CN108319040A - 一种多层金属层结构电控太赫兹波开关 - Google Patents

一种多层金属层结构电控太赫兹波开关 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多层金属层结构电控太赫兹波开关。它包括基底层、二氧化硅层、多层金属结构阵列层。其中,多层金属结构阵列层由6×6个多层金属单元结构排列组成,多层金属单元结构又由上层矩形金属层、中间桥形金属层和下层楼梯形金属层组成。太赫兹信号垂直照射在太赫兹波开关时,当在上层矩形金属层与基底层之间无电压时,此时由于金属之间的不连续性使得开关上侧和下侧的感应电场和磁场的强度最弱,太赫兹波能通过,为“开”状态;当在上层矩形金属层与基底层之间施加电压时,中间桥形金属层发生偏转与下层楼梯形金属层相连接,此时消除了原来金属之间的不连续性,金属电子形成表面电流,从而在顶部产生相当大的电场和磁场,使太赫兹波被反射,表现为“关”状态。本发明具有结构简单紧凑,尺寸小,控制原理新颖,容易加工等优点。

Description

一种多层金属层结构电控太赫兹波开关
技术领域
本发明涉及太赫兹波开关,尤其涉及一种多层金属层结构电控太赫兹波开关。
背景技术
近年来,处于宏观电子学到微观电子学过度区域的太赫兹技术是二十世纪80年代末发展起来的一种新技术。太赫兹波独特的频率范围(位于微波频段和光频段之间)覆盖了多数大分子物质的分子振动和转动光谱,因此多数大分子物质在太赫兹频段无论其吸收谱、反射谱还是发射谱都具有明显的指纹谱特性,这一点是微波所不具备的。太赫兹波辐射源与检测手段突飞猛进的进步促进了相关器件功能的悄然兴起。因此太赫兹技术以及太赫兹器件的研究逐渐成为世界范围内广泛研究的热点。
太赫兹系统主要由辐射源、探测器件和各种功能器件组成。在实际应用中,由于应用环境噪声以及应用需要的限制等,需控制太赫兹波系统中的太赫兹波的通断,因而太赫兹波开关是一类十分重要的功能器件。当前国内外研究的并提出过的太赫兹波开关结构主要基于光子晶体、表面等离子体等结构,这些结构往往很复杂,而且在实际制作过程中困难重重,成本较高,对加工工艺和加工环境要求也高。所以迫切需要提出结构简单、尺寸小、便于加工制作的太赫兹波开关来支撑太赫兹波应用领域的发展。因此,本发明利用多层金属结构重组来实现对太赫兹波开断的控制。
发明内容
本发明为了克服现有技术不足,提供一种多层金属层结构电控太赫兹波开关。
为了达到上述目的,本发明的技术方案如下:
多层金属层结构电控太赫兹波开关,其包括基底层、二氧化硅层、多层金属结构阵列层;基底层上依次设有二氧化硅层和多层金属结构阵列层;多层金属结构阵列层由6×6个多层金属单元结构阵列排布而成,多层金属单元结构由上层矩形金属层、中间桥形金属层和下层楼梯形金属层从下至上依次叠加而成,下层楼梯形金属层由两个矩形金属块、两条侧边矩形金属条和若干第一中间矩形条组成,两条侧边矩形金属条平行设置于二氧化硅层上,每条侧边矩形金属条上间隔固定有若干条第一中间矩形条,两条侧边矩形金属条上的第一中间矩形条成对设置且每对第一中间矩形条之间具有间隙,两个矩形金属块分别设置于下层楼梯形金属层的两端;中间桥形金属层由第二中间矩形条和固定在第二中间矩形条两端的第一开孔矩形环组成,且在太赫兹波开关不工作时,两个第一开孔矩形环分别非固定式放置于两个矩形金属块上,第二中间矩形条与下方的下层楼梯形金属层不直接接触;上层矩形金属层由第三中间矩形条和第二开孔矩形环组成,第三中间矩形条放置于第二中间矩形条上,两个第二开孔矩形环分别放置在第三中间矩形条的两端,且第三中间矩形条与第二开孔矩形环不接触;每个多层金属单元结构下方的基底层主体顶面上均排列有一个齿型凸起,每个齿型凸起中包括6个纵向长方体和5个横向长方体,6个纵向长方体直线排列,相邻两个纵向长方体之间通过1个横向长方体连接;每个多层金属单元结构下方的二氧化硅层上开设有与齿型凸起配合的齿型槽孔,每个齿型凸起嵌入一个齿型槽孔中。太赫兹信号垂直照射在太赫兹波开关时,当在上层矩形金属层与基底层之间无电压时,此时由于金属之间的不连续性使得开关上侧和下侧的感应电场和磁场的强度最弱,太赫兹波能通过,为“开”状态;当在上层矩形金属层与基底层之间施加电压时,中间桥形金属层发生偏转并产生向下弯曲的形变,与下层楼梯形金属层相连接,此时消除了原来金属之间的不连续性,金属电子形成表面电流,从而在顶部产生相当大的电场和磁场,使太赫兹波被反射,表现为“关”状态。
基于上述方案,可进一步采用如下优选方式:
所述的基底层的材料为P型硅材料,基底层主体的长度为600μm,宽度为240μm,厚度为5.5μm;基底层主体顶面上的每个纵向长方体的长为8μm,宽为10μm,高为3μm;每个横向长方体的长为3μm,宽为2μm,高为3μm。所述的二氧化硅层的整体长度为600μm,宽度为240μm,厚度为3μm;其中,齿型槽孔的总长度为63μm,宽度为10μm,高为3μm;齿型槽孔中两侧对称排列着10个矩形块,每个矩形块的长为3μm,宽为4μm,高为3μm。所述的下层楼梯形金属层的材料为铜,所述的矩形金属块长为8μm,宽为10μm,厚为0.25μm;固定于同一侧边矩形金属条上相邻的第一中间矩形条之间的距离为8μm,第一中间矩形条宽度为3μm,厚为0.25μm;侧边矩形金属条长为63μm,宽度为2μm,厚为0.25μm。所述的中间桥形金属层材料为铜,第二中间矩形条的长63μm,宽为10μm,厚为0.25μm;第一开孔矩形环的外矩形长为8μm,宽为10μm,厚为0.25μm,开孔呈正方形,边长为2μm。所述的上层矩形金属层的材料为铜,第三中间矩形条的长47μm,宽为10μm,厚为1μm;第二开孔矩形环的外矩形长为12μm,宽为10μm,厚为1μm,开孔呈正方形,边长为2μm,两侧第二开孔矩形环边缘到第三中间矩形条边缘的最近距离为8μm。
本发明的一种多层金属层结构电控太赫兹波开关具有结构简单紧凑,尺寸小,控制原理新颖,容易加工等优点。本发明能够通过控制外加电压来控制多层金属结构阵列层是否产生电流,从而可以控制太赫兹波的传输的通断,实现开关效果。
附图说明
图1是一种多层金属层结构电控太赫兹波开关的三维结构示意图(因视角原因,仅示出一侧的侧边矩形金属条,另一侧亦呈对称结构,图2亦同);
图2是一种多层金属层结构电控太赫兹波开关的多层金属单元结构三维示意图;
图3为基底层结构示意图。
图4为二氧化硅层结构示意图。
图5为下层楼梯形金属层结构示意图。
图6为中间桥形金属层结构示意图。
图7为上层矩形金属层结构示意图。
图8为一种多层金属层结构电控太赫兹波开关传输效率图。
具体实施方式
如图1~7所示,一种多层金属层结构电控太赫兹波开关,其包括基底层1、二氧化硅层2、多层金属结构阵列层3;基底层1上依次设有二氧化硅层2和多层金属结构阵列层3;多层金属结构阵列层3由6×6个多层金属单元结构4阵列排布而成,多层金属单元结构4由上层矩形金属层7、中间桥形金属层6和下层楼梯形金属层5从下至上依次叠加而成,下层楼梯形金属层5由两个矩形金属块、两条侧边矩形金属条和若干第一中间矩形条组成,两条侧边矩形金属条平行设置于二氧化硅层2上,每条侧边矩形金属条上间隔固定有若干条第一中间矩形条,两条侧边矩形金属条上的第一中间矩形条成对设置且每对第一中间矩形条之间具有间隙。侧边矩形金属条和第一中间矩形条形成整体上形似楼梯的结构。两个矩形金属块分别设置于下层楼梯形金属层5的楼梯结构两端,且与楼梯结构不接触。多层金属单元结构4整体以各对第一中间矩形条之间的间隙为中心线对称。中间桥形金属层6由第二中间矩形条和固定在第二中间矩形条两端的第一开孔矩形环组成,且在太赫兹波开关不工作时,两个第一开孔矩形环分别放置于两个矩形金属块上,且放置方式为非固定式放置,第一开孔矩形环、矩形金属块两者可以在外力作用下脱离。第二中间矩形条顶面与两个第一开孔矩形环顶面平齐,第二中间矩形条与下方的下层楼梯形金属层5不直接接触。上层矩形金属层7由第三中间矩形条和第二开孔矩形环组成,第三中间矩形条放置于第二中间矩形条上,两个第二开孔矩形环分别放置在第三中间矩形条的两端且位于第一开孔矩形环上,且第三中间矩形条与第二开孔矩形环不接触;每个多层金属单元结构4下方的基底层1主体顶面上均排列有一个齿型凸起,每个齿型凸起中包括6个纵向长方体和5个横向长方体,6个纵向长方体直线排列,相邻两个纵向长方体之间通过1个横向长方体连接;每个多层金属单元结构4下方的二氧化硅层2上开设有与齿型凸起配合的齿型槽孔,每个齿型凸起嵌入一个齿型槽孔中。基底层1和二氧化硅层2契合后,二氧化硅层2顶面刚好平整。太赫兹信号垂直照射在太赫兹波开关时,当在上层矩形金属层7与基底层1之间无电压时,此时由于金属之间的不连续性使得开关上侧和下侧的感应电场和磁场的强度最弱,太赫兹波能通过,为“开”状态;当在上层矩形金属层7与基底层1之间施加电压时,中间桥形金属层6发生偏转和向下的形变,与下层楼梯形金属层5相连接,此时消除了由各对第一中间矩形条之间的间隙带来的金属之间的不连续性,金属电子形成表面电流,从而在顶部产生相当大的电场和磁场,使太赫兹波被反射,表现为“关”状态。
实施例1
本实施例中,多层金属层结构电控太赫兹波开关的结构如前所述(图1~7),不再赘述。但各器件所采用的参数如下:基底层1的材料为P型硅材料,基底层1主体的长度为600μm,宽度为240μm,厚度为5.5μm;基底层1主体顶面上的每个纵向长方体的长为8μm,宽为10μm,高为3μm;每个横向长方体的长为3μm,宽为2μm,高为3μm。二氧化硅层2的整体长度为600μm,宽度为240μm,厚度为3μm;其中,齿型槽孔的总长度为63μm,宽度为10μm,高为3μm;齿型槽孔中两侧对称排列着10个矩形块,每个矩形块的长为3μm,宽为4μm,高为3μm。下层楼梯形金属层5的材料为铜,矩形金属块长为8μm,宽为10μm,厚为0.25μm;固定于同一侧边矩形金属条上相邻的第一中间矩形条之间的距离为8μm,第一中间矩形条宽度为3μm,厚为0.25μm;侧边矩形金属条长为63μm,宽度为2μm,厚为0.25μm。中间桥形金属层6材料为铜,第二中间矩形条的长63μm,宽为10μm,厚为0.25μm;第一开孔矩形环的外矩形长为8μm,宽为10μm,厚为0.25μm,开孔呈正方形,边长为2μm。上层矩形金属层7的材料为铜,第三中间矩形条的长47μm,宽为10μm,厚为1μm;第二开孔矩形环的外矩形长为12μm,宽为10μm,厚为1μm,开孔呈正方形,边长为2μm,两侧第二开孔矩形环边缘到第三中间矩形条边缘的最近距离为8μm。针对该多层金属层结构电控太赫兹波开关的各项性能指标采用ANSYS HFSS软件进行测试,太赫兹波垂直入射到开关时,图8为太赫兹波开关的传输曲线,可以看到,在f=0.8THz时,无外加电压时,传输功率约为3%,开关处于“关”状态,当外加30伏特电压时,传输功率为约92%,开关处于“开”状态,实现开关功能。

Claims (6)

1.一种多层金属层结构电控太赫兹波开关,其特征在于包括基底层(1)、二氧化硅层(2)、多层金属结构阵列层(3);基底层(1)上依次设有二氧化硅层(2)和多层金属结构阵列层(3);多层金属结构阵列层(3)由6×6个多层金属单元结构(4)阵列排布而成,多层金属单元结构(4)由上层矩形金属层(7)、中间桥形金属层(6)和下层楼梯形金属层(5)从下至上依次叠加而成,下层楼梯形金属层(5)由两个矩形金属块、两条侧边矩形金属条和若干第一中间矩形条组成,两条侧边矩形金属条平行设置于二氧化硅层(2)上,每条侧边矩形金属条上间隔固定有若干条第一中间矩形条,两条侧边矩形金属条上的第一中间矩形条成对设置且每对第一中间矩形条之间具有间隙,两个矩形金属块分别设置于下层楼梯形金属层(5)的两端;中间桥形金属层(6)由第二中间矩形条和固定在第二中间矩形条两端的第一开孔矩形环组成,且在太赫兹波开关不工作时,两个第一开孔矩形环分别非固定式放置于两个所述的矩形金属块上,第二中间矩形条与下方的下层楼梯形金属层(5)不直接接触;上层矩形金属层(7)由第三中间矩形条和第二开孔矩形环组成,第三中间矩形条放置于第二中间矩形条上,两个第二开孔矩形环分别放置在第三中间矩形条的两端,且第三中间矩形条与第二开孔矩形环不接触;每个多层金属单元结构(4)下方的基底层(1)主体顶面上均排列有一个齿型凸起,每个齿型凸起中包括6个纵向长方体和5个横向长方体,6个纵向长方体直线排列,相邻两个纵向长方体之间通过1个横向长方体连接;每个多层金属单元结构(4)下方的二氧化硅层(2)上开设有与齿型凸起配合的齿型槽孔,每个齿型凸起嵌入一个齿型槽孔中。
2.根据权利要求1所述的一种多层金属层结构电控太赫兹波开关,其特征在于所述的基底层(1)的材料为P型硅材料,基底层(1)主体的长度为600μm,宽度为240μm,厚度为5.5μm;基底层(1)主体顶面上的所述每个纵向长方体的长为8μm,宽为10μm,高为3μm;所述每个横向长方体的长为3μm,宽为2μm,高为3μm。
3.根据权利要求1所述的一种多层金属层结构电控太赫兹波开关,其特征在于所述的二氧化硅层(2)的整体长度为600μm,宽度为240μm,厚度为3μm;其中,齿型槽孔的总长度为63μm,宽度为10μm,高为3μm;齿型槽孔中两侧对称排列着10个矩形块,每个矩形块的长为3μm,宽为4μm,高为3μm。
4.根据权利要求1所述的一种多层金属层结构电控太赫兹波开关,其特征在于所述的下层楼梯形金属层(5)的材料为铜,所述的矩形金属块长为8μm,宽为10μm,厚为0.25μm;固定于同一侧边矩形金属条上相邻的第一中间矩形条之间的距离为8μm,第一中间矩形条宽度为3μm,厚为0.25μm;侧边矩形金属条长为63μm,宽度为2μm,厚为0.25μm。
5.根据权利要求1所述的一种多层金属层结构电控太赫兹波开关,其特征在于所述的中间桥形金属层(6)材料为铜,第二中间矩形条的长63μm,宽为10μm,厚为0.25μm;第一开孔矩形环的外矩形长为8μm,宽为10μm,厚为0.25μm,开孔呈正方形,边长为2μm。
6.根据权利要求1所述的一种多层金属层结构电控太赫兹波开关,其特征在于所述的上层矩形金属层(7)的材料为铜,第三中间矩形条的长47μm,宽为10μm,厚为1μm;第二开孔矩形环的外矩形长为12μm,宽为10μm,厚为1μm,开孔呈正方形,边长为2μm,两侧第二开孔矩形环边缘到第三中间矩形条边缘的最近距离均为8μm。
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