基于MEMS技术的实时非制冷成像系统研究

近年来，超构材料（metamaterial）凭借其超越自然的奇异电磁特性而在科学和工程领域获得了广泛关注。超构材料也被称为人工工程材料，具有在亚波长维度操纵入射电磁辐射的卓越能力，是超宽带通信、超构透镜、热辐射、医学成像、偏振转换和完美吸收等方向的最先进技术。其中，对超构材料完美吸收器应用（从微波到可见光）的广泛研究已经突破了当前系统的极限。

2008年，Landy等人报道了第一款超构材料完美吸收器，研究了一种针对X波段应用的基于电谐振器的吸收器。此后，陆续有报道面向更多应用的吸收平台，包括雷达探测、太阳能收集、测辐射热计、隐身技术、传感和成像等。其中，兼容MEMS或基于MEMS技术制造的吸收超构材料，一直是太赫兹波段传感和成像技术特别关注的焦点。太赫兹相互作用所需要的超构材料单元尺寸为数十个微米量级，因而基于光刻的微制造工艺可以提供高精度。

将超构材料与MEMS热探测器集成，是在给定频带成功实现传感和成像的有效方法。通过控制介电层的厚度和微悬臂像素尺寸（提高灵敏度），可以静态地调谐吸收光谱。还可以在超构材料中激发等离子体波，以最大化传感性能，并控制工作频带。此外，可以使用双材料微悬臂设计中的电互连来实现太赫兹吸收的主动操纵。在电磁吸收过程中，弯曲双材料悬臂进行热传递，从而在成像中产生捕获的图像信号。另一种动态操纵吸收光谱的方法，是施加静电场驱动MEMS悬臂。在所有先前报道的研究中，尽管系统复杂，但它们的传感像素通常使用单个、窄带超构材料响应，这限制了器件的传感能力。

据麦姆斯咨询报道，为了克服当前的局限性，土耳其伊尔迪兹工业大学的研究人员提出了一种五频超构材料吸收器新设计，利用MEMS热机械双材料微悬臂进行驱动。其单元由朝向结构中心对称定位的三角形截面分形超构表面（metasurface）组成。所提出的单元分别在1.1 THz、3.4 THz、4.9 THz、5.9 THz和7.8 THz显示出五频吸收响应。此外，研究人员还展示了双材料微悬臂焦平面阵列（FPA）的多频带像素概念设计。与传统基于单频带FPA传感不同，多频带工作可以提高FPA阵列系统的灵敏度和整体精度。通过组合在不同频率下谐振的分形截面，所提出的超构材料吸收器可以在多个频带上偏转双材料微悬臂梁。所提出的多频带吸收器的分形设计，可用于进一步研究基于MEMS技术的实时非制冷成像系统。

本研究所提出的分形超构材料吸收器（FMMA）设计，（a）三维视图，（b）俯视图，（c）侧视图。

基于FMMA的传感像素，（a）三维视图，（b）双材料传感器的热机械形变图示。

总结来说，该研究对五频分形超构材料吸收器（FMMA）进行了数值研究和展示。基于三个分形交织谐振器的系统组合，所提出的FMMA结构展示了五种接近完美的吸收模式。所有吸收模式在覆盖1.1~7.8 THz区间的工作频带内提供了足够的带宽。

基于多模特性，研究人员提出了用于双材料微悬臂FPA传感的基于FMMA的像素结构概念模型。FMMA像素的表面积为144 μm x 216 μm。在太赫兹辐照下，无需任何片上设计，即可通过光学方法方便地读出FMMA像素的机械形变。

其分形设计共同承载了响应入射太赫兹波的大涡流表面电流，因此磁共振主要控制吸收。所提出的分形吸收器设计可用于进一步研究受限于低灵敏度的双材料微悬臂焦平面阵列（FPA）传感技术，尤其是在安全和医疗领域。

审核编辑：郭婷