专利名称：一种太赫兹成像系统的探测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及太赫兹(THz)电磁波的应用技术领域，特别涉及一种利用微机电系统 (Micro-Electro-Mechanical Systems,MEMS)工艺制备的可单片集成的太赫兹实时成像系 统的探测装置及其方法。
背景技术：
太赫兹(THz)电磁波是指频率在0.广IOTHz (波长为3000_30m)范围内的电磁波。 它在长波段与毫米波重合，而在短波段与红外线重合。是介于毫米波与红外光之间相当宽 范围的电磁辐射区域。THz电磁波在很多基础研究领域、工业应用及军事应用领域有相当重 要的应用。THz电磁波在十九世纪二十年代已经引起了科学家的兴趣，但在二十世纪九十 年代以前，由于缺乏有效的THz辐射源及检测技术，科学家对THz电磁波的电磁辐射性质的 了解非常有限，以致该波段被称为电磁波谱中的THz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。近年来由于自由电子激光器和超快技术的发展，为THz 脉冲的产生提供了稳定、可靠的激发光源，使THz辐射的产生机理、检测术和应用技术的研 究得到蓬勃发展。如王玥，基于碳纳米管的太赫兹波天线研究[M].西安西安理工大学， 2008(参考文献1)。THz技术在物体成像、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。THz技术在最近10年得 到迅猛发展，并且在一些应用领域崭露头角。如屈光辉，光电导体中瞬态空间电荷电场对 光电导开关及THz光电导偶极天线的影响[M].西安西安理工大学，2004(参考文献2)。随着近十几年来的研究，国际科技界公认，THz科学技术是一个非常重要的交叉前 沿领域。由于THz的频率很高，所以其空间分辨率很高。又由于脉冲很短(飞秒)，THz辐 射具有很高的时间分辨率。THz成像技术及THz波谱技术就构成了 THz应用的两个主要关 键技术。另一方面，THz的能量很小，不会对物质产生破坏作用，所以与X射线相比，它又有 大的优势。国际上对THz有以下几点共识THz辐射是一种新的、有很多独特优点的辐射源； THz技术为科学技术的创新、国民经济发展和国家安全等方面提供了一个非常诱人的机遇。MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems)是微机电系统的缩写。MEMS 是一种 全新的必须同时考虑多种物理场混合作用的研发领域，相对于传统的机械，它们的尺寸更 小，最大的不超过一个厘米，甚至仅仅为几个微米，其厚度就更加微小。采用以硅为主的材 料，电气性能优良，硅材料的强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度与铝类似，热传导率接近 钼和钨。采用与集成电路(IC)类似的生成技术，可大量利用IC生产中的成熟技术、工艺， 进行大批量、低成本生产，使性价比相对于传统“机械”制造技术大幅度提高。THz波段电子学和光子学的交界处，与其它波段的电磁波相比，THz电磁波具有如 下特点(I)THz波的波长处于毫米波和红外线之间，他能够深入到许多有机材料内部而不 伤害材料，这就使THz成像技术非常适合用来做生物样品检测和安全检测。0)ΤΗζ波段中 包含了大多数分子的转动或振动能阶，这使许多有机分子在THz波段内具有特征谱。因此，可以通过THz谱线特征有效地识别有机分子，这在遥感、医药成分检测、安全检测等领域应 用中具有独特优势。目前THz成像技术虽然有了很大发展，但缺乏实时快速的THz成像系 统一直是限制其应用的最主要因素。如采用飞秒激光脉冲激发成像的THz成像系统，经常 采用电光取样或光导天线接收THz信号，需要对目标物体进行点点扫描，获得一幅图像的 时间通常需要小时量级。如汪伟何金龙洪治，“具有谱特征的太赫兹快速成像装置及其方 法”，中国计量学院，公开号CN 1940542A，2007年(参考专利1)。
发明内容
本发明提供一种利用MEMS工艺制备的可单片集成的THz实时成像系统的探测装 置。与其它探测装置(参考专利1)相比，本发明采用MEMS工艺制作，体积小、结构简单、成 本低、灵敏度高、能够单片集成；本发明是二维结构，具有多个像素单元，无需点点扫描，成 像速度快，实用价值高。本发明通过这样的技术方案解决上述的技术问题本发明提供一种太赫兹成像系统的探测装置，其是用微机电系统工艺制备的可单 片集成的太赫兹成像系统的探测装置，该太赫兹成像系统的探测装置的像素单元由H面扇 形喇叭天线阵列组成，天线阵列的基本单元是一种喇叭天线，这种喇叭天线是由波导喇叭 体和与之制成一体的矩形波导馈线两部分组成，所述矩形波导馈线用于传输接收的太赫兹 信号，波导喇叭体用于接收太赫兹信号。作为本发明的进一步改进，该太赫兹喇叭天线由波导喇叭体和与之制成一体的矩 形波导馈线两部分组成，其中波导喇叭体由矩形波导沿宽边逐渐展开而成，而波导的窄边 长度则保持不变，是一个金属做的空心角锥型喇叭，该波导喇叭体利用微机电系统工艺的 纳米尺度应力弓I入技术调整金属片的形状生成。作为本发明的进一步改进，该太赫兹喇叭天线的波导喇叭体的宽面为垂直于矩形 波导馈线截面的等腰梯形，与矩形波导馈线相连的边为梯形的短边；波导喇叭体的窄面为 平行于梯形的腰的矩形。作为本发明的进一步改进，该太赫兹喇叭天线的矩形波导馈线由空心的矩形金属 管构成，是一段金属矩形波导，该矩形波导馈线利用微机电系统工艺在衬底上刻蚀出穿透 衬底的矩形空腔，并在腔壁镀金属生成。作为本发明的进一步改进，该像素单元是由所述的喇叭天线组成的天线阵列以提
高增益ο作为本发明的进一步改进，该装置是由根据成像系统要求的mXn像素单元阵列 组成。作为本发明的进一步改进，该装置是利用微机电系统工艺制作在基片上的，所述 波导喇叭体制作在基片的正面，所述矩形波导馈线制作在基片的内部，探测装置通过波导 喇叭体接收到太赫兹信号，通过矩形波导馈线传输太赫兹信号，接收到的太赫兹信号通过 基片背面的矩形波导端口进入成像系统。本发明是在详细分析THz波段电磁辐射性质的基础上，克服现有技术的不足，提 出了一种新的THz成像系统的探测装置的设计、制备方法。和目前已有的THz成像系统的 探测装置(参考专利1)相比，本发明采用MEMS工艺制作，体积小、结构简单、成本低、灵敏度高、能够单片集成；本发明是二维结构，具有多个像素单元。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。图1为在HFSS中建立的THz喇叭天线阵列模型。图2为一个3X3的THz成像系统的探测装置示意图，该探测装置接收到的THz信 号通过背面的接口进入成像系统。图3为在HFSS中建立的THz喇叭天线阵列的基本单元模型。图4为THz喇叭天线阵列输入端S参数。图5为THz喇叭天线阵列输入端电压驻波比。图6为THz喇叭天线阵列x-z平面的仿真辐射方向图。图7为THz喇叭天线阵列y-ζ平面的仿真辐射方向图。图8为THz喇叭天线阵列的三维仿真辐射方向图。图 2 中I-THz成像系统的像素单元，此像素单元由H面扇形喇叭天线阵列组成
具体实施例方式以下解释本发明的技术原理。本发明所开发的THz成像系统的探测装置是一种二维结构，包含多个像素单元， 探测装置的每个像素单元由一种H面扇形喇叭天线阵列构成，如附图1所示。附图2中给出了一个由3X3像素单元组成的探测装置示意图。天线阵列的基本单元是一种喇叭天线，如附图3所示，这种喇叭天线是由矩形波 导馈线和与之制成一体的截面由矩形波导的H平面(即波导的宽边)逐渐展开而成的波导 喇叭体两部分组成。所述矩形波导馈线用于传输探测单元接收的THz信号；波导喇叭体用 于接收THz信号。为了进一步实现本发明的目的，所述波导喇叭体由矩形波导沿宽边逐渐展开而 成，而波导的窄边长度则保持不变，是一个金属做的空心角锥型喇叭，该波导喇叭体利用 MEMS工艺的FIB纳米尺度应力引入技术调整金属片的形状生成。所述波导喇叭体的宽面为垂直于矩形波导馈线截面的等腰梯形，与矩形波导馈线 相连的边为梯形的短边；波导喇叭体的窄面为平行于梯形的腰的矩形。所述矩形波导馈线由空心的矩形金属管构成，是一段金属矩形波导，该矩形波导 馈线利用MEMS工艺在衬底上刻蚀出穿透衬底的矩形空腔，并在腔壁镀金属生成。所述像素单元由H面扇形喇叭天线组成的天线阵列以提高增益，这样可以提高采 集到的THz信号的信噪比，生成更加清晰的图像。所述像素单元根据成像系统的需要，可以组成mXn阵列，像素单元之间的距离由 成像系统的分辨率决定，成像时可以一次采集mXn点像素的信号，大大缩短成像所需的时 间。如果一次采集到的信号信噪比不够，可以通过多采集几次求平均的方法生成更加清晰 的图像。所述THz成像系统的探测装置是利用MEMS工艺制作在基片上的，所述波导喇叭体制作在基片的正面，所述矩形波导馈线制作在基片的内部，探测装置通过波导喇叭体接收 到THz信号，通过矩形波导馈线传输THz信号，接收到的THz信号通过基片背面的矩形波导 端口进入成像系统。案例分析为了证明本发明的可行性，我们对本发明所开发的THz成像系统的探 测装置进行了验证。采用Ansoft公司的HFSS三维电磁场仿真软件对本发明所开发的THz成像系 统的像素单元进行仿真。作为特例，像素单元的天线阵列采用2X2的四个天线。先在 HFSS中建立一个2X2的H面扇形喇叭天线阵列模型，矩形波导馈线的口径尺寸为aXb =230μπιΧ100μπι，波导喇叭体的高度为400μπι，波导喇叭体的口径尺寸为D1XD2 = ；34(^111\10(^111，单元间距(1 = 40(^111。将H面扇形喇叭天线底端的矩形波导馈线端口设 为探测单元与成像系统相连接的端口，在2ΤΗζ的频率下对H面扇形喇叭天线阵列的辐射性 能进行仿真，并观察天线阵列在1ΤΗζ-3ΤΗζ频率范围内的输入输出性能。仿真结果如图4-图8所示。图4为THz喇叭天线阵列输入端S参数的仿真结果，在2ΤΗζ处回波损耗大约 为-28dB。图5为THz喇叭天线阵列输入端电压驻波比的仿真结果，在2THz处VSWR大约为 1. 1，表示探测单元阵列阻抗匹配良好。图6为THz喇叭天线阵列x-z平面的仿真辐射方向图的仿真结果，在主辐射方向 上探测单元阵列的最大增益为13dB。图7为THz喇叭天线阵列y-ζ平面的仿真辐射方向图的仿真结果，在主辐射方向 上探测单元阵列的最大增益为13dB。图8为THz喇叭天线阵列的三维仿真辐射方向图的仿真结果。由于天线阵列的辐射和接收能力是互易的，所以通过以上结果可知，本发明所开 发的THz成像系统的探测装置在2THz频率下接收THz信号的性能良好，传输到成像系统生 成清晰的图像。本发明公开的探测装置是二维结构，具有多个像素单元，成像时无需点点扫 描，成像速度快。THz成像系统的探测装置采用MEMS工艺加工制备，其基本单元是一种H面扇形喇 叭天线，其中波导喇叭体利用MEMS工艺的纳米尺度应力引入技术调整金属片的形状生成， 而矩形波导馈线利用MEMS工艺在衬底上刻蚀出矩形空腔，并在腔壁镀金属生成。像素单元由喇叭天线组成的天线阵列以提高增益。探测装置根据成像系统的需 要，将像素单元组成mXn阵列，像素单元之间的距离由成像系统的分辨率决定。制成的THz成像系统的探测装置通过矩形波导与成像系统相连接。探测装置制作 在MEMS工艺的基片上，波导喇叭体制作在基片的正面，矩形波导馈线制作在基片的内部， 探测装置通过波导喇叭体接收到THz信号，通过矩形波导馈线传输THz信号，接收到的THz 信号通过基片背面的矩形波导端口进入成像系统。
权利要求
1.一种太赫兹成像系统的探测装置，其是用微机电系统工艺制备的可单片集成的太赫 兹成像系统的探测装置，其特征在于，该太赫兹成像系统的探测装置的像素单元由H面扇 形喇叭天线阵列组成，天线阵列的基本单元是一种喇叭天线，这种喇叭天线是由波导喇叭 体和与之制成一体的矩形波导馈线两部分组成，所述矩形波导馈线用于传输接收的太赫兹 信号，波导喇叭体用于接收太赫兹信号。
2.根据权利要求1所述的太赫兹成像系统的探测装置，其特征在于，该太赫兹喇叭天 线由波导喇叭体和与之制成一体的矩形波导馈线两部分组成，其中波导喇叭体由矩形波导 沿宽边逐渐展开而成，而波导的窄边长度则保持不变，是一个金属做的空心角锥型喇叭，该 波导喇叭体利用微机电系统工艺的纳米尺度应力引入技术调整金属片的形状生成。
3.根据权利要求1所述的太赫兹成像系统的探测装置，其特征在于，该太赫兹喇叭天 线的波导喇叭体的宽面为垂直于矩形波导馈线截面的等腰梯形，与矩形波导馈线相连的边 为梯形的短边；波导喇叭体的窄面为平行于梯形的腰的矩形。
4.根据权利要求1所述的太赫兹成像系统的探测装置，其特征在于，该太赫兹喇叭天 线的矩形波导馈线由空心的矩形金属管构成，是一段金属矩形波导，该矩形波导馈线利用 微机电系统工艺在衬底上刻蚀出穿透衬底的矩形空腔，并在腔壁镀金属生成。
5.根据权利要求1所述的太赫兹成像系统的探测装置，其特征在于，该像素单元是由 所述的喇叭天线组成的天线阵列以提高增益。
6.根据权利要求1所述的的太赫兹成像系统的探测装置，其特征在于，该装置是由根 据成像系统要求的mXn像素单元阵列组成。
7.根据权利要求1所述的太赫兹成像系统的探测装置，其特征在于，该装置是利用微 机电系统工艺制作在基片上的，所述波导喇叭体制作在基片的正面，所述矩形波导馈线制 作在基片的内部，探测装置通过波导喇叭体接收到太赫兹信号，通过矩形波导馈线传输太 赫兹信号，接收到的太赫兹信号通过基片背面的矩形波导端口进入成像系统。
全文摘要
本发明公开了一种太赫兹成像系统的探测装置。该太赫兹成像系统的探测装置的像素单元是一种H面扇形喇叭天线阵列，天线阵列的基本单元是一种喇叭天线，这种喇叭天线是由矩形波导馈线和与之制成一体的截面由矩形波导的H平面(即波导的宽边)逐渐展开而成的波导喇叭体两部分组成，波导喇叭体由矩形波导沿宽边逐渐展开而成，是一个金属做的空心角锥型喇叭，矩形波导馈线由空心的矩形金属管构成。矩形波导馈线用于传输像素单元接收的THz信号；波导喇叭体用于接收THz信号。本发明给出的探测装置可以应用于工作在太赫兹波段的成像系统。
文档编号H01Q21/00GK102128841SQ20101002276
公开日2011年7月20日 申请日期2010年1月13日 优先权日2010年1月13日
发明者唐旭升, 姜楠, 郭林, 黄风义 申请人:东南大学, 爱斯泰克(上海)高频通讯技术有限公司