CN103522626B - 一种吸收带宽动态连续可调的太赫兹吸波体 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种吸收带宽动态连续可调的太赫兹吸波体。该吸波体的每个吸波体单元，均主要由硅基底、氮化硅层、电极层和多晶硅图案层组成，氮化硅层的上、下表面分别与电极层的下表面和硅基底的上表面相贴，在电极层上设有若干个供锚点通过的孔，多晶硅图案层通过锚点固定于氮化硅层上，所述的硅基底、氮化硅层、电极层和多晶硅图案层的中心轴线重合；多晶硅图案层包括位于同一水平面上的方形支撑块、内方形支撑环和外方形支撑环，位于内方形支撑环和外方形支撑环之间的4根“L”型弹片，以及分别设置在方形支撑块和内方形支撑环的表面上的内方形金属环和外方形金属环。本发明所述吸波体能够对太赫兹波的吸收带宽进行动态、连续调节。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹技术领域，具体涉及一种吸收带宽动态连续可调的太赫兹吸波体。
背景技术
在太赫兹技术领域，太赫兹吸波体能够对特定频率的太赫兹辐射产生超吸收，从而可以提高太赫兹探测器的灵敏度，对促进太赫兹技术推广应用具有十分重要的意义。现有太赫兹吸波体一旦制作成功，各部分位置就固定不动，因此，只能在特定频率或特定频率范围产生超吸收，吸收带宽不可动态、连续调节。然而，在太赫兹通信、太赫兹探测以及频率选择性太赫兹热成像领域，往往要求太赫兹吸波体能够动态、连续调节吸收带宽。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种吸收带宽动态连续可调的太赫兹吸波体。该吸波体能够对太赫兹波的吸收带宽进行动态、连续调节，从而满足太赫兹通信、太赫兹探测以及频率选择性太赫兹热成像等领域的需要。
本发明所述的吸收带宽动态连续可调的太赫兹吸波体，包括至少4个呈矩阵排列的吸波体单元，所述每个吸波体单元呈方体形状，均主要由硅基底、氮化硅层、电极层和多晶硅图案层组成，其中：
氮化硅层的上、下表面分别与电极层的下表面和硅基底的上表面相贴，在电极层上设有若干个供锚点通过的孔，多晶硅图案层通过锚点固定于氮化硅层上，所述的硅基底、氮化硅层、电极层和多晶硅图案层的中心轴线重合；
所述的多晶硅图案层包括位于同一水平面上的方形支撑块、内方形支撑环和外方形支撑环，所述的方形支撑块、内方形支撑环和外方形支撑环与多晶硅图案层本身的中心轴线重合，其中内方形支撑环位于方形支撑体的外围，外方形支撑环位于内方形支撑环的外围；在内方形支撑环和外方形支撑环之间设置有4根“L”型弹片，这4根“L”型弹片呈首尾相接的方式排列设置于内方形支撑环和外方形支撑环之间，每根“L”型弹片的竖端均与外方形支撑环的内圈固接，其横端均与内方形支撑环的外圈固接；在方形支撑块和内方形支撑环的表面上分别设有内方形金属环和外方形金属环，所述内方形金属环和外方形金属环的中心轴线均与方形支撑块的中心轴线重合。
本发明所述的太赫兹吸波体，设置在方形支撑块上的内方形金属环是固定的，而设置在内方形支撑环上的外方形金属环，在电导通的情况下，在内方形支撑环与4根“L”型弹片的带动下，能够沿与外方形金属环所在平面垂直的方向做往复运动，从而实现对太赫兹波的吸收带宽进行动态、连续调节。
上述技术方案中，多晶硅图案层下表面与电极层上表面之间的距离决定了外方形金属环在沿与外方形金属环所在平面垂直的方向上能够运动的距离，通常情况下，它们二者的距离为2～6μm。
上述技术方案中，所述氮化硅层的厚度通常为0.2～1μm，所述电极层的厚度通常为0.3～2μm，所述多晶硅图案层的厚度通常为1～3μm(即方形支撑块、内方形支撑环、外方形支撑环，以及“L”型弹片的厚度均通常为1～3μm)，所述内方形金属环和外方形金属环的厚度优选均在0.1～0.5μm的范围内。所述硅基底的厚度与现有常规技术相同。
上述技术方案中，每个吸波体单元的边长优选为100～1000μm。在上述边长限定的吸波体单元中，所述内方形金属环的外边缘与方形支撑块的外边缘的距离为3～10μm，外方形金属环的内边缘与内方形支撑环的内边缘的距离为3～10μm，外方形金属环的外边缘与内方形支撑环的外边缘的距离为3～10μm。
上述技术方案中，每个吸波体单元中，外方形金属环的边长为40～300μm，线宽度为2～12μm。所述内方形金属环的边长为20～100μm，但其边长必须小于外方形金属环的边长，其线宽度为2～12μm。
上述技术方案中，内方形金属环和外方形金属环的材料可以是金、铝或铜等。
与现有技术相比，本发明所述的太赫兹吸波体，设置有一个固定的内方形金属环和一个可动的外方形金属环，所述的外方形金属环在电导通的情况下，在内方形支撑环与4根“L”型弹片的带动下能够沿与外方形金属环所在平面垂直的方向做往复运动，从而实现对太赫兹波的吸收带宽进行动态、连续调节，继而满足太赫兹通信、太赫兹探测以及频率选择性太赫兹热成像等领域的需要。
附图说明
图1为本发明一种实施方式的结构示意图；
图2为制作本发明所述吸波体过程中在硅基底的上沉积氮化硅层后的结构示意图；
图3为在图2基础上制作电极层后的结构示意图；
图4为在图3基础上沉积作为牺牲层的二氧化硅层，并光刻、刻蚀形成锚位后的结构示意图；
图5为在图4基础上形成方形支撑块、内方形支撑环、外方形支撑环、“L”型弹片和锚点后的结构示意图；
图6为采用本发明所述的吸波体用CST microwave studio软件进行模拟实验时吸收率随频率的变化曲线图。
图中标号为：
1硅基底，2氮化硅层，3电极层，4方形支撑块，5内方形支撑环，6外方形支撑环，7“L”型弹片，8锚点，9外方形金属环，10内方形金属环，11二氧化硅层，12锚位，H1表示内方形金属环的外边缘与方形支撑块的外边缘的距离，H2表示外方形金属环的内边缘与内方形支撑环的内边缘的距离，H3表示外方形金属环的外边缘与内方形支撑环的外边缘的距离。
具体实施方式
如图1所示，本发明所述的吸收带宽动态连续可调的太赫兹吸波体，包括至少4个呈矩阵排列的吸波体单元，所述每个吸波体单元长方体形状，其横截面均呈正方形。每个吸波体单元均主要由硅基底1、氮化硅层2、电极层3和多晶硅图案层组成，其中：
氮化硅层2的上、下表面分别与电极层3的下表面和硅基底1的上表面相贴，且电极层3位于氮化硅层2的正上方，硅基底1位于氮化硅层2的正上方；在电极层3的中部和四个顶点处均设置有供锚点8通过的孔，所述的孔的深度贯穿电极层3的厚度，所述的多晶硅图案层通过锚点8穿过所述的孔固定于氮化硅层2上，所述的硅基底1、氮化硅层2、电极层3以及多晶硅图案层四者的中心轴线重合；
所述的多晶硅图案层包括位于同一水平面上的方形支撑块4、内方形支撑环5和外方形支撑环6，所述的方形支撑块4、内方形支撑环5和外方形支撑环6的中心轴线均与多晶硅图案层本身的中心轴线重合，其中，方形支撑块4位于多晶硅图案层的中部，通过锚点8固定于氮化硅层2上，所述的内方形支撑环5位于方形支撑块4的外围，外方形支撑环6位于内方形支撑环5的外围，外方形支撑环6通过锚点8固定于氮化硅层2上；在内方形支撑环5和外方形支撑环6之间设置有4根“L”型弹片7，这4根“L”型弹片7呈首尾相接的方式排列在内方形支撑环5和外方形支撑环6之间，每根“L”型弹片7的竖端均与外方形支撑环6的内圈固接，其横端均与内方形支撑环5的外圈固接；而且每根“L”型弹片7的竖端均与内方形支撑环5或外方形支撑环6的边平行或垂直，且分别与内方形支撑环5的外圈或外方形支撑环6的内圈之间存在间隙，每根“L”型弹片7的横端也均与内方形支撑环5或外方形支撑环6的边平行或垂直，另外，前后相邻的两根“L”型弹片7中，前一根“L”型弹片7横端与后一根“L”型弹片7的竖端之间存在间隙；在方形支撑块4和内方形支撑环5的表面上分别设置有内方形金属环10和外方形金属环9，所述内方形金属环10和外方形金属环9的中心轴线均与方形支撑块4的中心轴线重合。
在本发明中，多晶硅图案层下表面与电极层3上表面之间的距离通常为2～6μm，氮化硅层2的厚度通常为0.2～1μm，电极层3的厚度通常为0.3～2μm，多晶硅图案层的厚度通常为1～3μm，所述内方形金属环10和外方形金属环9的厚度一般都设置在0.1～0.5μm的范围内，而硅基底1的厚度则与现有常规技术相同。
在本发明优选的实施方式中，每个吸波体单元的边长为100～1000μm，在上述边长限定的吸波体单元中，所述内方形金属环10的外边缘与方形支撑块4的外边缘的距离H1为3～10μm，外方形金属环9的内边缘与内方形支撑环5的内边缘的距离H2为3～10μm，外方形金属环9的外边缘与内方形支撑环5的外边缘的距离H3为3～10μm。外方形金属环9的边长为40～300μm，线宽度为2～12μm。所述内方形金属环10的边长为20～100μm，但其边长必须小于外方形金属环9的边长，其线宽度为2～12μm。
所述多个吸波体单元可并排成m×n的矩阵，上述m和n的取值可以相等也可以不相等。
本发明所述吸收带宽动态连续可调的太赫兹吸波体可按常规方法进行制作，优选按以下方法制作：
(1)在硅基底1上沉积一层厚度为0.2～1μm的氮化硅薄膜；
(2)在氮化硅薄膜上溅射(或沉积)厚度为0.3～2μm的第一层多晶硅并掺杂磷，然后光刻、刻蚀多晶硅形成静电驱动器的下电极，即电极层3；
(3)在第一层多晶硅上沉积厚度为2～6μm的二氧化硅或磷硅玻璃，并光刻、刻蚀形成外方形支撑环6的锚位12和方形支撑块4的锚位12；
(4)在二氧化硅或磷硅玻璃层上沉积1～3μm厚的第二层多晶硅并掺杂磷，然后光刻、刻蚀多晶硅形成方形支撑块4、内方形支撑环5、外方形支撑环6和“L”型弹片7；
(5)采用Lift off金属剥离方法在方形支撑块4的表面以及内方形支撑环5表面溅射(或沉积)厚度为0.1～0.5μm厚的金属薄膜，以形成两个同心的内方形金属环10和外方形金属环9；
(6)将样片放入体积浓度为30～60％的HF溶液中浸15～30min，湿法腐蚀旧二氧化硅或磷硅玻璃层。
(7)将样片从HF溶液中取出，然后迅速放入二氧化碳临界点干燥仪中，以释放内方形支撑环5、外方形支撑环6和“L”型弹片7。
下面以阵列中吸波体单元尺寸为200μm×200μm正方形的太赫兹吸波为例，结合附图对本发明作具体描述。
首先在硅基底1的晶面(110)上沉积厚度为0.5μm的氮化硅层2，如图2所示。然后，在氮化硅上面沉积一层厚度为0.5μm的第一层多晶硅并刻蚀形成静电驱动器的下电极，即电极层3，如图3所示。再在第一层多晶硅上面沉积3μm厚的二氧化硅层11作为牺牲层，并光刻、刻蚀形成锚位12，如图4所示。之后，再在二氧化硅上面沉积2μm厚的第二层多晶硅，并光刻、刻蚀形成方形支撑块4、内方形支撑环5、外方形支撑环6、“L”型弹片7和锚点8，如图5所示。再采用金属层剥离工艺(Lift off)在第二层多晶硅上面形成两个同心的外方形金属环9和内方形同心金属环。最后将样片放入30～60％的HF溶液中15～30min，湿法腐蚀二氧化硅层11；将样片从HF溶液中取出，然后迅速放入二氧化碳临界点干燥仪中，以释放内方形支撑环5、外方形支撑环6和“L”型弹片7等结构，所得样片如图1所示。在所得的样片中，外方形金属环9的边长为130μm，线宽度为5μm；内方形金属环10的边长为78μm，线宽度为5μm。内方形金属环10的外边缘与方形支撑块4的外边缘的距离为4μm，外方形金属环9的内边缘与内方形支撑环5的内边缘的距离为4μm，外方形金属环9的外边缘与内方形支撑环5的外边缘的距离为4μm。“L”型弹片7的竖端长度为160μm，线宽为12μm；其横端长度为5μm，线宽为8μm。
以上述所得的200μm×200μm正方形单元所组成的10×10矩阵，然后用CST microwave studio软件进行模拟实验。模拟时仅需画出一个单元即可，太赫兹波垂直入射到吸波体表面，选择波导端口，端口1为入射端口，离开吸波体上表面400微米；端口2位于吸波体下表面10微米。定义unit cell周期性边界条件，计算出反射系数S11和透射系数S21,并由吸收率公式:
A＝1-|S11|2-|S21|2
计算出吸收率A。当外方形金属环9与内方形金属形分别位于水平面内、向下移动1微米和向下移动2微米三种情况时，吸收率A随频率的变化曲线如图6所示，其中的实线表示外方形金属环9与内方形金属环10分别位于水平面内时的吸收率，长点虚线表示外方形金属环9相对于内方形金属环10向下移动1微米时的吸收率，短点虚线表示外方形金属环9相对于内方形金属环10向下移动2微米时的吸收率。
根据图6可知：吸波体的带宽随着可动金属环的移动发生连续变化。因此，吸波体的带宽将受到可动金属环位置的动态、连续调控。
Claims (8)
1.一种吸收带宽动态连续可调的太赫兹吸波体，包括至少4个呈矩阵排列的吸波体单元，其特征在于：所述每个吸波体单元呈方体形状，均主要由硅基底(1)、氮化硅层(2)、电极层(3)和多晶硅图案层组成，其中：
氮化硅层(2)的上、下表面分别与电极层(3)的下表面和硅基底(1)的上表面相贴，在电极层(3)上设有若干个供锚点(8)通过的孔，多晶硅图案层通过锚点(8)固定于氮化硅层(2)上，所述的硅基底(1)、氮化硅层(2)、电极层(3)和多晶硅图案层的中心轴线重合；
所述的多晶硅图案层包括位于同一水平面上的方形支撑块(4)、内方形支撑环(5)和外方形支撑环(6)，所述的方形支撑块(4)、内方形支撑环(5)和外方形支撑环(6)与多晶硅图案层本身的中心轴线重合，其中内方形支撑环(5)位于方形支撑块(4)的外围，外方形支撑环(6)位于内方形支撑环(5)的外围；在内方形支撑环(5)和外方形支撑环(6)之间设置有4根“L”型弹片(7)，这4根“L”型弹片(7)呈首尾相接的方式排列设置于内方形支撑环(5)和外方形支撑环(6)之间，每根“L”型弹片(7)的竖端均与外方形支撑环(6)的内圈固接，其横端均与内方形支撑环(5)的外圈固接；在方形支撑块(4)和内方形支撑环(5)的表面上分别设有内方形金属环(10)和外方形金属环(9)，所述内方形金属环(10)和外方形金属环(9)的中心轴线均与方形支撑块(4)的中心轴线重合。
2.根据权利要求1所述的吸收带宽动态连续可调的太赫兹吸波体，其特征在于：所述多晶硅图案层与电极层(3)之间的距离为2～6μm。
3.根据权利要求1所述的吸收带宽动态连续可调的太赫兹吸波体，其特征在于：所述氮化硅层(2)的厚度为0.2～1μm。
4.根据权利要求1所述的吸收带宽动态连续可调的太赫兹吸波体，其特征在于：所述电极层(3)的厚度为0.3～2μm。
5.根据权利要求1所述的吸收带宽动态连续可调的太赫兹吸波体，其特征在于：所述多晶硅图案层的厚度为1～3μm。
6.根据权利要求1所述的吸收带宽动态连续可调的太赫兹吸波体，其特征在于：所述内方形金属环(10)和外方形金属环(9)的厚度均为0.1～0.5μm。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的吸收带宽动态连续可调的太赫兹吸波体，其特征在于：所述每个吸波体单元的边长为100～1000μm。
8.根据权利要求7所述的吸收带宽动态连续可调的太赫兹吸波体，其特征在于：每个吸波体单元中，所述内方形金属环(10)的外边缘与方形支撑块(4)的外边缘的距离(H1)为3～10μm，外方形金属环(9)的内边缘与内方形支撑环(5)的内边缘的距离(H2)为3～10μm，外方形金属环(9)的外边缘与内方形支撑环(5)的外边缘的距离(H3)为3～10μm。
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