基于SOI MEMS悬臂梁谐振器的非制冷太赫兹测辐射热计
2025-07-09 10:18:10 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
日本东京农工大学的研究人员开发出一种采用SOI MEMS悬臂梁谐振器、压阻式读出的非制冷、宽带、高灵敏度太赫兹测辐射热计。
太赫兹（THz）探测器是太赫兹技术应用的重要组件。基于MEMS谐振器的探测器凭借高灵敏度、快速响应和室温工作能力而引起了广泛兴趣。这些探测器通常由一个作为谐振元件的MEMS机械结构组成，通过观测其谐振频率或振荡幅度的变化来检测入射光。已有研究表明，各种几何形状的MEMS/NEMS谐振器，例如膜片、悬臂梁或跳板等，可以作为灵敏且快速的太赫兹或红外传感器，但在灵敏度和响应时间之间需要权衡。
为了与CMOS电路无缝集成，实现探测器阵列的低成本、大规模生产，CMOS兼容的硅基MEMS探测器非常理想。已有研究报道了采用单晶绝缘体上硅（SOI）MEMS谐振器结构来实现非制冷太赫兹热探测器。由于谐振频率对内部热应变非常敏感，双悬臂梁结构有望实现更高的探测灵敏度。对于低成本、紧凑型太赫兹传感应用，MEMS测辐射热计需要全电驱动和读出方法。
据麦姆斯咨询介绍，日本东京农工大学的研究人员开发出一种采用SOI MEMS悬臂梁谐振器、压阻式读出的非制冷、宽带、高灵敏度太赫兹测辐射热计。该研究成果已经以“Uncooled, broadband terahertz bolometers using SOI MEMS beam resonators with piezoresistive readout”为题发表于Microsystems & Nanoengineering期刊。
该研究采用高电阻率SOI晶圆制作了不同尺寸的双端固定MEMS悬臂梁谐振器。当外部热量施加到MEMS悬臂梁上时，由于悬臂梁的热应变，谐振频率发生偏移，显示出高达149 W⁻¹的热响应度。其SOI MEMS谐振器对200 μm长的MEMS悬臂梁，表现出约88 μs的热响应时间，这比GaAs MEMS探测器快3倍以上。
SOI MEMS谐振器的制造和表征
SOI MEMS谐振器的热响应动力学
此外，通过利用硅的压阻效应实现了MEMS振动的电读出。压阻式读出提供了与使用激光多普勒测振仪（LDV）光学检测方案相当的高信噪比，具有2.7 mHz/√Hz的低频噪声密度，进而为器件提供了约36 pW/√Hz的噪声等效功率（NEP）。通过FTIR光谱仪的黑体太赫兹源照射置于MEMS悬臂梁表面的NiCr太赫兹吸收器，测量了SOI MEMS测辐射热计的太赫兹响应。初步结果表明，该SOI MEMS测辐射热计在1–10 THz范围内具有宽带太赫兹响应，突出了其在宽带太赫兹光谱学方面的应用潜力。
采用压阻读出的SOI MEMS谐振器的制造与表征
光学测量设置和太赫兹响应比较
未来展望
为了推动SOI MEMS测辐射热计走向实际应用，进行实际性能验证至关重要。由于器件运行依赖于晶体硅的机械特性，可以预期其性能高度稳定。在实用场景中展示快速太赫兹光谱和成像将是下一步的关键。目前，由于压阻读出电路中的工作电流，该器件功耗在毫瓦量级。虽然这对单个探测器来说是可接受的，但对于集成到大规模探测器阵列中，其功耗仍然不够低。降低功耗的一种潜在方法是提高压阻的电阻。例如，使用一个100 kΩ的压阻和10 μA的检测电流可将功耗降低至~10 μW。然而，提高电阻也会增加Johnson–Nyquist噪声，需要仔细优化以平衡功耗和读出灵敏度。
此外，MEMS测辐射热计通常需要在灵敏度和响应速度之间权衡，然而，减小器件尺寸可以帮助缓解这一限制。在该器件中，10 μm宽悬臂梁表现出比30 μm宽悬臂梁更高的响应率和NEP，而不会牺牲热响应时间。这表明进一步缩小到亚微米尺寸可以实现灵敏度更高的NEMS测辐射热计，其NEP有望达到几pW/√Hz甚至亚pW/√Hz。然而，减小器件尺寸也会带来挑战。大多数现有NEMS器件依赖于光学读出，尽管其灵敏度高，但对紧凑集成提出了挑战。相比之下，这里展示的压阻读出具有良好的可扩展性和CMOS兼容性，更适合基于硅的集成NEMS系统。另一个挑战是NEMS尺度探测器吸收面积有限。然而，基于超构材料的三维太赫兹吸收器可以根据波长而不是物理尺寸提供有效的吸收面积，为紧凑、快速、高灵敏太赫兹NEMS测辐射热计提供了一条有前景的途径。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41378-025-00996-2
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