CN106450613B - 一种双带动态可调的太赫兹带通滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种双带动态可调的太赫兹带通滤波器，有多个相连的阵列单元的二维阵列位于硅基底的通孔上，每个阵列单元包括两个开口环谐振器和一个一字形结构，均为顶面金属层的硅主体，高度相同。开口环谐振器为矩形环，其一边有开口，两个环谐振器的开口宽度不同，一字形结构位于两个开口环谐振器有开口的边之间，并与之平行。可动框架套在二维阵列外围，一字形结构与可动框架相连。两组静电梳齿驱动器的活动梳齿与可动框架相连接，带动可动框架与一字形结构移动。一字形结构和两个开口环谐振器之间的间距改变，即动态调节本带通滤波器两个通带中心频率对应的透射功率，实现双单带的转变，提高频率选择能力和扩大应用范围。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹技术领域，特别涉及一种双带动态可调的太赫兹带通滤波器。
背景技术
太赫兹波(Terahertz，简称THz)通常定义为处于0.1THz到10THz频率范围内的电磁波,在电磁波谱中位于微波与红外之间，具有不同于其他电磁辐射的特殊性能。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、车站和码头等地方的安全监测。太赫兹波还具有很好的指纹谱特性，许多非极性物质在太赫兹频段具有特征吸收峰，是进行物质鉴别的重要工具。
在通信频率日渐捉襟见肘的今天，太赫兹波段的利用显得尤其重要。太赫兹滤波器用于选择适用的太赫兹波，并祛除不需要的杂质信号，太赫兹滤波器是太赫兹技术广泛应用中不可缺少的关键元件之一。
目前，已有文献报道的太赫兹带通滤波器大多是采用金属网栅结构，这类滤波器制作完成后，只能通过特定频率或频带的太赫兹波，通带中心频率位置和透射功率都不可调节，因而大大限制了器件的应用范围。然而，在许多实际应用领域，要求太赫兹带通滤波器的中心频率位置和透射功率能够进行动态调控。
超材料是指通过微纳加工方法制作而成、具有特殊电磁特性的复合材料或结构，一般由覆于电介质表面的亚波长尺寸的金属膜结构周期性排列组合而成，由其实现太赫兹带通滤波器。但目前出现了的有关报道中，基于，有些调节范围较窄或调节难，仍需改进才能实用。例如上海师范大学的发明专利申请CN104201443A“一种双频太赫兹带通滤波器”公开了一种基于半绝缘砷化镓表面采用镂空的互补型开口谐振环单元的双频率太赫兹带通滤波器的设计与制作，通过调整C-SRR内径、外径、开口宽度、周期结构，获得低频和高频共振。利用两种共振的电磁相互作用实现两个共振频率之间能量转换，在两个波段上达到相同透射强度的太赫兹输出。但此结构的滤波器制备完成后中心频率位置和透射功率无法动态调控。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种双带动态可调的太赫兹带通滤波器。该双带动态可调太赫兹带通滤波器边缘为双向静电梳齿驱动器，中央为阵列单元。每一个阵列单元包含两个开口相对的开口环谐振器和位于中央的一字形结构。一字形结构与可动框架连接，当一字形结构位于单元中央时，滤波器对电场矢量E沿着与一字形结构平行方向入射的太赫兹波产生两个透射功率近似相等的通带。通过双向静电梳齿驱动器驱动可动框架和一字形结构运动，改变一字形结构和开口环谐振器之间的间距，从而实现对其中太赫兹带通滤波器两个通带中心频率处透射功率的动态调节，使其实现由双带向单带的变换。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：设计一种双带动态可调的太赫兹带通滤波器，滤波器中央的二维阵列位于硅基底的通孔上，所述二维阵列由多个相连的阵列单元构成。每一个阵列单元包括两个开口环谐振器和一个一字形结构，开口环谐振器和一字形结构均为硅主体，其顶面为金属层，高度相同。开口环谐振器为矩形环，其中一边有开口，开口的中心线与该边的中心线重合，两个开口环谐振器的开口宽度不同，一字形结构位于两个开口环谐振器的之间与两个开口环谐振器的有开口的边平行，两个开口环谐振器的开口各朝向一字形结构的一侧。
二维阵列中同一行内相邻的开口环谐振器相互连接并固定于二维阵列外侧硅基底的锚点上，同一行的一字形结构相互连接。
本发明的太赫兹带通滤波器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，二维阵列结构中的一字形结构与可动框架相连。多个静电梳齿驱动器对称地固定安装于可动框架左右外侧的硅基底上。静电梳齿驱动器的固定梳齿和活动梳齿交错排列、各连接不同的电极，静电梳齿驱动器的活动梳齿与可动框架外侧相连接。多个静电梳齿驱动器分为驱动力相等的两组，两组的静电梳齿驱动器的活动梳齿移动方向相反。
静电梳齿驱动器的活动梳齿在直流电压驱动下移动时带动可动框架移动。可动框架带动一字形结构运动，改变一字形结构和两个开口环谐振器之间的间距，从而调节本带通滤波器两个通带中心频率处的透射幅值。当一字形结构向窄口开口环谐振器运动时，高频带的幅值将逐渐增加，低频带的幅值将逐渐减小近于零，本滤波器的高频带归一化透射功率达到最大。相反，当一字形结构向宽口开口环谐振器运动时，低频带的幅值将逐渐增加，高频带的幅值将逐渐减小近于零，最终本滤波器的低频带归一化透射功率达至最大。即通过一字形结构的移动来动态调节本滤波器两个频带的透射功率。
所述开口环谐振器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。
所述的开口环谐振器和一字形结构的硅主体厚度为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开口环谐振器的线宽度相同为3～15微米，窄口开口环谐振器的开口宽度为2～10微米，宽口开口环谐振器的开口宽度为10～55微米，一字形结构的线宽度为6～20微米。
所述每个阵列单元中的开口环谐振器的有开口的边及其对边的长度为100～150微米、线宽度为6～15微米，另两边，即开口环谐振器的两腰长度为35～55微米、线宽度为3～20微米。
所述开口环谐振器有开口的边与相邻的一字形结构的边之间的距离为2～10微米。
所述可动框架和静电梳齿驱动器主体也为硅，其厚度等于开口环谐振器或一字形结构硅主体的厚度。
所述静电梳齿驱动器的固定梳齿的主体硅与硅基底之间有绝缘层。
可动框架的前后外侧连接复位弹簧的一端，复位弹簧另一端固定于硅基底。
与现有技术相比，本发明一种双带动态可调太赫兹带通滤波器的优点为：1、阵列单元中一字形结构的运动，改变一字形结构和两个开口环谐振器之间的间距，即可动态调节太赫兹带通滤波器两个通带中心频率对应的透射功率，以实现双带向单带的转变，提高了太赫兹带通滤波器的频率选择能力，扩大了应用范围；2、若将本滤波器通过双带视为编码“11”，则调节为单带后编码即为“10”或“01”，本带通滤波器即可用于对通过的太赫兹光谱进行二进制编码。
附图说明
图1为本双带动态可调的太赫兹带通滤波器实施例俯视示意图；
图2为本双带动态可调的太赫兹带通滤波器实施例一个阵列单元立体结构示意图；
图3为本双带动态可调的太赫兹带通滤波器实施例一个阵列单元俯视示意图；
图4为图1中A-A剖面示意图；
图5为图3的P向视图；
图6为本双带动态可调的太赫兹带通滤波器实施例2X2阵列俯视示意图；
图7为本双带动态可调的太赫兹带通滤波器实施例中一字形结构向窄口开口环谐振器移动，间距g1分别为4微米，2微米，1微米，0微米时对应的归一化透射功率曲线图；
图8本双带动态可调的太赫兹带通滤波器实施例中一字形结构向宽口开口环谐振器移动，间距分别为4微米，2微米，1微米，0微米时对应的归一化透射功率曲线图。
图中标号：1、阵列单元，11、宽口开口环谐振器，12、一字形结构，13、窄口开口环谐振器，14、硅主体，15、金属层，2、可动框架，3、A电极，4、静电梳齿驱动器，41、绝缘层，5、锚点，6、B电极，7、C电极，8、复位弹簧，9、D电极，10、硅基底。
a、开口环谐振器的矩形长度，b、开口环谐振器的矩形宽度，c、一字形结构的线宽，d、开口环谐振器的长边(开口边和对边)的线宽，e、窄口开口环谐振器的短边线宽，f、宽口开口环谐振器的短边线宽，W1、窄口开口环谐振器的开口宽度，W2、宽口开口环谐振器的开口宽度，g1、一字形结构与窄口开口环谐振器的间距，g2、一字形结构与宽口开口环谐振器的间距。
具体实施方式
下面结合附图详细介绍本发明双带动态可调的太赫兹带通滤波器实施例。
本双带动态可调的太赫兹带通滤波器实施例如图1所示，包括由多个阵列单元1相连构成的二维阵列，一个可动框架2，多个静电梳齿驱动器4，多个锚点5以及多个电极。
如图5所示，滤波器中央的二维阵列位于硅基底9的通孔上，所述二维阵列由多个相连的阵列单元1构成。如图2和3所示，每一个阵列单元包括两个开口环谐振器11、13和一个一字形结构12。开口环谐振器11、13为矩形环，其中一边有开口，开口的中心线与该边的中心线重合。本例窄口开口环谐振器的开口宽度为3微米，宽口开口环谐振器的开口宽度为26微米。两个开口环谐振器11、13有开口的边及对边长度均为120微米、线宽均为12微米，两个开口环谐振器11、13的两腰、即另一对边的长度均为44微米。窄口开口环谐振器的两腰线宽度为7微米，宽口开口环谐振器的两腰线宽为8微米。
一字形结构12位于两个开口环谐振器11、13之间，与两个开口环谐振器11、13的有开口的边平行，两个开口环谐振器11、13的开口各朝向一字形结构12的一侧。一字形结构3的线宽度为14微米，长度为120微米。
如图3所示，本例窄口开口环谐振器11的有开口的边与相邻的一字形结构12的边之间的距离为二者的间距g1，宽口开口环谐振器13的有开口的边与相邻的一字形结构12的边之间的距离为二者的间距g2，本例g1和g2均为0～10微米，即g1和g2最小值为0微米，一字形结构12的侧边可以与两个开口环谐振器11、13中的一个相接触。
如图6所示，本例二维阵列中同一行内相邻的开口环谐振器11、13相互连接并固定于锚点5，锚点5固定安装于二维阵列外侧硅基底10上，同一行的一字形结构12相互连接，两端与可动框架2相连接。
如图4、5所示，开口环谐振器11、13和一字形结构12均为硅主体14，厚度均为25微米；硅主体14顶面为金属层15，本例为金层，厚0.65微米。
如图1所示，本例可动框架2为矩形框架，套在二维阵列外围，N个相同的静电梳齿驱动器4对称地固定安装于可动框架2左右外侧的硅基底10上。N个静电梳齿驱动器4分为驱动力相等的前后两组，前组左右各N/4个，后组也是左右各N/4个。前组的静电梳齿驱动器4的固定梳齿分别与左、右的B电极连接，B电极固定安装于二维阵列外侧硅基底10上，前组的静电梳齿驱动器的活动梳齿与二维阵列前半部的可动框架2连接，可动框架2连接其前方的A电极，A电极固定安装于二维阵列外侧硅基底10上。后组情况与前组类似，后组的静电梳齿驱动器的固定梳齿分别与左、右的C电极连接，C电极固定安装于二维阵列外侧硅基底10上，后组的静电梳齿驱动器的活动梳齿与二维阵列后半部的可动框架2连接，可动框架2连接其后方的D电极，D电极固定安装于二维阵列外侧硅基底10上。
本例可动框架2和静电梳齿驱动器4的主体也为硅，其厚度等于25微米。本例静电梳齿驱动器4的固定梳齿的主体硅与硅基底10之间有绝缘层41。
本例可动框架2的前后外侧连接复位弹簧8的一端，复位弹簧8另一端固定于硅基底10。
本例当驱动电压U1施加在A电极和B电极之间时前组的静电梳齿驱动器4的活动梳齿带动可动框架2向前方移动，即一字形结构12向窄口开口环谐振器11靠近，图7所示为间距g1为4微米，2微米，1微米，0微米时对应的归一化透射功率曲线对比图。图7中可明显看到g1为0微米时，频率低于0.8THz的归一化透射功率近于0，但在高频0.98THz归一化透射功率达到峰值0.69。
本例当驱动电压U2施加在C电极和D电极之间时后组的静电梳齿驱动器4的活动梳齿带动可动框架2向后方移动，即一字形结构12向宽口开口环谐振器13靠近，图8所示为间距g2为4微米，2微米，1微米0微米时对应的归一化透射功率曲线对比图。图8中可明显看到g2为0微米时，在频率高于0.8THz的归一化透射功率近于0，但在低频0.63THz归一化透射功率达到峰值0.69。
由图7和8中可见，随着施加的驱动电压不同，一字形结构12向不同方向移动，引起间距g1和g2的改变，即可调节本太赫兹带通滤波器的高频和低频通带中心频率的归一化透射功率。
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 (9)
1.一种双带动态可调的太赫兹带通滤波器，滤波器中央的二维阵列位于硅基底的通孔上，所述二维阵列由多个相连的阵列单元构成，其特征在于：
所述二维阵列的每一个阵列单元(1)包括两个开口环谐振器(11、13)和一个一字形结构(12)，开口环谐振器(11、13)和一字形结构(12)均为硅主体(14)，其顶面为金属层(15)，高度相同；开口环谐振器(11、13)为矩形环，其中一边有开口，开口的中心线与该边的中心线重合，两个开口环谐振器(11、13)的开口宽度不同，一字形结构(12)位于两个开口环谐振器(11、13)的之间、与两个开口环谐振器(11、13)的有开口的边平行，两个开口环谐振器(11、13)的开口的边各朝向一字形结构(12)的一侧；
二维阵列中同一行内相邻的开口环谐振器相互连接并固定于二维阵列外侧硅基底(10)的锚点上，同一行的一字形结构(12)相互连接；
还有一个可动框架(2)和多个静电梳齿驱动器(4)；可动框架(2)为矩形框架，套在二维阵列外围，二维阵列结构中的一字形结构(12)与可动框架(2)相连；多个静电梳齿驱动器(4)对称地固定安装于可动框架(2)左右外侧的硅基底(10)上；静电梳齿驱动器(4)的固定梳齿和活动梳齿交错排列、各连接不同的电极，静电梳齿驱动器的活动梳齿与可动框架(2)外侧相连接；多个静电梳齿驱动器(4)分为驱动力相等的两组，两组的静电梳齿驱动器(4)的活动梳齿移动方向相反；
所述每个阵列单元(1)中的开口环谐振器(11、13)的线宽度为3～15微米，窄口开口环谐振器(13)的开口宽度为2～10微米，宽口开口环谐振器(11)的开口宽度为10～55微米，一字形结构(12)的线宽度为6～20微米。
2.根据权利要求1所述的双带动态可调的太赫兹带通滤波器，其特征在于：
所述开口环谐振器(11、13)和一字形结构(12)顶面的金属层(15)为金层、银层、铜层和铝层中的任一种，厚度为0.05～1.0微米。
3.根据权利要求1所述的双带动态可调的太赫兹带通滤波器，其特征在于：
所述的开口环谐振器(11、13)和一字形结构(12)的硅主体(14)厚度为10～100微米。
4.根据权利要求1所述的双带动态可调的太赫兹带通滤波器，其特征在于：
所述二维阵列每个阵列单元(1)的长或宽为60～300微米。
5.根据权利要求1所述的双带动态可调的太赫兹带通滤波器，其特征在于：
所述每个阵列单元(1)中的开口环谐振器(11、13)的有开口的边及其对边的长度为100～150微米、线宽度为6～15微米，另两边的长度为35～55微米、线宽度为3～20微米。
6.根据权利要求1所述的双带动态可调的太赫兹带通滤波器，其特征在于：
所述开口环谐振器(11、13)有开口的边与相邻的一字形结构(12)的边之间的距离为0～10微米。
7.根据权利要求1所述的双带动态可调的太赫兹带通滤波器，其特征在于：
所述可动框架(2)和静电梳齿驱动器(4)主体也为硅，其厚度等于开口环谐振器(11、13)或一字形结构(12)硅主体(14)的厚度。
8.根据权利要求7所述的双带动态可调的太赫兹带通滤波器，其特征在于：
所述静电梳齿驱动器(4)的固定梳齿的主体硅与硅基底(10)之间有绝缘层(41)。
9.根据权利要求1所述的双带动态可调的太赫兹带通滤波器，其特征在于：
所述可动框架(2)的前后外侧连接复位弹簧(8)的一端，复位弹簧(8)另一端固定于硅基底(10)。
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