CN106058390A - 一种通过静电驱动进行调节的太赫兹带阻滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种通过静电驱动进行调节的太赫兹带阻滤波器，硅基底的通孔上为二维阵列，上方进入的太赫兹波穿过二维阵列得到滤波，从通孔射出。阵列单元包括倒梯形环结构和一字形结构，倒梯形环长底边在上、短底边在下，中空部位也为梯形，一字形与梯形环短底边相对且平行；可动框架套在二维阵列外，框架左右连接静电梳齿驱动器的活动梳齿，阵列中同一行的倒梯形环结构或一字形结构连接框架内侧，框架前后侧连接梳齿驱动器的活动梳齿。直流电压驱动静电梳齿驱动器和梳齿驱动器工作，带动可动框架移动，倒梯形环结构和一字形结构相对运动，改变间距，调节本带阻滤波器的透射功率和中心频率，显著提高了太赫兹带阻滤波器的性能，并拓展其应用范围。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹技术领域，特别涉及一种通过静电驱动进行调节的太赫兹带阻滤波器。
背景技术
太赫兹波(Terahertz，简称THz)是指在微波和红外光谱之间，频率范围为0.1THz到10THz的电磁波(1THz＝1012Hz),在电磁波谱上位于超高频率微波到远红外辐射之间的特殊区域。太赫兹波具有非电离，安全性高和穿透性好的特性，不会破坏被探测物质的内部结构及本征属性。广泛用于机场、海关等地方的安全监测，在工业上用于探测集成电路焊接的损伤等。广泛应用太赫兹技术的关键之一是如何操控太赫兹波。实际应用中，由于应用环境噪声以及应用需要的限制等，需滤除不需要的频率范围和噪声，提高系统的性能，如:很多结构复杂的高分子化学品，生物医学制品，在某些特定波段具有指纹式的特征谱线，当待检物质组分复杂，对太赫兹波吸收强度不一的情况下，用太赫兹滤波器来祛除不需要的杂质信号。因而太赫兹滤波器成为太赫兹技术广泛应用中的重要元件。
目前，太赫兹带阻滤波器还没有成熟的商业化产品，已有文献报道的太赫兹带阻滤波器大多是在高阻硅基底上的制作具有频率选择作用的金属图案，这类滤波器制作完成后，只能阻止特定频率或频带的太赫兹波，阻带中心频率位置不可调节，因而大大限制了器件的应用范围。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种通过静电驱动进行调节的太赫兹带阻滤波器，其阵列中的倒梯形环结构或一字形结构与静电梳齿驱动器连接，通过静电驱动倒梯形环结构和一字形结构相对运动，进而对太赫兹带阻滤波器的中心频率位置和透射功率进行调节，从而大大拓展太赫兹带阻滤波器的可适用范围。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：设计一种通过静电驱动进行调节的太赫兹带阻滤波器，主要包括硅基底和其上的二维阵列，硅基底上有通孔，通孔的中心与二维阵列的中心重合，通孔的最大线径等于或大于二维阵列的最大边长。太赫兹波从二维阵列上方进入，穿过二维阵列得到滤波，从通孔射出。二维阵列的边长为入射太赫兹波束的直径1.2～1.5倍。
所述二维阵列中的一个阵列单元包括一个倒梯形环结构和一个一字形结构，所述倒梯形环结构为一中空的倒梯形，即长底边处于上方、短底边处于下方的梯形，中空部位也为梯形，且中空部位与外轮廓的中心重合。一字形结构与倒梯形环结构的短底边相对且平行。
倒梯形环结构和一字形结构均为硅主体，顶面为金属层。多个阵列单元构成二维阵列，二维阵列中同一行的倒梯形环结构的长底边相互连接，同一行的一字形结构相互连接。
本发明的太赫兹带阻滤波器在硅基底上还有一个可动框架和多个静电梳齿驱动器。可动框架为矩形框架，套在二维阵列外围，多个静电梳齿驱动器对称地固定安装于可动框架左右两侧的硅基底上，静电梳齿驱动器的固定梳齿与硅基底之间有绝缘层；静电梳齿驱动器的固定梳齿和活动梳齿交错排列。可动框架左右两侧的静电梳齿驱动器分为相同的上、下两组，上组的静电梳齿驱动器固定梳齿连接A锚点；活动梳齿经弹簧与B锚点相连接，活动梳齿与相邻的可动框架外侧相连，上组的各静电梳齿驱动器的移动同步，且移动方向均与可动框架的左右侧边平行。下组的静电梳齿驱动器固定梳齿连接C锚点；活动梳齿经弹簧与B锚点相连接，活动梳齿与相邻的可动框架外侧相连，下组的各静电梳齿驱动器的移动同步、与上组的静电梳齿驱动器移动方向相反。
在固定梳齿和活动梳齿之间施加直流驱动电压，活动梳齿将移动，并带动可动框架向一端移动。
当A、B锚点间施加直流驱动电压，上组静电梳齿驱动器的固定梳齿和活动梳齿之间为A、B锚点间的电压，此时在C锚点加与B锚点相同的电压，故左右侧下组静电梳齿驱动器和后侧梳齿驱动器不工作。左右侧上组静电梳齿驱动器带动可动框架向上运动。
反之，当C、B锚点间施加直流驱动电压，在A锚点加与B锚点相同的电压，左右侧上组静电梳齿驱动器和前侧梳齿驱动器不工作，左右侧下组静电梳齿驱动器带动可动框架向下运动。
所述可动框架的前、后侧各连接相同的一个或多个梳齿驱动器，梳齿驱动器的固定梳齿与硅基底之间有绝缘层。可动框架的前侧的梳齿驱动器固定梳齿连接A锚点，活动梳齿与可动框架前侧连接，前侧的梳齿驱动器的移动方向与可动框架左右两侧的上组静电梳齿驱动器相同。可动框架的后侧的梳齿驱动器固定梳齿连接C锚点，活动梳齿与可动框架后侧连接，后侧的梳齿驱动器的移动方向与可动框架左右两侧的下组静电梳齿驱动器相同。
当A、B锚点间施加直流驱动电压，前端梳齿驱动器活动梳齿连接的可动框架同时连接上组静电梳齿驱动器的活动梳齿，故前端梳齿驱动器活动梳齿与B锚点的电压相同，前端梳齿驱动器的固定梳齿和活动梳齿之间也为A、B锚点间的电压，前侧梳齿驱动器与左右两侧的上组静电梳齿驱动器一起带动可动框架向上运动。后侧梳齿驱动器不工作。梳齿驱动器与静电梳齿驱动器的区别为其活动梳齿不连接弹簧。
与之相似，当C、D锚点间施加直流驱动电压，后侧梳齿驱动器与左右两侧的下组静电梳齿驱动器一起带动可动框架向下运动。前侧梳齿驱动器不工作
所述二维阵列中同一行相互连接的一字形结构的左右两端的一字形结构的外端连接D锚点。二维阵列中同一行相互连接的倒梯形环结构的左右两端梯形环结构的外端连接可动框架内侧。或者，所述二维阵列中同一行相互连接的一字形结构的左右两端的一字形结构的外端连接可动框架内侧。二维阵列中同一行相互连接的倒梯形环结构的左右两端梯形环结构的外端连接D锚点。
A、B、C和D锚点与硅基底固定连接，且与硅基底之间有绝缘层。
静电梳齿驱动器驱动可动框架移动，可动框架带动倒梯形环结构或者一字形结构运动，改变倒梯形环结构和一字形结构之间的间距，从而调节控制本带阻滤波器的中心频率。
所述倒梯形环结构的梯形短底边最小为零，最长为与长底边相等。即所述倒梯形环结构的梯形可为三角形或长方形。
所述倒梯形环结构的梯形为等腰梯形，二底角为15°～90°，长底边与高的比值为(0.5～3)/1。
所述倒梯形环结构和一字形结构顶面的金属层为金层、银层、铜层和铝层中的任一种，厚度为0.05～1.0微米。
所述绝缘层为氧化铝层或者氧化硅层，厚度为0.5～3微米。
所述的倒梯形环结构、一字形结构、可动框架、静电梳齿驱动器、折叠弹簧的材料均为厚度相同的硅，厚度为10～100微米。
所述二维阵列每个阵列单元的长或宽为60～300微米。所述每个阵列单元中的倒梯形环结构短底边及两腰的线宽度相同为s＝3～15微米。长底边的线宽度为s微米～(s+15)微米，一字形结构的线宽度为6～20微米。
所述一字形结构顶侧与倒梯形环结构短底边底侧之间的距离为二者的间距，二者的最小间距为3～10微米。
所述可动框架的线宽度为3～15微米。所述的静电梳齿驱动器的固定梳齿和活动梳齿的数量各为5～50，梳齿长度为20～200微米，宽度为3～10微米，相邻梳齿的间距为2～10微米。
与现有技术相比，本发明一种通过静电驱动进行调节的太赫兹带阻滤波器的优点为：静电梳齿驱动器驱动可动框架，带动倒梯形环结构或一字形结构运动，改变一字形结构和倒梯形环结构之间的间距，从而实现了太赫兹带阻滤波器中心频率和透射功率的动态调节控制，显著提高了太赫兹带阻滤波器的性能，并拓展其应用范围。
附图说明
图1本通过静电驱动进行调节的太赫兹带阻滤波器实施例俯视示意图；
图2为图1中A-A向剖视图；
图3为一个阵列单元结构的俯视示意图；
图4为图3中B-B剖视图。
图5为太赫兹带阻滤波器在间距d为0微米，0.1微米，0.5微米，1微米，2微米，3微米的透射功率曲线对比图。
图中：1、硅基底，2、倒梯形环结构，3、一字形结构，4、可动框架，5、静电梳齿驱动器，6、A锚点，7、B锚点，8、C锚点，9、D锚点，10、梳齿驱动器，11、绝缘层，12、金属层，13、通孔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例详细介绍本发明一种通过静电驱动进行调节的太赫兹带阻滤波器。
本通过静电驱动进行调节的太赫兹带阻滤波器实施例如图1和2所示，硅基底1上有二维阵列，一个可动框架4和多个静电梳齿驱动器5。
本例二维阵列共有21×27个阵列单元，每个阵列单元为90微米×70微米，二维阵列长宽边长均为1890微米。本例入射太赫兹波束的直径1500微米。本例硅基底1有正方形通孔13，通孔13的中心与二维阵列的中心重合，通孔13的边长为2毫米。
太赫兹波从二维阵列上方进入，穿过二维阵列得到滤波，从通孔13射出，
一个阵列单元的结构如图3和4所示，包括一个倒梯形环结构2和一个一字形结构3，倒梯形环结构2为一中空的倒梯形，即长底边处于上方、短底边处于下方的梯形，中空部位为与外轮廓相似的梯形，且中空部位与外轮廓的中心重合，一字形结构3与倒梯形环结构2的短底边相对且平行。
本例倒梯形环结构2的梯形为等腰梯形，底角为37°，上方的长底边为90微米，下方的短底边为30微米，高度为40微米。倒梯形环结构2的各边边线宽度为5微米，长底边线宽度为17微米，增加了12微米。一字形结构3的线宽度为12微米，长度为90微米。本例一字形结构3顶侧与倒梯形环结构2短底边底侧之间的距离为二者的间距d，本例最小间距，即d的最小值为3微米。
本例倒梯形环结构2和一字形结构3硅主体的厚度为25微米，顶面的金属层12为厚度0.65微米的金层。
在硅基底1上的可动框架4矩形框架，套在二维阵列外围，12个静电梳齿驱动器5对称地固定安装于可动框架4左右两侧的硅基底1上，静电梳齿驱动器5的固定梳齿与硅基底1之间有绝缘层11；静电梳齿驱动器5的固定梳齿和活动梳齿交错排列。可动框架4左右两侧的12个静电梳齿驱动器分为相同的上、下两组，每组每侧3个，上组的静电梳齿驱动器固定梳齿连接A锚点6；活动梳齿经弹簧与B锚点7相连接，活动梳齿与相邻的可动框架4外侧相连，上组的各静电梳齿驱动器5的移动同步，且移动方向均与可动框架4的左右侧边平行。下组的静电梳齿驱动器5固定梳齿连接C锚点8；活动梳齿经弹簧与B锚点7相连接，活动梳齿与相邻的可动框架4外侧相连，下组的各静电梳齿驱动器5的移动同步、与上组的上组的静电梳齿驱动器5移动方向相反。
本例可动框架的前、后侧各连接一个相同的梳齿驱动器10，梳齿驱动器10的固定梳齿与硅基底1之间有绝缘层11；可动框架4的前侧的梳齿驱动器10固定梳齿连接A锚点6，活动梳齿与可动框架4前侧连接，前侧的梳齿驱动器10的移动方向与可动框架4左右两侧的上组静电梳齿驱动器5相同。可动框架4的后侧的梳齿驱动器10固定梳齿连接C锚点8，活动梳齿与可动框架4后侧连接，后侧的梳齿驱动器10的移动方向与可动框架4左右两侧的下组静电梳齿驱动器5相同。
本例二维阵列中同一行相互连接的一字形结构3的左右两端的一字形结构3的外端连接可动框架4内侧。二维阵列中同一行相互连接的倒梯形环结构2的左右两端倒梯形环结构2的外端连接D锚点9。
本例A锚点6、B锚点7、C锚点8和D锚点9与硅基底1固定连接，且与硅基底1之间有厚度1微米的氧化铝绝缘层11，各锚点线宽度为20微米。
本例可动框架4、静电梳齿驱动器5、梳齿驱动器10的材料都为硅，厚度为25微米。
本例可动框架4的线宽度为6微米。
本例28个静电梳齿驱动器6相同，固定梳齿和活动梳齿的数量各为25，梳齿长度为30微米，宽度为3微米，相邻梳齿的间距为4微米。
本例可动框架4前、后侧梳齿驱动器的固定梳齿和活动梳齿的数量各为14，梳齿长度为30微米，宽度为3微米，相邻梳齿的间距为4微米。
本例静电梳齿驱动器6和梳齿驱动器10的固定梳齿与硅基底1之间有厚度1微米的氧化铝绝缘层11。
实际应用中，通过增加与可动框架4连接的静电梳齿驱动器5和梳齿驱动器10的数量，或者增加每个静电梳齿驱动器5和梳齿驱动器10的梳齿数量，即可降低它们的驱动电压。
本例只要在A锚点6和B锚点7之间施加一个直流驱动电压、C锚点8施加与B锚点7相同的电压，或者在C锚点8和B锚点7之间施加一个直流驱动电压、A锚点6施加与B锚点7相同的电压，就可以驱动各静电梳齿驱动器5和梳齿驱动器10工作，驱动可动框架4移动，可动框架4带动一字形结构3移动，调整倒梯形环结构2与一字形结构3之间的间距，从而实现对本带阻滤波器中心频率位置和透射功率的动态调节。
图4所示为本通过静电驱动进行调节的太赫兹带阻滤波器实施例在间距d为0微米，0.1微米，0.5微米，1微米，2微米，3微米的透射功率曲线对比图，图中横坐标为频率f，单位为THz，纵坐标为透射功率T，单位为dB。图4中可见随着d的改变，本太赫兹带阻滤波器的中心频率和透射功率都有改变。
上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种通过静电驱动进行调节的太赫兹带阻滤波器，主要包括硅基底(1)和其上的二维阵列，硅基底(1)上有通孔(13)，通孔(13)的中心与二维阵列的中心重合，通孔(13)的最大线径等于或大于二维阵列的最大边长；太赫兹波从二维阵列上方进入，穿过二维阵列得到滤波，从通孔(13)射出；二维阵列的边长为入射太赫兹波束的直径1.2～1.5倍；其特征在于：
所述二维阵列中的一个阵列单元包括一个倒梯形环结构(2)和一个一字形结构(3)，所述倒梯形环结构(2)为一中空的倒梯形，即长底边处于上方、短底边处于下方的梯形，中空部位也为梯形，且中空部位与外轮廓的中心重合；一字形结构(3)与倒梯形环结构(2)的短底边相对且平行；
倒梯形环结构(2)和一字形结构(3)均为硅主体，顶面为金属层(12)；
多个阵列单元构成二维阵列，二维阵列中同一行的倒梯形环结构(2)的长底边相互连接，同一行的一字形结构(3)相互连接；
所述硅基底(1)上还有一个可动框架(4)和多个静电梳齿驱动器(5)；可动框架(4)为矩形框架，套在二维阵列外围，多个静电梳齿驱动器(5)对称地固定安装于可动框架(4)左右两侧的硅基底(1)上，静电梳齿驱动器(5)的固定梳齿与硅基底(1)之间有绝缘层(11)；静电梳齿驱动器(5)的固定梳齿和活动梳齿交错排列；可动框架(4)左右两侧的静电梳齿驱动器(5)分为相同的上、下两组，上组的静电梳齿驱动器(5)固定梳齿连接A锚点(6)，活动梳齿经弹簧与B锚点(7)相连接，活动梳齿与相邻的可动框架(4)外侧相连，上组的各静电梳齿驱动器(5)的移动同步，且移动方向均与可动框架(4)的左右侧边平行；下组的静电梳齿驱动器(5)固定梳齿连接C锚点(8)；活动梳齿经弹簧与B锚点(7)相连接，活动梳齿与相邻的可动框架(4)外侧相连，下组的各静电梳齿驱动器(5)的移动同步、与上组的静电梳齿驱动器(5)移动方向相反；
所述二维阵列中同一行相互连接的一字形结构(3)的左右两端的一字形结构(3)的外端连接D锚点(10)，二维阵列中同一行相互连接的倒梯形环结构(2)的左右两端梯形环结构(2)的外端连接可动框架(4)内侧；或者，所述二维阵列中同一行相互连接的一字形结构(3)的左右两端的一字形结构(3)的外端连接可动框架(4)内侧，二维阵列中同一行相互连接的倒梯形环结构(3)的左右两端梯形环结构(3)的外端连接D锚点(10)；
所述A锚点(6)、B锚点(7)、C锚点(8)和D锚点(9)与硅基底(1)固定连接，且与硅基底(1)之间有绝缘层(11)。
2.根据权利要求1所述的通过静电驱动进行调节的太赫兹带阻滤波器，其特征在于：
所述可动框架4的前、后侧各连接相同的一个或多个梳齿驱动器(10)，梳齿驱动器(10)的固定部分与硅基底(1)之间有绝缘层(11)；可动框架(4)的前侧的梳齿驱动器(10)固定梳齿连接A锚点(6)，活动梳齿与可动框架(4)前侧连接，前侧的梳齿驱动器(10)的移动方向与可动框架(4)左右两侧的上组静电梳齿驱动器相同；可动框架(4)的后侧的梳齿驱动器(10)固定梳齿连接C锚点(8)，活动梳齿与可动框架(4)后侧连接，后侧的梳齿驱动器(10)的移动方向与可动框架(4)左右两侧的下组静电梳齿驱动器(5)相同。
3.根据权利要求1或2所述的通过静电驱动进行调节的太赫兹带阻滤波器，其特征在于：
所述倒梯形环结构(2)的梯形为等腰梯形，二底角为15°～90°，长底边与高的比值为(0.5～3)/1。
4.根据权利要求1或2所述的通过静电驱动进行调节的太赫兹带阻滤波器，其特征在于：
所述倒梯形环结构(2)和一字形结构(3)顶面的金属层(12)为金层、银层、铜层和铝层中的任一种，厚度为0.05～1.0微米。
5.根据权利要求1或2所述的通过静电驱动进行调节的太赫兹带阻滤波器，其特征在于：
所述绝缘层(11)为氧化铝层或者氧化硅层，厚度为0.5～3微米。
6.根据权利要求1或2所述的通过静电驱动进行调节的太赫兹带阻滤波器，其特征在于：
所述的倒梯形环结构(2)、一字形结构(3)、可动框架(1)、静电梳齿驱动器(6)和梳齿驱动器(10)均为厚度相同的硅，厚度为10～100微米。
7.根据权利要求1或2所述的通过静电驱动进行调节的太赫兹带阻滤波器，其特征在于：
所述二维阵列每个阵列单元的长或宽为60～300微米。
8.根据权利要求7所述的通过静电驱动进行调节的太赫兹带阻滤波器，其特征在于：
所述每个阵列单元中的倒梯形环结构(2)的短底边及两腰的线宽度相同为s＝3～15微米，长底边的线宽度为s微米～(s+15)微米；所述一字形结构(3)的线宽度为6～20微米。
9.根据权利要求1或2所述的通过静电驱动进行调节的太赫兹带阻滤波器，其特征在于：
所述一字形结构(3)顶侧与倒梯形环结构(2)短底边底侧之间的距离为二者的间距，二者的最小间距为3～10微米。
10.根据权利要求1或2所述的通过静电驱动进行调节的太赫兹带阻滤波器，其特征在于：
所述可动框架(4)的线宽度为3～15微米。
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