南开新闻网讯（通讯员 张艳）高速、高性能传感芯片在万物互联的智能化时代具有重要作用。近日，南开大学电子信息与光学工程学院现代光学研究所龚诚副教授、刘伟伟教授团队研发了一款成本低廉的、能够用光来实现高灵敏毫米波探测和高速成像的焦平面阵列堆叠芯片。该芯片具有1600个探测单元，实测帧频144Hz，可探测物质的瞬态结构形貌变化。相关成果以“堆叠meta-MEMS芯片：用光对毫米波成像（Using light to image millimeter wave based on stacked meta-MEMS chip）”为题，发表在《光：科学与应用》（Light: Science & Applications）上。
提高芯片的性能并降低芯片的成本在未来信息化、智能化时代具有日益重要的作用。焦平面阵列毫米波芯片因其无需扫描、可实时探测、高度集成化的特点，成为芯片行业研究的热点，可广泛应用于高频通信、雷达制导、透视成像、微波光子等领域。近年来，传统基于电学读出的毫米波焦平面阵列芯片性能已经达到或接近极限，且成本居高不下，因此，有必要探索新的探测机制和芯片设计方案来突破限制。光具有全并行、超高速、非接触、低串扰的性能优势，而堆叠技术能够显著降低芯片的工艺成本。
研究团队从光的上述特性中汲取灵感，将超材料（metamaterial）完美吸收技术同微机电系统（MEMS）高灵敏传感技术相结合，提出了基于光学的meta-MEMS创新设计，构建了一款高性能且低成本的光学读出毫米波焦平面阵列芯片。
图|堆叠meta-MEMS芯片原理及成像结果
a,堆叠芯片示意图. b,堆叠芯片实物图. c,堆叠芯片阵列示意图. d,基于堆叠芯片的光学毫米波成像装置. e,光读出毫米波成像结果.
“我们尝试了一种用光来实现对电磁波进行低成本高速探测的方法。”龚诚介绍，该芯片由上芯片和下芯片堆叠而成，上芯片为MEMS微结构功能芯片，能够吸收毫米波并实现光学读出；下芯片为透明基底谐振腔芯片，能够产生磁谐振辅助毫米波吸收并透过可见光。
其中上芯片的厚度小于波长的1/2500，吸收率却达到了99%以上。所选择的毫米波频段为94GHz，是非常重要的大气窗口频段，在6G通信、射电天文、导航制导、无损检测等领域具有重要应用。在超薄尺度效应和超高吸收效率的共同作用下，芯片实现了对毫米波的高速、高灵敏、高分辨成像，成像帧频达到144Hz，在3.5cm×4.5cm面积内集成了1600个探测单元，无透镜成像的分辨率达到了1.5mm。
团队所提出的基于堆叠策略的光学meta-MEMS芯片不仅能够应用于毫米波焦平面阵列探测芯片，还可以通过尺寸缩放拓展到其它波段（例如：短波红外、太赫兹波段等），并能够通过结构创新同偏振、相位调控相结合，构建新一代多功能、高性能、低成本探测及调制芯片，展现了巨大的应用潜力。
“该技术体现了光电融合的巨大优势，是微波光子学领域的新尝试。利用该技术，未来我们可以用光来实现对任意电磁波（微波、太赫兹、红外等）的高速探测、调制甚至计算。”龚诚说。
博士研究生汪涵为本文第一作者，南开大学龚诚副教授为通讯作者，南开大学为第一完成单位。本文的合作研究团队为电子科技大学国家级电磁场与微波技术重点学科延波教授、王志刚研究员团队。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41377-024-01733-6
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