CN110927098B - 一种基于腔模共振的太赫兹传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于腔模共振的太赫兹传感器及其制备方法，太赫兹传感器，包括：基体和平行排列的若干线性传感器单元，每个传感器单元包括反射腔和填充于反射腔内的填充物，所述反射腔的端部设置有开口槽，反射腔的侧壁上附着金属反射层，所述所述填充物的折射率为1‑10。该传感器可以增强太赫兹波与物质之间的耦合，提高传感器的品质因数与灵敏度。

Description

一种基于腔模共振的太赫兹传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及超材料太赫兹传感器技术领域，具体涉及一种基于腔模共振的太赫兹传感器及其制备方法。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

腔模共振是指入射的光由于腔内表面的多次反射的相干增强，在腔中的波形成驻波模式的现象；当入射光频率与腔模共振频率相匹配时，形成腔模共振，此时入射光与物质产生强耦合，形成明显的电场集中，可以在其吸收光谱中观察到一个窄的选择性吸收带。其极低的光子损耗率和小的腔模体积器件有助于提高传感器性能。

提高传感器性能的核心方法是利用不同的物理机制加强太赫兹波和分析物之间的光-物质相互作用，最近也有许多基于不同物理机制的传感器提出。开口环谐振器(SRR)在THz传感中得到了广泛的研究，主要是针对特定区域LC共振引起的强光-物质相互作用。为了克服超材料的辐射损耗，在THz传感中引入了非对称SRR，实现在极窄的光谱范围内大大提高了光的吸收。此外，双分裂环、多分裂环和多层谐振器也得到了广泛的研究。与PPWG集成的THz谐振器极大地改善了传感性能，从而为THz传感特别是用于微流体或在线工艺应用中所需的流量监测提供了新的方向。由于腔内多次反射的干涉，法布里-佩罗腔通过最大化光-物质相互作用而达到较高的Q值。伪等离子体表面(SPSs)是THz传感中的一个重要研究课题，因为在亚波长尺度上，高度受限的电磁表面波可以被具有波纹结构的金属表面支撑。然而，随着对传感器需求的增加，新的研究方向和物理机制仍有待探索，以进一步提高传感器的性能。

太赫兹波段介于中红外与微波之间，正好位于电子学到光子学的过渡区域，在无线通讯、雷达技术、无损检测、生物医疗成像等方面展现出重要的科研价值与广阔的应用前景。太赫兹传感技术作为太赫兹技术发展的基础之一成为近几年来国际上的热门前沿研究领域。但是太赫兹波与物质之间的弱相互作用很大程度上限制了太赫兹传感器性能的进一步提高。

发明内容

为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是提供一种基于腔模共振的太赫兹传感器及其制备方法。该传感器可以增强太赫兹波与物质之间的耦合，提高传感器的品质因数与灵敏度。

为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：

一种基于腔模共振的太赫兹传感器，包括：基体和平行排列的若干线性传感器单元，每个传感器单元包括反射腔和填充于反射腔内的填充物，所述反射腔的端部设置有开口槽，反射腔的侧壁上附着金属反射层，所述所述填充物的折射率为1-10。

当太赫兹波垂直入射时，在腔内的多次反射形成驻波模式和电场集聚，与腔模共振频率匹配的太赫兹波被选择性吸收，其他频率成分被反射出腔外，可以增强太赫兹波与传感器之间的耦合，提高传感器的品质因数与灵敏度。器件腔模共振的共振频率随着金属腔几何参数的变化而变化实现了对于单元器件的频率调谐。

在一些实施例中，所述反射腔的深度为30～120μm，宽度为10～100μm，开口槽的深度为1～10μm，宽度为10～100μm。

在一些实施例中，所述金属反射层的材质为Au、Al、Ag、Pt或Cu。这几类金属的电导率和磁导率较高，因而趋肤深度更小，因而光在金属中的损耗就更小，有助于形成更窄带的选择性吸收。

进一步的，所述金属反射层的厚度为40-60nm。金属反射层过厚会导致器件尺寸增大，不利于集成，且会增加器件制备成本；而金属反射层过薄则会导致在趋肤深度尺度上有较大的能量损耗，不利于传感器性能的提高。

在一些实施例中，所述填充物为乙醇、乙醚、酒精、甘油、四氯化碳、丙酮或水溶液。

进一步的，所述填充物的体积与反射腔和开口槽围成的空间的体积相等。经过试验发现，当填充物的体积改变时也会使所得到的吸收光谱图的共振频率发生改变，因而需要统一填充物的体积，而最可控的控制体积方式就是将金属腔恰好填满，即填充物的体积与反射腔和开口槽围成的空间的体积相等。

所述基于腔模共振的太赫兹传感器的制备方法，包括如下步骤：

在两块清洗后的高阻硅衬底上旋涂光刻胶层；

在光刻胶层用紫外光刻法或激光直写进行曝光、显影、去胶，得到图形；

沿着所述图形刻蚀出沟槽，其中，第一高阻硅衬底的沟槽宽度和深度分别大于第二高阻硅衬底的沟槽宽度和深度，且两块高阻硅衬底的沟槽位置相对应；

在沟槽内生长金属反射层；

将两块高阻硅衬底的图形侧利用金金键合工艺对准键合，使两块高阻硅衬底的沟槽开口相对设置；

将第二高阻硅衬底进行机械磨抛，使剩余的部分的厚度为1-10μm；

将填充物填充于沟槽中。

采用该种制备方法，可以制备得到设置有开口槽的反射腔结构。

在一些实施例中，高阻硅衬底的清洗方法，包括如下步骤：将高阻硅衬底放入丙酮中水浴加热超声清洗，再放入乙醇中水浴加热超声清洗，再用去离子水超声清洗，最后氮气吹干，即可。

可以彻底除去高阻硅衬底表面的污物，以更好地生长金属反射层。

在一些实施例中，刻蚀沟槽的方法为感应耦合等离子体刻蚀方法。

在一些实施例中，第一高阻硅衬底的沟槽的深度为30～120μm，宽度为10～100μm，第二高阻硅衬底的沟槽的深度为1～10μm，宽度为10～100μm。

制备的太赫兹超材料传感器只能对于入射波中的横电波成分产生吸收响应，而横磁波成分被全部反射，无吸收响应。因而通过吸收响应的峰值可进行入太赫兹波的极化角度检测。

所述太赫兹超材料的太赫兹双带吸收响应的主动调控方法，为保持相邻两单元的尺寸之和不变，改变两单元中腔宽的差值ΔW，实现对于双带太赫兹吸收响应的主动控制。ΔW为0时，太赫兹吸收响应的基模只有一个吸收峰；ΔW不断增加，两个吸收峰的距离不断增大。

按照耦合模式理论计算腔模共振频率的共振频率表达式

其中W，H分别为金属腔的宽度和深度ε为填充介质的折射率，c为光速，η为修正因子，n和m为正整数。通过控制W与H即可获得目标共振频率。本发明所述超材料的金属腔深度从30μm逐渐增大到120μm，金属腔宽度从10μm逐渐增大100μm到和介质折射率从1逐渐增大到10，共振频率由10THz红移至0.1THz。

本发明的有益效果为：

本发明将腔模共振应用于超材料太赫兹传感器，将太赫兹波与物质进行有效的耦合，得到了窄带的太赫兹吸收响应，相比于其他器件具有更高的品质因数和折射率传感灵敏度。

本发明所述太赫兹超材料的太赫兹吸收响应的主动调控方法，按照耦合模式理论，通过几何参数实现主动调控。本发明所述太赫兹超材料在不同极化角度太赫兹入射波下的吸收响应，应用于入射太赫兹波极化的检测。本发明所述太赫兹超材料的太赫兹双带吸收响应的主动调控方法。本发明的超材料太赫兹传感器具有结构简单、传感功能多样、可主动调谐的优点。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例中提供的太赫兹超材料传感器的截面图；

图2为本发明实施例中提供的太赫兹超材料传感器单元结构的主视图；

图3为发明实施例中提供的基于腔模共振的太赫兹超材料的吸收系数的模拟结果图；

图4为采用发明实施例中提供的太赫兹超材料的太赫兹吸收响应的主动调控方法，介质折射率为1.55不变，(a)保持腔宽为65μm，金属腔深度从53μm增大到73μm，(b)保持腔深为63μm，金属腔宽度从55μm增大到75μm，基于腔模共振的太赫兹超材料的吸收系数的模拟结果图；

图5为采用发明实施例中所述太赫兹超材料在不同极化角度太赫兹入射波下的吸收响应进行入射太赫兹波的极化角度的检测，不同极化角度下的太赫兹超材料的吸收系数的模拟结果图；

图6为采用发明实施例中所述太赫兹超材料的太赫兹双带吸收响应的主动调控方法，ΔW为(a)2μm，(b)4μm，(c)8μm时的吸收系数的模拟结果图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图1和图2，该基于腔模共振的高灵敏度一维太赫兹超材料传感器，其周期性传感器的单元结构包括介质填充区1和外围的金属太赫兹反射腔结构2，其中介质填充于金属内部空腔以及金属腔顶部的开口槽部分，其主视图呈“凸”字形。所述介质填充区1是由介质折射率介于1～10之间的介质构成，所述金属太赫兹反射腔结构2的材料不局限于金、银等高电导率金属，作为外围金属太赫兹反射腔结构1的材料为金，包括金空腔以及在腔顶部的开口槽两部分。太赫兹反射腔的深度为30μm～120μm，宽度为10μm～100μm；顶部金属开口槽的高度为1～10μm，宽度为10～100μm。

实施例1

制作该超材料的方法，包括如下步骤：

1)将高阻硅衬底进行清洗，步骤如下：放入丙酮中水浴加热超声清洗5分钟，再放入乙醇中水浴加热超声清洗5分钟，再用去离子水清洗5分钟，最后用氮气吹干；

2)在高阻硅衬底上旋涂光刻胶，厚度为1-2微米左右；

3)在步骤2)所述样品上用紫外光刻法或者激光直写进行曝光，然后显影，去胶，得到图形；

4)在步骤3)所述的样品上采用感应耦合等离子体刻蚀技术刻蚀出沟槽，深度为60微米，宽度为60微米；

5)在步骤4)所述的样品通过电子束蒸发技术生长50nm的Au，用于形成太赫兹反射腔；

6)将另外一片高阻硅进行清洗，同步骤1)；

7)同步骤2)、3)、4)，对步骤6)所述样品涂胶、光刻、刻蚀，刻蚀沟槽要求深度为20微米，宽度为20微米；

8)将步骤7)所述样品通过电子束蒸发技术生长50nm Au，用于形成太赫兹腔的上层结构；

9)将步骤8)所述样品与步骤5)所述样品，利用金金键合工艺技术对准键合；

10)将步骤9)所述样品的一侧(步骤8)所述样品侧)利用化学机械磨抛技术磨去大部分，只剩20微米左右.

实施例2

基于腔模共振的太赫兹超材料的吸收系数的仿真计算：

为了获得对太赫兹波的最大吸收，通过设计和优化超材料单元结构尺寸，在特定频率波段处使得腔模共振频率与入射太赫兹波的频率匹配，此时入射太赫兹波将最大程度地进入到腔内部被吸收损耗。为了使太赫兹波的透射率为0，将底层金衬底的厚度设置为大于太赫兹波在次波段的趋肤深度。

将该实施例中的超材料传感器对其太赫兹波的吸收率进行仿真计算，太赫兹波垂直入射超材料表面，电场偏振方向与开口槽的方向平行，磁场偏振方向与开口槽的方向垂直。仿真计算中采用Drude模型对金的介质折射率进行描述。吸收系数计算公式A＝1–R–T,其中R为反射系数，T为透射系数，由于下层金属衬底的厚度大于所探究频段范围对应的趋肤深度，因此T可以忽略不计，吸收系数计算公式简化为A＝1–R。仿真计算得到的吸收谱如图3所示，结果表明当金属腔结构的腔宽与腔深分别设定为65μm和63μm，顶部开口槽的高度为3.7μm，宽度为22μm，填充介质的折射率保持为1.55时，该材料的吸收峰值达到80％@2.043THz。

实施例3

通过几何参数进行谐振频率的主动调谐的仿真计算：

本实施例的仿真计算条件与实施例1的大致相同，不同之处在于：将腔结构的腔宽保持不变，通过控制腔深进行谐振频率的主动调谐；将腔结构的腔深保持不变，通过控制腔宽进行谐振频率的主动调谐。

该实施例中的超材料传感器对其太赫兹波的吸收率进行仿真计算。太赫兹波垂直入射超材料表面，电场偏振方向与开口槽的方向平行，磁场偏振方向与开口槽的方向垂直。仿真计算中采用Drude模型对金的介质折射率进行描述。保持腔宽不变改变腔深，仿真结果得到的吸收曲线组如图4中(a)所示，该超材料传感器的共振吸收频率从2.238THz红移至1.913THz。保持腔深不变改变腔宽，仿真结果得到的吸收曲线组如图4中(b)所示，该超材料传感器的共振吸收频率从2.256THz红移至1.867THz。

实施例4

入射波的极化角度传感的仿真计算：

本实施例的仿真计算条件与实施例1的大致相同，不同之处在于：改变入射太赫兹波的偏振角度实现在共振频率处的不同反射系数。

该实施例中的超材料传感器对其太赫兹波的吸收率进行仿真计算。太赫兹波垂直入射超材料表面，控制入射波的偏振方向从88％减小到20％，可以得到如图5所示谐振频率1.986THz处的反射系数从90.6％增大到98.8％，相应的吸收系数减少。因此本发明具有入射波的极化角度依赖的特性。

实施例5

双带吸收系数随着相邻单元之间的腔宽之差变化的仿真计算：

本实施例的仿真计算条件于实施例1的大致相同，不同之处在于：保持相邻两单元结构的周期之和不变，改变两单元结构的腔宽之差ΔW，得到由于不对称特性的引入而产生的的双带吸收两吸收峰相对位置的变化。

该实施例中的超材料传感器对其太赫兹波的吸收率进行仿真计算。太赫兹波垂直入射超材料表面，电场偏振方向与开口槽的方向平行，磁场偏振方向与开口槽的方向垂直。仿真计算中采用Drude模型对金的介质折射率进行描述。如图6所示，ΔW分别取值为2μm、4μm、8μm，则会得到原本共振频率处的一个吸收峰分裂为两个，且随着ΔW的增大，两个新吸收峰之间的距离变远。因而本发明的太赫兹超材料传感器可通过控制ΔW实现对于双带传感的主动调谐。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种对谐振频率可主动调谐的基于腔模共振的太赫兹传感器，其特征在于：包括：基体和平行排列的若干线性传感器单元，传感器单元的结构包括介质填充区和外围的金属太赫兹反射腔结构，其中介质填充于金属内部空腔以及金属腔顶部的开口槽部分，其主视图呈“凸”字形；

所述介质填充区是由介质折射率介于1～10之间的介质构成，外围金属太赫兹反射腔结构的材料为金，包括金空腔以及在腔顶部的开口槽两部分；

太赫兹反射腔的深度为30μm～120μm，宽度为10μm～100μm；顶部金属开口槽的高度为1～10μm，宽度为10～100μm；

制作该传感器的方法，包括如下步骤：

在两块清洗后的高阻硅衬底上旋涂光刻胶层；

在光刻胶层用紫外光刻法或激光直写进行曝光、显影、去胶，得到图形；

沿着所述图形刻蚀出沟槽，其中，第一高阻硅衬底的沟槽宽度和深度分别大于第二高阻硅衬底的沟槽宽度和深度，且两块高阻硅衬底的沟槽位置相对应；

在沟槽内生长金属反射层；

将两块高阻硅衬底的图形侧利用金金键合工艺对准键合，使两块高阻硅衬底的沟槽开口相对设置；

将第二高阻硅衬底进行机械磨抛，使剩余的部分的厚度为1-10μm；

将介质填充于沟槽中。

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