[发明专利]基于超表面与隧道磁电阻的太赫兹探测器及系统

说明书

本发明一种基于超表面与隧道磁电阻的太赫兹探测器及系统，属于电子器件技术领域；包括吸波模块、形变模块、磁性探测模块、读出模块和基座，所述基座位于底部作为承载件，各模块设置于基座上；太赫兹波照射到吸波模块上，通过吸波模块将太赫兹波的电磁能量转化为热能产生热功率；通过所述形变模块将吸波模块的热功率转化为空间位移；通过所述磁性探测模块将吸波模块的空间位移转化为磁电阻值；通过所述读出模块读出磁电阻变化值，完成探测功能。本发明在太赫兹波段可实现两倍于氧化钒薄膜的吸收率，并针对特定频率实现频率选择性吸收；本发明所述探测器采用磁场探测的方式读出响应信号，能够减少热噪声，降低结构复杂度。

技术领域

本发明属于电子器件技术领域，具体涉及一种基于超表面与隧道磁电阻的太赫兹探测器及系统。

背景技术

太赫兹波在电磁波谱中介于毫米波和红外波段之间，频率范围为0.1-10THz，波长位于0.03mm-3mm之间，由于其独特的波段，有关太赫兹技术的研究属于电子学与光子学交叉领域。长期以来，由于制备工艺等技术的欠缺，无法产生有效的太赫兹信号，有关太赫兹波段的研究较少，人们也将太赫兹波称为电磁波谱中的“太赫兹间隙”。近年来随着半导体工艺的发展，太赫兹逐步成为科学研究的热点，在无损检测、医学影像、下一代移动通信、安全检测等领域展现出广阔的应用前景。

太赫兹探测技术是太赫兹技术的研究热点之一，作为太赫兹成像技术的核心技术，太赫兹探测技术较之传统的红外探测、微波探测都有着明显的优势。在全天候探测方面，太赫兹波穿透性强于红外光和可见光，可以穿透烟雾、沙尘等，具有更强的环境适应性。在安全性方面，太赫兹波的电子能量远低于X光，不会对生物造成电离伤害。在成像分辨率方面，太赫兹波的波长小于微波，可获得更为清晰的图像，且实现较高的成像帧率。

太赫兹探测器接收太赫兹辐射并输出响应信号，完成探测功能。现有的探测器采用氧化钒薄膜及1/4波长谐振腔进行太赫兹波吸收，且需要热敏电路进行信号读出。这种结构的探测器对太赫兹波的吸收率较低，且无法实现频率选择性吸收；而热敏读出电路则会引入额外的热噪声，并大幅增加结构复杂度，导致探测器成本上升。

发明内容

要解决的技术问题：

为了避免现有技术的不足之处，本发明提供一种基于超表面与隧道磁电阻的太赫兹探测器，在太赫兹波段可实现两倍于氧化钒薄膜的吸收率，并针对特定频率实现频率选择性吸收；本发明所述探测器采用磁场探测的方式读出响应信号，能够减少热噪声，降低结构复杂度。同时，本发明探测器工作在室温下，无需制冷设备，便于实现设备的小型化；该探测器可基于半导体工艺进行制备，具有构成大规模阵列的能力，可在太赫兹实时成像系统中发挥巨大作用。针对现有太赫兹探测技术存在的问题，重点改善或解决的问题为：1)将探测器在特定太赫兹频段内的吸收率提升至90％以上；2)实现室温(293K)下探测，无需额外的制冷设备；3)结构设计可满足制备大规模阵列的需求；4)响应时间较快，满足视频级实时成像需求。

本发明的技术方案是：一种基于超表面与隧道磁电阻的太赫兹探测器，包括吸波模块、形变模块、磁性探测模块、读出模块和基座，所述基座位于底部作为承载件，各模块设置于基座上；

太赫兹波照射到吸波模块上，通过吸波模块将太赫兹波的电磁能量转化为热能产生热功率；通过所述形变模块将吸波模块的热功率转化为空间位移；通过所述磁性探测模块将吸波模块的空间位移转化为磁电阻值；通过所述读出模块读出磁电阻变化值，完成探测功能。

本发明的进一步技术方案是：所述吸波模块采用电磁超表面结构。

本发明的进一步技术方案是：所述超表面结构是由若干方形超表面单元按照特定间距进行重复的二维平面周期性结构，方形超表面单元呈金属-介质-金属式的三明治型排布结构；其中，金属层为金，介质层为Si₃N₄，Si₃N₄在目标波段3.4THz处的相对介电常数为9.7。