基于像素化微悬臂焦平面阵列的太赫兹指纹生化传感成像技术

《Sensors and Actuators B: Chemical》：Imaging-based terahertz fingerprint biochemical sensing with pixelated thermomechanical microcantilever focal plane array

本文提出了一种基于5×5像素化双材料微悬臂焦平面阵列（FPA）的无光谱仪太赫兹指纹传感新技术。通过25个具有特定谐振频率（2-3.95 THz）的超构材料吸收体（MA）实现多通道探测，结合可见光读出系统将太赫兹光谱特征转化为灰度图像。该传感器具有1.44 deg/K的热机械灵敏度和72.1 pW/Hz1/2的噪声等效功率（NEP），成功实现了对L-谷氨酰胺（2.52 THz）和鸟嘌呤（3.11 THz）的指纹识别，为太赫兹光谱设备微型化开辟了新路径。

　　

^章节亮点

^引言

太赫兹波通常定义为频率范围在0.1~10 THz的电磁辐射，对应波长范围3000~30 μm，填补了微波和红外区域之间的电磁频谱空白[1, 2]。这种中间光谱位置赋予太赫兹波一系列独特性质，使其在科学研究和工业应用中极具潜力[3, 4]。太赫兹的低光子能量（~meV，非电离）[5]特性...

^{设计与原理}

焦平面阵列（FPA）由双材料微悬臂超分子阵列构成，超分子详细结构如图1(a)所示。每个超分子包含超构材料吸收体（MA）、一对双材料支撑腿和一对热隔离腿，整体结构锚定在透明玻璃基底上。采用三明治结构的MA（顶部Au谐振器、中间SiN_x介电层和底部Au衬底）是实现太赫兹吸收的关键组件...

^{器件制备与实验设置}

所设计的太赫兹指纹传感器采用聚酰亚胺（PI）牺牲层工艺制备，流程如图3(a)所示。首先在525 μm厚透明玻璃基底上旋涂1.8 μm厚PI牺牲层，并在高温N₂氛围中固化。随后溅射100 nm/20 nm厚的Au/Ti层（Ti层用于增强Au与SiN_x层粘附性），通过湿法刻蚀图形化形成底部电极...

^{结果与讨论}

实验测量了像素阵列中（第2行第3列）和（第3行第5列）两个代表性频率像素（2.52 THz和3.11 THz）的实际吸收光谱（图5a、b）。结果表明每个像素在其设计目标频率附近均呈现明显吸收峰，峰值吸收率均达71%左右。优异的吸收性能...

^结论

本文提出了一种基于像素化微悬臂FPA的新型太赫兹指纹传感技术，该器件采用玻璃晶圆上的PI牺牲层工艺制备。FPA中每个微悬臂超分子包含MA、双材料支撑腿、热隔离腿和锚点。整个器件由5×5像素阵列构成，每个像素集成具有独特谐振器的MA，使各像素能在特定频率工作...