螺旋型天线耦合微桥设计提升太赫兹微辐射计性能

摘要

将螺旋型天线耦合至微桥辐射计为将红外辐射计技术拓展至太赫兹 (THz) 领域提供了有力途径。本研究探讨了三种新型天线布局——单线性、双线性和互联线性天线——安装在 25 µm × 25 µm 微桥像素上，以及支撑层上的常规螺旋天线。通过调节旋转角度、线宽和间距，优化了对 2.52 THz 远红外 CO₂ 激光的吸收。双线性天线构型在 2.52 THz 附近提供超过 90% 效率的宽吸收峰，而互联天线设计产生稳定的高吸收响应，简化了制造和集成。这些发现为室温、实时 THz 成像阵列铺平了道路，具有快速热响应和高灵敏度。

研究背景

太赫兹辐射 (0.1–10 THz) 具有独特的光谱特征——宽带宽、低能量穿透和独特的吸收特征——使其在分子光谱、医学诊断和安全成像中极具价值。然而，受限于 THz 源和探测器，该波段潜力未被充分挖掘。超快电子学、激光科学和半导体加工的进步产生了量子级联激光器 (QCLs) 和大功率远红外 CO₂ 激光器，可提供可调谐或高功率 THz 光束。

THz 探测通常依赖基于光子的器件，如 SIS 结和量子阱光导体，虽具高灵敏度和快速响应，但需低温制冷且光谱选择性窄。热光探测器——包括压电元件和微辐射计——可在室温工作并具宽频谱响应，适合大面积焦平面阵列 (FPAs)。然而，常规微辐射计因标准微桥架构针对中红外波长优化，在 THz 波段吸收率低。

增强微辐射计 THz 吸收的途径包括阻抗匹配金属膜、超材料吸收体和天线耦合。天线耦合微辐射计结合工程天线的高吸收与微桥的热灵敏度，性能更优。前人已演示 94 GHz 天线耦合 VOx 辐射计、0.5–1.5 THz 金属氧化物半导体 FET 辐射计，以及 QCL 照明下的实时 2.5 THz 成像。

平面天线易制造，但线型天线因体积小加速加热、降低热时间常数。基于早期 35 µm × 35 µm 像素工作，我们现在提出 25 µm × 25 µm 微桥及三种螺旋型天线变体，增强 THz 吸收并实现 2.52 THz 周围的频率调谐。

结果与讨论

微桥像素如图 1a 所示，包含由两长腿支撑的 20 µm × 20 µm 敏感区。敏感区由 0.4 µm Si₃N₄ 支撑层、70 nm VOx 热敏层和 0.05 µm Al 螺旋天线组成。敏感区下方 0.2 µm NiCr 反射层形成 2 µm 高谐振腔，优化红外吸收同时隔离 THz 加热。螺旋天线限制在 Si₃N₄ 支撑层上 18 µm 直径内。图 1c-e 展示桥腿上三种线性天线构型。

支撑层上的螺旋型天线

我们首先优化支撑层上的标准螺旋天线，变化旋转角度 (360° × n, 0.5 ≤ n ≤ 2.0)、线宽 (w) 和间距 (g)。图 2a 显示 n 从 0.5 增至 0.9 使主吸收峰下移且峰值吸收从 90% 降至 65%。n = 1.6 时峰值对准 2.52 THz，但吸收仅 30%。进一步调节 w 和 g (图 3) 表明增大天线占地面积降低共振频率但吸收效率增益有限。25 µm × 25 µm 像素较小的敏感区限制了最大吸收，不及先前 35 µm × 35 µm 设计。

一侧腿带单个分离线性天线的螺旋型天线

在一侧桥腿插入单线性天线扩大了有效天线面积并引入额外低频共振。n = 1.6、线宽 1 µm 时，将天线端口置于距敏感区 2 µm 内，将两共振合并为以 2.52 THz 为中心的宽峰，在 0.4 THz 带宽内实现 40% 以上吸收 (图 4b)。额外共振由天线-腿界面的电场耦合驱动，能量密度图确认 (图 6c-d)。

双腿带两个分离线性天线的螺旋型天线

双线性天线进一步扩大吸收面积。n = 1.1 时组合结构在较低频率达 90% 以上吸收率 (图 5a)。n = 1.6 时两共振重叠形成更宽、平坦的吸收带围绕 2.52 THz (图 5b)。能量密度分析 (图 6e-f) 显示电场吸收主要沿双腿发生，磁场吸收仍集中在中央螺旋。由此产生的功率损耗分布 (图 6g-h) 限制在敏感区，确保 THz 能量高效转化为 VOx 层温升。

双腿带两个连接线性天线的螺旋型天线

连接双腿上的线性天线产生更紧凑的天线，单金属层同时作为天线和电极引线。图 8 显示线宽从 0.8 µm 变至 1.1 µm 时，在 2.52 THz 处吸收率均超 70%，显示制造容差。能量密度图 (图 9) 揭示中央螺旋主导磁场吸收，线性段主要贡献电场耦合，损耗再次定位在有源区。该构型提供流线型、高集成设计，对热响应影响最小。

热响应考量

热时间常数 τ = C_tot / G_eff 由总热容 C_tot 和有效热导 G_eff 决定。固定桥几何下，C_tot 由天线体积主导。用细长线性元件替代平面天线可减小 C_tot，相比常规双金属层设计实现 τ 缩短 16.3%。该改进直接转化为更快的探测器响应时间，对实时 THz 成像至关重要。

结论

我们系统设计、仿真并优化了四种螺旋型天线构型，用于 2.52 THz 工作的 25 µm × 25 µm 微辐射计像素。在桥腿引入线性天线扩大了有效天线面积，降低共振频率，增强吸收。双线性天线布局提供宽、高效吸收带，而连接天线设计提供稳定高吸收峰且简化制造集成。这些架构有望实现室温 THz FPAs，具快速响应和高灵敏度，推进 THz 成像和传感系统的实用化。

方法

有限元仿真在 CST Microwave Studio 2016 中进行，使用 25 µm × 25 µm 单元胞并沿 x、y 施加周期性边界条件。微桥结构从顶部 (端口 1) 照射，从底部 (端口 2) 透射。提取复数 S 参数，吸收率计算为 A = 1 − |S₂₁|² − |S₁₁|²。材料以真实电导率建模：σ_Al = 3.56 × 10⁷ S/m，σ_NiCr = 1 × 10⁷ S/m，Si₃N₄ 用二阶色散模型 (ε ≈ 2.0, μ = 1)。2 µm 真空腔用 ε = 1 表示。