高速、高性能傳感芯片在萬物互聯(lián)的智能化時代具有重要作用。近日，南開大學(xué)電子信息與光學(xué)工程學(xué)院現(xiàn)代光學(xué)研究所龔誠副教授、劉偉偉教授團(tuán)隊研發(fā)了一款成本低廉的、能夠用光來實現(xiàn)高靈敏毫米波探測和高速成像的焦平面陣列堆疊芯片。該芯片具有1600個探測單元，實測幀頻144Hz，可探測物質(zhì)的瞬態(tài)結(jié)構(gòu)形貌變化。相關(guān)成果以“堆疊meta-MEMS芯片：用光對毫米波成像（Using light to image millimeter wave based on stacked meta-MEMS chip）”為題，發(fā)表在《光：科學(xué)與應(yīng)用》（Light: Science & Applications）上。

　　提高芯片的性能并降低芯片的成本在未來信息化、智能化時代具有日益重要的作用。焦平面陣列毫米波芯片因其無需掃描、可實時探測、高度集成化的特點，成為芯片行業(yè)研究的熱點，可廣泛應(yīng)用于高頻通信、雷達(dá)制導(dǎo)、透視成像、微波光子等領(lǐng)域。近年來，傳統(tǒng)基于電學(xué)讀出的毫米波焦平面陣列芯片性能已經(jīng)達(dá)到或接近極限，且成本居高不下，因此，有必要探索新的探測機制和芯片設(shè)計方案來突破限制。光具有全并行、超高速、非接觸、低串?dāng)_的性能優(yōu)勢，而堆疊技術(shù)能夠顯著降低芯片的工藝成本。

　　研究團(tuán)隊從光的上述特性中汲取靈感，將超材料（metamaterial）完美吸收技術(shù)同微機電系統(tǒng)（MEMS）高靈敏傳感技術(shù)相結(jié)合，提出了基于光學(xué)的meta-MEMS創(chuàng)新設(shè)計，構(gòu)建了一款高性能且低成本的光學(xué)讀出毫米波焦平面陣列芯片。

圖|堆疊meta-MEMS芯片原理及成像結(jié)果

a,堆疊芯片示意圖. b,堆疊芯片實物圖. c,堆疊芯片陣列示意圖. d,基于堆疊芯片的光學(xué)毫米波成像裝置. e,光讀出毫米波成像結(jié)果.

　　“我們嘗試了一種用光來實現(xiàn)對電磁波進(jìn)行低成本高速探測的方法。”龔誠介紹，該芯片由上芯片和下芯片堆疊而成，上芯片為MEMS微結(jié)構(gòu)功能芯片，能夠吸收毫米波并實現(xiàn)光學(xué)讀出；下芯片為透明基底諧振腔芯片，能夠產(chǎn)生磁諧振輔助毫米波吸收并透過可見光。

　　其中上芯片的厚度小于波長的1/2500，吸收率卻達(dá)到了99%以上。所選擇的毫米波頻段為94GHz，是非常重要的大氣窗口頻段，在6G通信、射電天文、導(dǎo)航制導(dǎo)、無損檢測等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。在超薄尺度效應(yīng)和超高吸收效率的共同作用下，芯片實現(xiàn)了對毫米波的高速、高靈敏、高分辨成像，成像幀頻達(dá)到144Hz，在3.5cm×4.5cm面積內(nèi)集成了1600個探測單元，無透鏡成像的分辨率達(dá)到了1.5mm。

　　團(tuán)隊所提出的基于堆疊策略的光學(xué)meta-MEMS芯片不僅能夠應(yīng)用于毫米波焦平面陣列探測芯片，還可以通過尺寸縮放拓展到其它波段（例如：短波紅外、太赫茲波段等），并能夠通過結(jié)構(gòu)創(chuàng)新同偏振、相位調(diào)控相結(jié)合，構(gòu)建新一代多功能、高性能、低成本探測及調(diào)制芯片，展現(xiàn)了巨大的應(yīng)用潛力。

　　“該技術(shù)體現(xiàn)了光電融合的巨大優(yōu)勢，是微波光子學(xué)領(lǐng)域的新嘗試。利用該技術(shù)，未來我們可以用光來實現(xiàn)對任意電磁波（微波、太赫茲、紅外等）的高速探測、調(diào)制甚至計算。”龔誠說。

　　博士研究生汪涵為本文第一作者，南開大學(xué)龔誠副教授為通訊作者，南開大學(xué)為第一完成單位。本文的合作研究團(tuán)隊為電子科技大學(xué)國家級電磁場與微波技術(shù)重點學(xué)科延波教授、王志剛研究員團(tuán)隊。

　　論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41377-024-01733-6

來源： 南開大學(xué)新聞網(wǎng)