敏电阻发生变化，再通过电路读出热敏电阻的变化量。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
所述太赫兹辐射探测器由太赫兹敏感结构和含有读出电路的衬底基片组成，所述太赫兹敏感结构可以是一个，也可以是多个，多个敏感结构组成太赫兹焦平面阵列，可以进行探测成像。
所述太赫兹敏感结构是悬空的微桥结构，所述微桥结构由桥面、桥臂和锚点组成，所述桥臂连接桥面至锚点，其功能一是用于支撑桥面形成悬空结构，从而有效抑制太赫兹敏感结构吸收太赫兹辐射后的热量损失，提高器件灵敏度。另一个功能是实现敏感结构与读出电路的电连接
所述桥面包括太赫兹吸收结构、热转换层、以及保护太赫兹吸收结构和热转换层的保护层。
所述太赫兹吸收结构为吸收太赫兹辐射并将其转化成为热能形式进而传递给热转换层的结构。所述太赫兹吸收结构位于热转换层上面。所述太赫兹吸收结构由电隔离层和太赫兹吸收层组成。所述电隔离层由一层或多层电绝缘材料组成，位于热转换层和太赫兹吸收层之间，用于对太赫兹吸收层和热转换层进行电隔离，也是热转换层的保护层；所述太赫兹吸收层，可以是一层薄膜材料，也可以是多层薄膜材料叠加形成，所述薄膜材料可以是薄金属层、超材料结构、金属化合物、碳纳米管、石墨烯、半导体介质材料等。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，所述介质层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(ParyIene-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、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。
所述热转换层是对温度敏感的热敏电阻，用以将热能转化为可直接测量的电学信号。所述热敏电阻采用具有高电阻温度系数、低热容率和热导率以及适中电阻值的材料。所述热敏电阻的材料包括氧化钒、非晶硅、多晶硅、多晶硅锗、金属、高温超导等。
所述保护层位于太赫兹吸收结构和热转换层的上下表面，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氧化硅、氮化硅，主要用于保护太赫兹吸收结构和热转换层不受外界环境干扰，
所述桥臂为设置在桥面相对侧的两个支撑臂，其一端连接桥面，另一端与锚点连接，支撑桥面形成悬空结构。所述桥臂由电导层和支撑保护层组成。所述电导层是导电性能较好但导热性能较差的薄膜材料，主要用于连接热转换层电学信号至衬底基片上的读出电路，并尽可能减小热转换层吸收的热量传导至衬底，所述电导层薄膜材料可以是镍、铬、镍铬合金、硅化物等高电导率、低热导率的材料。所述支撑保护层由一层或多层半导体介质材料组成，位于电导层的上下表面，主要用以保护桥臂的电导层，所述半导体介质材料可以是氧化硅、氮化硅等，所述支撑保护层可以与桥面保护层材料相同，并可通过选择不同材料和厚度，调整和平衡微桥结构的整体应力。
所述锚点由一层或多层导电性能较好的材料组成，所述锚点材料可以Al、Cu、Au等金属或合金材料，所述锚点一端与桥臂电导层连接，另一端与衬底基片的信号读出电路连接，使热转换层的电信号能够被读出电路获取并处理。所述锚点同时支撑桥面和桥臂，使微桥结构悬空。
所述衬底基片包括金属层和信号读出电路。所述金属反射层位于衬底基片上表面，主要用于反射从太赫兹敏感结构透射过去的太赫兹波，使太赫兹波再次反射进入太赫兹敏感结构，增加太赫兹敏感结构对太赫兹辐射的吸收效率，进而增加整个太赫兹辐射探测器的灵敏度。所述信号读出电路功能是读出热敏电阻的阻值变化，并对微弱的电信号进行预处理，如放大、积分、滤波、采样/保持等，同时还可以对多个敏感结构组成太赫兹焦平面阵列进行阵列信号的串/并行转换，为随后的信号处理级间提供一个良好的接口。
综上所述，本发明利用MEMS工艺，结合太赫兹高效率吸收理论，提出了一种太赫兹辐射探测器，本发明具有如下优势：
1)本发明提出的太赫兹辐射探测器具有实施方法简单、成本低、与IC工艺兼容、易于小型化等优点，可广泛应用；
2)本发明提出的太赫兹辐射探测器可以在非制冷条件下正常工作；
3)本发明提出的太赫兹辐射探测器采用太赫兹吸收结构，可最大限度吸收太赫兹能量，并转化为热能，有效提高太赫兹辐射探测器的灵敏度；
附图说明
图1为本发明提出的太赫兹辐射探测器俯视结构示意图；
图2为本发明提出的太赫兹辐射探测器剖面结构示意图；
图3为本发明提出的太赫兹辐射探测器阵列结构示意图；
附图中相同的附图标记代表相同的部件。
其中：
1-桥面；2-桥臂；3-锚点；4-太赫兹吸收结构；5-衬底基片；6-金属反射层；7-太赫兹辐射探测器焦平面阵列；8-信号读出电路；101-保护层；102-热转换层；401-金属反射层；402-介质层；403-谐振结构；201-桥臂隔离支撑层；202-桥臂电导层。
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实施方法作详细描述。
所述太赫兹辐射探测器由太赫兹敏感结构和含有读出电路(8)的衬底基片(5)组成，所述太赫兹敏感结构可以是一个，也可以是多个，多个敏感结构组成太赫兹焦平面阵列(7)，可以进行探测成像。
所述太赫兹敏感结构是恳空的微桥结构，所述微桥结构由桥面(1)、桥臂(2)和锚点(3)组成，所述桥臂(2)连接桥面(1)至锚点(3)，一是用于支撑桥面(8)形成悬空结构，从而有效抑制敏感结构吸收太赫兹辐射后的热量损失，提高器件灵敏度。另一个用途是实现敏感结构与读出电路的电连接所述桥面包括太赫兹吸收结构(4)、热转换层(102)、以及保护太赫兹吸收结构和热转换层的保护层(101)。
所述太赫兹吸收结构(4)为吸收太赫兹辐射并将其转化成为热能形式进而传递给热转换层的结构。所述太赫兹吸收结构位于热转换层(102)上面。所述太赫兹吸收结构由电隔离层(101)和太赫兹吸收层组成。所述电隔离层(101)由一层或多层电绝缘材料组成，位于热转换层(102)和太赫兹吸收层之间，用于对太赫兹吸收层和热转换层(102)进行电隔离；所述太赫兹吸收层，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、超材料结构、金属化合物、碳纳米管、石墨烯、半导体介质材料等。所述超材料吸收结构是由太赫兹反射层(401)、介质层(402)和谐振结构(403)组成。所述太赫兹反射层(401)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(402)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(403)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。
所述热转换层(102)是对温度敏感的热敏电阻材料，用以将热能转化为可直接测量的电学信号。所述热敏电阻材料为具有高电阻温度系数、低热容率和热导率以及适中电阻值的材料。所述热敏电阻材料可以是氧化钒、非晶硅、多晶硅、多晶硅锗、金属、高温超导等材料。
所述保护层(101)位于太赫兹吸收结构和热转换层(102)的上下表面，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氧化硅、氮化硅，主要用于保护太赫兹吸收结构和热转换层(102)不受外界环境干扰，
所述桥臂(2)为设置在桥面相对侧的两个支撑臂，其一端连接桥面(1)，另一端与锚点(3)连接，支撑桥面形成悬空结构。所述桥臂(2)由电导层(202)和支撑保护层(201)组成。所述电导层(202)是导电性能较好但导热性能较差的薄膜材料，主要用于连接热转换层电学信号至衬底基片上的读出电路，并尽可能减小热转换层吸收的热量传导至衬底(5)，所述电导层薄膜材料可以是镍、铬、镍铬合金、硅化物等高电导率、低热导率的材料。所述支撑保护层(201)由一层或多层半导体介质材料组成，位于电导层(202)的上下表面，主要用以保护桥臂的电导层(202)，所述半导体介质材料可以是氧化硅、氮化硅等，所述支撑保护层可以与桥面保护层材料相同，并可通过选择不同材料和厚度的保护层，调整和平衡微桥结构整体应力。
所述锚点(3)由一层或多层导电性能较好的薄膜材料组成，所述薄膜材料可以Al、Cu、Au等金属或合金材料，所述锚点一端与桥臂电导层(201)连接，另一端与衬底基片的信号读出电路(8)连接，使热转换层的电信号能够被读出电路获取并处理。所述锚点(3)同时支撑桥面(1)和桥臂(2)，使微桥结构悬空。
所述衬底基片(5)包括一金属层(6)和信号读出电路(8)。所述金属反射层(6)位于衬底基片(5)上表面，主要用于反射从太赫兹敏感结构透射过去的太赫兹波，使太赫兹波再次反射进入太赫兹敏感结构，增加太赫兹敏感结构对太赫兹辐射的吸收效率，进而增加整个太赫兹辐射探测器的灵敏度。所述信号读出电路(8)是读出热敏电阻的阻值变化，并对微弱的电信号进行预处理，如放大、积分、滤波、采样/保持等，同时还可以对多个敏感结构组成太赫兹焦平面阵列进行阵列信号的串/并行转换，为随后的信号处理级间提供一个良好的接口。
本发明提出的太赫兹辐射探测器结构如图1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)

1.一种太赫兹辐射探测器，其特征在于：所述太赫兹辐射探测器由太赫兹敏感结构和含有读出电路的衬底基片组成。
2.如权利要求1所述的太赫兹辐射探测器，其特征在于：所述太赫兹敏感结构是悬空的微桥结构，所述微桥结构由桥面、桥臂和锚点组成。所述太赫兹敏感结构可单独工作，也可以由多个太赫兹敏感结构组成焦平面阵列，从而进行太赫兹探测成像。
3.如权利要求2所述的微桥结构，其特征在于：所述桥面包括太赫兹吸收结构、热转换层、以及保护太赫兹吸收结构和热转换层的保护层。
4.如权利要求3所述的桥面，其特征在于：所述太赫兹吸收结构位于热转换层上面。所述太赫兹吸收结构由电隔离层和太赫兹吸收层组成。所述电隔离层由一层或多层电绝缘材料组成，位于热转换层和太赫兹吸收层之间；所述太赫兹吸收层，可以是一层薄膜材料，也可以是多层薄膜材料叠加形成，所述薄膜材料可以是薄金属层、超材料结构、金属化合物、碳纳米管、石墨烯、半导体介质材料等。
5.如权利要求4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。
6.如权利要求3所述的桥面，其特征在于：所述热转换层是对温度敏感的热敏电阻。所述热敏电阻采用具有高电阻温度系数、低热容率和热导率以及适中电阻值的材料。所述热敏电阻的材料包括氧化钒、非晶硅、多晶硅、多晶硅锗、金属、高温超导等材料。
7.如权利要求3所述的桥面，其特征在于：所述保护层位于太赫兹吸收结构和热转换层的上下表面，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氧化硅、氮化硅等。
8.如权利要求2所述的太赫兹敏感结构，其特征在于：所述桥臂为设置在桥面相对侧的两个支撑臂，其一端连接桥面，另一端与锚点连接。所述桥臂由电导层和支撑保护层组成。所述电导层是导电性能较好，但导热性能较差的薄膜材料，所述电导层可以是镍、铬、镍铬合金、硅化物等高电导率、低热导率的薄膜材料。所述支撑保护层由一层或多层半导体介质材料组成，位于电导层的上下表面，所述半导体介质材料可以是氧化硅、氮化硅等，所述支撑保护层可以与桥面保护层材料相同。
9.如权利要求2所述的太赫兹敏感结构，其特征在于：所述锚点由一层或多层导电性能较好的材料组成，所述材料可以Al、Cu、Au等金属或合金材料，所述锚点一端与桥臂电导层连接，另一端与衬底基片的信号读出电路连接，使热转换层的电信号能够被读出电路获取并处理。所述锚点支撑桥面和桥臂，使微桥结构悬空。
10.如权利要求1所述的太赫兹辐射探测器，其特征在于：所述衬底基片包括一金属层和信号读出电路。所述金属层位于衬底基片上表面，主要用于反射从太赫兹敏感结构透射过去的太赫兹波。所述信号读出电路是读出热敏电阻的阻值变化，并对读出信号进行预处理，如放大、积分、滤波、采样/保持等的电路，同时还可以对多个敏感结构组成太赫兹焦平面阵列进行阵列信号的串/并行转换。
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