室温太赫兹焦平面探测器及测试验证成像的研究

室温太赫兹焦平面探测器及测试验证成像的研究太赫兹波是频率为0.1~10 THz,波长30μm~3 mm的电磁波,具有穿透性、宽带性、惧水性、低能性及光谱识别等优点,在安全监测、
生物医疗、爆炸物探测、频谱分析等民用领域以及航天-航空飞行器
无损检测、军用通讯等军事领域有着广阔的发展前景。

太赫兹技术受到各国高度重视,被美国、日本等发达国家视为未来世界发展最重要
的技术。

近20年来,随着太赫兹技术的高速发展,人们对于探测技术
及探测器性能的要求也越来越高,为满足此要求,开展室温太赫兹探
测器及其测试验证成像的研究十分必要。

本论文以太赫兹微测辐射热计探测单元结构优化、太赫兹微测辐射热计光学与力学仿真、太赫兹波吸收增强、太赫兹探测单元及探测阵列测试、太赫兹波探测成像验证等为主要研究内容,突破了太赫兹波的增强吸收、太赫兹探测单元
及探测器测试、太赫兹成像验证等关键技术,采用MEMS工艺制备了基于氧化钒(VOX)微测辐射热计太赫兹波探测阵列,通过金属杜瓦真空
封装制作了320×240室温太赫兹探测器,搭建了相关测试系统,并研
制了室温太赫兹波探测成像系统,验证了室温太赫兹波探测的可行性。

本论文的主要研究成果如下:1.建立了太赫兹微测辐射热计光学、金
属吸收以及力学性能的机理模型,进行了光学、金属吸收和力学的仿真。

光学仿真采用光学导纳法,仿真结果表明谐振腔高度显著影响太
赫兹波吸收,增加光学谐振腔高度可以提高太赫兹辐射吸收率;金属
吸收仿真采用空气/金属膜/支撑层/空气结构模型,仿真结果表明金
属薄膜电导率和厚度决定着金属薄膜对太赫兹波的吸收率,对选定的
金属薄膜可通过优化其厚度来获得最大太赫兹波吸收率。

力学仿真采用IntelliSuite软件进行有限元分析,基于实验设计(DOE)正交法,
研究了残余应力对微桥形变的影响,力学仿真结果表明,在支撑层、钝化层、电极层、热敏层、吸收层应力分别为+200 MPa、+200MPa、+200MPa、0MPa、-400MPa的最佳应力组合时,可获得微桥单元最小形变0.0385μm,相关仿真为器件制备提供了可靠的依据。

2.针对传统的微测辐射热计对太赫兹波吸收率低等问题,在微桥结构顶层设计了NiCr薄膜
作为太赫兹辐射吸收层,增强了微测辐射热计对太赫兹波的吸收,同
时采用反应离子刻蚀技术,对吸收薄膜NiCr进行减薄的同时增大其
比表面积,进一步增强太赫兹波吸收;发明了一种高谐振腔微桥结构
的制备方法,增加太赫兹微桥单元谐振腔高度,增强探测单元在太赫
兹波段附近的吸收。

3.制备了微测辐射热计探测单元,完成了基于微
测辐射热计太赫兹探测器封装,制作出了320×240阵列室温太赫兹
探测器。

4.对太赫兹微测辐射热计单元以及器件测试方法和原理进行了研究,采用高功率太赫兹激光器作为辐射源,搭建了太赫兹探测单
元以及太赫兹探测器测试系统,测试结果表明,探测单元噪声等效功
率(NEP)优于140.98pW/Hz1/2,平均响应时间达到4.96ms。

对封装完
成的太赫兹器件进行性能测试,器件RMS噪声为615μV,NEP为
144.3pW/Hz1/2。

5.研制了320×240室温太赫兹焦平面探测成像验证系统,系统由太赫兹辐射源、光学系统以及探测系统组成。

设计了FPGA 单片集成的探测系统硬件架构,能够实时成像。

针对微测辐射热计太
赫兹图像特点,提出了一种基于牛顿插值的盲元算法,能有效地恢复
图像在盲元点的细节信息;通过对比传统图像增强算法的优缺点,提出一种基于权值分配的图像增强方法,克服了由于目标图像动态范围变化而导致拉伸畸变的问题。

对信封中的回形针、纸币中的水印、树叶的含水量等的透射式成像,验证了太赫兹成像的可行性,为太赫兹技术的实际应用打下了坚实的基础。