近年來(lái)，超構(gòu)材料（metamaterial）憑借其超越自然的奇異電磁特性而在科學(xué)和工程領(lǐng)域獲得了廣泛關(guān)注。超構(gòu)材料也被稱(chēng)為人工工程材料，具有在亞波長(zhǎng)維度操縱入射電磁輻射的卓越能力，是超寬帶通信、超構(gòu)透鏡、熱輻射、醫(yī)學(xué)成像、偏振轉(zhuǎn)換和完美吸收等方向的最先進(jìn)技術(shù)。其中，對(duì)超構(gòu)材料完美吸收器應(yīng)用（從微波到可見(jiàn)光）的廣泛研究已經(jīng)突破了當(dāng)前系統(tǒng)的極限。

2008年，Landy等人報(bào)道了第一款超構(gòu)材料完美吸收器，研究了一種針對(duì)X波段應(yīng)用的基于電諧振器的吸收器。此后，陸續(xù)有報(bào)道面向更多應(yīng)用的吸收平臺(tái)，包括雷達(dá)探測(cè)、太陽(yáng)能收集、測(cè)輻射熱計(jì)、隱身技術(shù)、傳感和成像等。其中，兼容MEMS或基于MEMS技術(shù)制造的吸收超構(gòu)材料，一直是太赫茲波段傳感和成像技術(shù)特別關(guān)注的焦點(diǎn)。太赫茲相互作用所需要的超構(gòu)材料單元尺寸為數(shù)十個(gè)微米量級(jí)，因而基于光刻的微制造工藝可以提供高精度。

將超構(gòu)材料與MEMS熱探測(cè)器集成，是在給定頻帶成功實(shí)現(xiàn)傳感和成像的有效方法。通過(guò)控制介電層的厚度和微懸臂像素尺寸（提高靈敏度），可以靜態(tài)地調(diào)諧吸收光譜。還可以在超構(gòu)材料中激發(fā)等離子體波，以最大化傳感性能，并控制工作頻帶。此外，可以使用雙材料微懸臂設(shè)計(jì)中的電互連來(lái)實(shí)現(xiàn)太赫茲吸收的主動(dòng)操縱。在電磁吸收過(guò)程中，彎曲雙材料懸臂進(jìn)行熱傳遞，從而在成像中產(chǎn)生捕獲的圖像信號(hào)。另一種動(dòng)態(tài)操縱吸收光譜的方法，是施加靜電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)MEMS懸臂。在所有先前報(bào)道的研究中，盡管系統(tǒng)復(fù)雜，但它們的傳感像素通常使用單個(gè)、窄帶超構(gòu)材料響應(yīng)，這限制了器件的傳感能力。

據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道，為了克服當(dāng)前的局限性，土耳其伊爾迪茲工業(yè)大學(xué)的研究人員提出了一種五頻超構(gòu)材料吸收器新設(shè)計(jì)，利用MEMS熱機(jī)械雙材料微懸臂進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。其單元由朝向結(jié)構(gòu)中心對(duì)稱(chēng)定位的三角形截面分形超構(gòu)表面（metasurface）組成。所提出的單元分別在1.1 THz、3.4 THz、4.9 THz、5.9 THz和7.8 THz顯示出五頻吸收響應(yīng)。此外，研究人員還展示了雙材料微懸臂焦平面陣列（FPA）的多頻帶像素概念設(shè)計(jì)。與傳統(tǒng)基于單頻帶FPA傳感不同，多頻帶工作可以提高FPA陣列系統(tǒng)的靈敏度和整體精度。通過(guò)組合在不同頻率下諧振的分形截面，所提出的超構(gòu)材料吸收器可以在多個(gè)頻帶上偏轉(zhuǎn)雙材料微懸臂梁。所提出的多頻帶吸收器的分形設(shè)計(jì)，可用于進(jìn)一步研究基于MEMS技術(shù)的實(shí)時(shí)非制冷成像系統(tǒng)。

本研究所提出的分形超構(gòu)材料吸收器（FMMA）設(shè)計(jì)，（a）三維視圖，（b）俯視圖，（c）側(cè)視圖。

基于FMMA的傳感像素，（a）三維視圖，（b）雙材料傳感器的熱機(jī)械形變圖示。

總結(jié)來(lái)說(shuō)，該研究對(duì)五頻分形超構(gòu)材料吸收器（FMMA）進(jìn)行了數(shù)值研究和展示。基于三個(gè)分形交織諧振器的系統(tǒng)組合，所提出的FMMA結(jié)構(gòu)展示了五種接近完美的吸收模式。所有吸收模式在覆蓋1.1~7.8 THz區(qū)間的工作頻帶內(nèi)提供了足夠的帶寬。

基于多模特性，研究人員提出了用于雙材料微懸臂FPA傳感的基于FMMA的像素結(jié)構(gòu)概念模型。FMMA像素的表面積為144 μm x 216 μm。在太赫茲輻照下，無(wú)需任何片上設(shè)計(jì)，即可通過(guò)光學(xué)方法方便地讀出FMMA像素的機(jī)械形變。

其分形設(shè)計(jì)共同承載了響應(yīng)入射太赫茲波的大渦流表面電流，因此磁共振主要控制吸收。所提出的分形吸收器設(shè)計(jì)可用于進(jìn)一步研究受限于低靈敏度的雙材料微懸臂焦平面陣列（FPA）傳感技術(shù)，尤其是在安全和醫(yī)療領(lǐng)域。

審核編輯：郭婷