毫米波具备优异的穿透特性，能够轻松“透视”烟雾、塑料薄膜、衣物等可见光与红外光难以穿透的障碍物。这一特性使毫米波在安检、生物医学、国防军事等领域展现出广阔的应用前景。然而，传统的毫米波成像设备通常基于“电磁波-电信号”转换机制，像素单元需要借助导线连接，信号也需要通过导线引出，并且其布线复杂度和设计难度会随着阵列规模的增大而显著增加。
据麦姆斯咨询报道，近期，南开大学和电子科技大学的研究团队通过结合超构材料（metamaterial）和微机电系统（MEMS）的优势，构建出一种超薄、高性能的94 GHz堆叠式meta-MEMS阵列芯片，利用可见光实现了毫米波成像。与传统基于接收阵列的电读出毫米波成像设备以及大多数超构材料增强型毫米波成像组件不同，meta-MEMS芯片基于光读出方法，能够完美吸收电磁波，将其高效转化为机械能，并驱动光学微反射镜阵列高速运动，进而实现精准探测与成像。相关研究成果以“Using light to image millimeter wave based on stacked meta-MEMS chip”为题发表在Light: Science & Applications期刊上。
在这项研究工作中，研究人员聚焦毫米波成像，提出一种堆叠式meta-MEMS芯片。该芯片采用上下芯片分离后堆叠的独特设计，实现了“介质-谐振-空气-接地”结构：上层芯片包含介质层与超构材料谐振层，构成MEMS悬臂结构与微反射镜阵列；下层芯片包含空气层与接地层。这种设计能够大幅降低超构材料与MEMS结构的厚度，并显著提升毫米波成像的性能。
图1 堆叠式meta-MEMS芯片原理图
图2 堆叠式meta-MEMS芯片照片
为了验证该设计的可行性，研究人员制备了94 GHz的meta-MEMS焦平面阵列芯片，其中超构材料与MEMS结构的总厚度仅为1.2 µm，约为工作波长的1/2500，像素单元尺寸为984 × 716 µm，小于工作波长的1/3。通过对吸收光谱的测量发现，在94 GHz的频率下，该芯片的吸收率高达99.8%。此外，研究人员构建了光学读出模块，对该芯片的毫米波成像性能进行测试，结果表明，其响应速度可达144 Hz，无透镜成像分辨率为1.5 mm。
图3 光谱吸收测量实验
图4 毫米波成像系统
图5 毫米波成像实验
图6 响应时间测试实验
综上所述，这项研究工作提出一种创新的堆叠式meta-MEMS芯片，该芯片能够完美吸收电磁波，并将其转化为机械能，以驱动光学微反射镜阵列运动，从而实现毫米波检测与成像。未来，随着芯片结构设计的优化和制备工艺的改进，meta-MEMS芯片的灵敏度和响应速度将会进一步提升。这项研究所采用的设计思路和成像方法，有望成为极具前景的先进技术平台，广泛应用于毫米波探测和成像等领域。
论文信息：
https://doi.org/10.1038/s41377-024-01733-6
