基于MEMS技术的THz焦平面阵列及其宽带成像的理论和方法研究

Aiming at the present problems of terahertz (THz) imaging technology, such as low resolution, low frame rate, small dynamic range and complex detection system, this proposal focuses on the studies of theoris and methodologies of a novel THz focal plane array (FPA) and its broadband imaging based on micro-electro-mechanical system (MEMS) technology. We will study the localization theory of THz radiation, the method of broadband enhanced absorption of THz radiation, the optimized design of low-noise micro-cantilever FPA, the key fabrication processes of high resolution FPA, the method of vacuum packaging and the process compatibility of FPA, the inhomogeneous correction and compensation of FPA, the optical readout with high sensitivity and the image data processing. By solving a series of scientific and technical problems, such as the energy transforming efficiency of THz radiation, the broadband response of metamaterial, the energetic design of framed FPA, and the readout light scattering on spectra plane, therefore develop a novel THz imaging technology. This study will break through the limitations of present THz detection technologies based on electronics and photonics and explore a feasible road for high performance THz imaging technology.

项目针对目前太赫兹探测成像技术面临的分辨率低、成像速度慢、动态范围小、探测系统庞大等问题，研究一种基于MEMS焦平面阵列（FPA）技术的THz宽带成像的理论和方法。通过研究THz波的局域理论及其宽带增强吸收结构的设计方法；研究低噪声、高分辨率FPA的设计方法和关键制备工艺；研究FPA的真空封装技术及其封装工艺的兼容性；研究 FPA的非均匀校正与补偿技术；研究FPA的高灵敏度信号读出及其图像处理技术，解决THz辐射的能量转换效率、超材料的宽带电磁响应、框架式FPA的热力学设计、谱平面能量离散分布等科学问题，突破高分辨率FPA的关键制造瓶颈工艺问题，开发出一种独具特色的THz探测成像方法。该研究将突破现有电子学和光子学THz探测技术的局限性，将为高性能THz成像技术的发展探索一条可行之路。

项目针对目前THz成像技术面临的成像速度慢、灵敏度低、体积庞大、需要制冷等阻碍其迈向应用的诸多问题，开展一种微悬臂梁式THz焦平面阵列及其非制冷实时成像技术研究。项目按着研究计划完成了所有研究任务，实现了预期目标，取得的成果包括：.1.深入研究了THz超材料的吸收理论，建立了THz超材料吸收结构（MA）的设计方法和非耦合吸收模型，设计实现了一系列单带、多带和宽带THz MA结构，并在目标频段获得高达0.99的吸收率，吸收率为0.90以上的带宽达到0.82THz。.2.设计了一种新型的THz双材料微悬臂梁焦平面阵列（FPA），通过在微悬臂梁像元正面制备超材料谐振子结构，将SiNx结构层作为MA的介质层，金属镜面作为MA的地线层，成功将THz MA与双材料微悬臂梁像元相集成。该设计同时采用THz入射与可见光读出完全相反的工作方式，避免了衬底带来的能量损失，并简化了设计制备方法。.3.开发出一套利用聚酰亚胺（PI）作为牺牲层制备双材料微悬臂梁FPA的成套工艺，突破了PI牺牲层的成膜和刻蚀、结构释放等关键制备工艺，解决了像元结构应力失配等问题，成功制备出均匀性满足成像要求、包含256×256像素的THz FPA，测得热机械灵敏度为2.7μm/K，响应时间为30ms，系统噪声等效功率为9.6 nW/Hz1/2。.4.开展了高灵敏度的FPA光学读出方法研究，建立了一套光读出式THz成像系统，利用制备的FPA在室温下成功实现频率为3.11 THz高斯光斑、金属扳手、螺母、树叶、蜘蛛等物体的THz主动实时成像，成像质量达到了国际先进水平。同时利用SiNx主结构材料在长波红外的吸收特性，采用THz FPA实现了人体红外的被动成像，为双材料微悬臂梁FPA的多波段探测奠定了基础。.5.开发出一种混合圆片级的封装方法，实现了FPA的混合圆片级真空封装。.6.根据输出图像数据的特点，结合现有的多核处理技术，开展了高信噪比的数字影像处理技术研究。针对阵列像元制造缺陷与非均匀性问题，开展了全息照明/补偿技术技术研究，获得了较好的补偿效果。.7.发表SCI论文14篇、高水平会议论文16篇。.8.申请专利5项，其中一项为PCT专利。.9.培养博士研究生5名，毕业3名；培养硕士研究生3名，毕业2名。.项目的研究成果具有显著创新性，可广泛应用在安检、医学、科学和工业等领域。