CN112713412A - 一种基于微热板精确温控系统的超材料吸波器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的是一种基于微热板精确温控系统的超材料吸波器。其特征是：包括硅基微热板1和VO2超材料吸波器2；硅基微热板1由接触电极3、4、5、6，承重梁7、8、9、10，一字梁11、12，腐蚀窗口13，加热电阻14，支撑膜15组成；VO2超材料吸波器2由金属底板层16，硅基底层17，VO2层18，金属内开口环19，金属外开口环20和硅基座21组成。本发明可用于温控超材料器件，例如超材料开关、超材料分束器、超材料滤波器、超材料调制器、超材料吸波器等，可广泛用于无线通信、传感、医学检测和诊断等领域。

Description

一种基于微热板精确温控系统的超材料吸波器
(一)技术领域
本发明涉及的是一种基于微热板精确温控系统的超材料吸波器，可用于温控超材料器件，例如超材料开关、超材料分束器、超材料滤波器、超材料调制器、超材料吸波器等，属于MEMS技术和太赫兹器件技术领域。
(二)背景技术
吸波器是一种可以将入射在其表面上的电磁波转换成其他形式能量的器件，其通过减少器件对电磁波透射和反射来实现吸收电磁波。近年来，作为人造电磁材料，超材料具有常规材料所不具备的物理性能，超材料吸收器也受到广泛关注。超材料吸波器因为材料的特殊性质，使得可以制造超薄的尺寸下达到超高的吸收率，并且可以实现吸波器的吸收率可控等优点。因此超材料吸波器在成像、生物、太阳能电池、传感器等领域有着广阔的应用前景。相比较传统的吸波器，超材料吸波器的厚度可以达到十分之一波长甚至更小，这对于微型集成光电系统来说是一个很大的突破。超材料吸波器具有很强的频率选择特性，对于传统吸波器是一个极大的突破，使得超材料吸波器在传统吸波器无法实现的领域发挥作用。传统的超材料吸波器只能在某固定的吸收率下工作，如需改变对电磁波的吸收率，则需重新设计和加工，成本增加，且为研究工作带来不便。目前，可调谐的超材料吸波器成为近年来新兴的研究方向，即在不改变吸波器本身结构的前提下，利用组成材料的可调性质来改变其电磁特性，从而影响整个结构的吸波效果。常见的可调材料有VO2、液晶、锑化铟、石墨烯等。
传统的温控VO2超材料吸波器在控制吸波器温度时，采用方法有改变整体实验环境的温度和用缠绕线圈加热等方法，这些温控方法功耗大，精度低，反应时间长等缺点，而且在实验中实验器件损耗较大，容易导致器件损坏。目前新出现的光泵浦太赫兹调制大大提高了调制深度和调制速度，但是仍然存在着器件制作工艺复杂和泵浦光功率高的问题。针对传统二氧化钒温控器件使用中温控精度低、加热慢和对器件损伤大等缺陷，本发明提出的微热板精确温控系统的超材料吸波器具有反应时间短、灵敏度高和功耗小的等优点。使用硅为基底的微热板，可以很好地与温控VO2超材料吸波器兼容。
文献“Landy N I,Sajuyigbe S,Mock J J,et al.Perfect metamaterialabsorber[J].Physical review letters,2008,100(20):207402”公开发布了一种超材料吸波器，此吸波器是基于单个导体环谐振器和短导线组合，可以对特定频率的电磁波实现接近100％的吸收。文献2“汪家奇,唐祯安.一种与CMOS工艺兼容的金属微热板[J].传感技术学报,2009,22(01):42-44”公开发表了一种基于COMS工艺的微热板。此微热板使用悬浮式支撑膜，具有良好的绝热效果。此外，申请人于2014年公开了一种以硅为基底的微热板(中国专利：CN201420399904.1)，使用MEMS作为硅基微热板的制造技术。硅基微热板包括单晶硅衬底；多孔硅层，形成于所述单晶硅衬底的上表面且具有一定深度，所述多孔硅层的上表面及孔壁表面形成有二氧化硅薄膜，且所述多孔硅层与所述单晶硅衬底的上表面平齐；下绝缘层，覆盖所述多孔硅层及所述单晶硅衬底的上表面。
本发明公开了一种基于微热板精确温控系统的超材料吸波器及使用方法，可用于温控超材料器件，例如超材料开关、超材料分束器、超材料滤波器、超材料调制器、超材料吸波器等。本设计将微热板作为超材料结构的外部加热器件，通过温控方式实现超材料吸波器的主动调控功能。本发明中硅基微热板可以很好的与VO2超材料薄膜结合，具有极大的应用前景。在该结构中，微热板作为外部加热器件，基于VO2的超材料吸波器作为核心器件。此结构具有功耗小、反应时间短、灵敏度高和不受环境限制的的特点，极大地提高了超材料吸波器实用性和调控灵敏度。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种反应时间短、灵敏度高和功耗小的基于微热板精确温控系统的超材料吸波器。
本发明的目的是这样实现的：
本发明主要包括2部分：硅基微热板1和VO2超材料吸波器2；其中硅基微热板1由接触电极3、4、5、6，承重梁7、8、9、10，一字梁11、12，腐蚀窗口13，加热电阻14，支撑膜15组成；VO2超材料吸波器2由金属底板层16，硅基底层17，VO2层18，金属内开口环19，金属外开口环20和硅基座21组成。所述系统中外界通过接触电极3、4、5、6为微热板1施加电压，电流通过承重梁7、8、9、10，一字梁11、12和加热电阻14，在加热电阻14产生大量的焦耳热，VO2超材料吸波器2被加热VO2超材料吸波器2的环境温度升高，超材料中的VO2因为温度改变而产生相变，最终改变吸波器的性能，实现通过温控的方式对超材料吸波器进行主动调控。
一种微热板精确温控系统的超材料吸波器采用支撑膜为悬浮式的微热板，悬浮式的微热板相比较膜片式微热板的热损耗和功耗要小很多。本文中的悬浮式微热板采用4根悬梁作为机械承重梁，悬梁上面的薄膜电阻连接中间的悬空加热区和外围边框。在加热区的加热电阻下层是支撑膜，上层为被微热板加热至工作温度的超材料吸波器。
一种设计所述硅基微热板的方法,其特征在于步骤如下:
背面采用硅作为材料，微热板的接触电极采用金属作为材料，分别布置在微热板的四周。加热的薄膜电阻采用多晶硅薄膜，支撑膜的材料使用二氧化硅(SiO2)以减少热量的消散。超材料吸波器的相变材料为二氧化钒(VO2)，表面的金属导线的材料为银。
结构是在厚度1mm、长度5.6mm、宽度4.5mm的长方体硅块上，腐蚀出一个厚度1mm、长度3.8mm、宽度2.7mm的区域，该区域是微热板构建悬空工作区。
接触电极的长度和宽度分别为600um和400um，接触电极上部导电部分厚度0.5um，下部绝缘部分厚度10.5um。微热板的承重梁部分，同样采用厚度0.5um的上部导电、厚度10.5um的下部绝缘结构，其宽度为100um。微热板的支撑膜采用厚度2um、长度1.9um、宽度1.8um的二氧化硅(SiO2)。多晶硅加热电阻薄膜的宽度100um、厚度1um。
提出一种设计使用硅基微热板的主要原因：
硅基微热板可以很好地与VO2薄膜结合，很大程度上降低制作工艺的复杂度。
一种设计所述超材料吸波器中单胞结构的方法,其特征在于如下:
采用最常见3层三明治结构，底层为金属底板，中间为介质层，顶层为VO2和金属的混合结构以产生谐振。
超材料吸波器的单元结构，整体是长和宽40nm，底层的金属底板采用的金为材料，厚度d3＝200nm。中间部分的基底材料为厚度d2＝6um的石英玻璃，顶部是厚度d1＝500nm的VO2薄膜。金属导线采用类似2个开口环互相嵌套得到结构，外部矩形的边长36um，上部开口。内部开后环边长30um，在下部有一个4um的口。
一种设计使用COMSOL Multiphysics进行多个物理场模块耦合，计算模型的温度、各部分加热后形变及受力情况。
一种设计中涉及到了电磁热、固体传热和固体力学等物理场的研究。在本设计中微热板部分使用的材料有金属、单晶硅、多晶硅、二氧化硅；VO2超材料部分使用的材料有VO2、石英和金。
一种设计采用CST电磁仿真软件计算得到与频率相关的S参数：输入反射系数S11，正向传输系数S21，反向传输系数S12，输出反射系数S22。
计算整体结构的反射率与输入反射系数S11如下
R(ω)＝|S11|2 (1)
传输率与正向传输系数S21关系如下
T(ω)＝|S11|2 (2)
吸收率与反射率和传输率关系如下
A(ω)＝1-R(ω)-T(ω) (3)
一种设计在4.96THz、5.60THz和6.45THz等3个太赫兹波段可实现超材料吸波器的主动调控功能，吸收率从7.20％调至99.27％。
(四)附图说明
图1一种微热板精确温控系统的超材料吸波器结构示意图。主要由硅基微热板1和VO2超材料吸波器2组成；其中硅基微热板1由接触电极3、4、5、6，承重梁7、8、9、10，一字梁11、12，腐蚀窗口13，加热电阻14，支撑膜15组成；VO2超材料吸波器2由金属底板层16，硅基底层17，VO2层18，金属内开口环19，金属外开口环20和硅基座21组成。
图2本发明一种微热板精确温控系统的超材料吸波器的实施例结构示意图，由超材料吸波器2，接触电极3、4，一字梁11，硅基座21组成。
图3本发明一种微热板精确温控系统的超材料吸波器的吸波器部分工作示意图，由硅基微热板1，VO2超材料吸波器2，接触电极3、4、5、6，承重梁7、8、9、10，一字梁11、12和加热电阻14组成。在接触电极3、4输入正向电压，在接触电极5、6为接地。
图4本发明一种微热板精确温控系统的超材料吸波器的吸波器部分平面结构示意图由VO2层18，内开口环19，外开口环20组成。
图5本发明一种微热板精确温控系统的超材料吸波器的吸波器单元实施例结构示意图，由金属底板层16，硅基底层17，VO2和金属导线层22组成。
图6本发明一种微热板精确温控系统的超材料吸波器在4.5THz-7.0THz波段下主动调控，吸收率逐渐变化的结构示意图。
(五)具体实施方式
下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
请参阅图1和图2，一种微热板精确温控系统的超材料吸波器包括硅基微热板1和VO2超材料吸波器2；硅基微热板1由接触电极3、4、5、6，承重梁7、8、9、10，一字梁11、12，腐蚀窗口13，加热电阻14，支撑膜15组成；VO2超材料吸波器2由金属底板层16，硅基底层17，VO2层18，金属内开口环19，金属外开口环20和硅基座21组成。
请参阅图3，在系统工作时，在接触电极3、4为微热板1输入正电压，在接触电极5、6为微热板1接地电流通过承重梁7、8、9、10，一字梁11、12和加热电阻14，在加热电阻14产生大量的焦耳热，被加热的VO2超材料吸波器2的环境温度升高，超材料吸波器中的VO2因为温度改变而产生相变，最终改变吸波器的性能，实现通过温控的方式对超材料吸波器进行主动调控。
请参阅图3，在一个实施例中，在接触电极3、4为微热板1输入4.96V的电压，在接触电极5、6为微热板1接地，电流通过加热电阻14产生焦耳热，加热区中心温度可达到67.66℃。此时，超材料吸波器2表面最低温度为67.51℃，在加热区中心部分温差仅在0.15℃以内，加热十分均匀。
请参阅图4，一个实施例中的一种超材料吸波器利用单元结构内部的产生的共振以达到吸波的目的，同时单元结构之间的产生的共振。一种超材料吸波器有三个共振点，分别是内单开口环26开口处的共振点、外开口环25的下边与下一个单元的内开口环27上边的共振点和外开口环28右侧边与下一个单元的左侧开口环29左侧边的共振点。相比较之前的单频段和双频段的吸波器模型，本发明的三频段吸波器模型具有更为优秀的吸波性能。
请参阅图5，在一个实施例中，超材料吸波器单元结构模型以矩形排列形成周期结构，电磁波从上方垂直入射，在吸波器表面产生极强的共振，实现对电磁波的吸收。
请参阅图6，在一个实施例中，根据上述实施例中的参数，在电磁仿真软件中建立温控开关器件的单元结构模型，仿真得到本发明一种微热板精确温控系统的超材料吸波器的吸收率变化关系曲线。从曲线中可以看出，当吸波器的环境温度为40℃时，吸波器公正处呈现很强的电容效应，在垂直射入的电磁波作用产生三个吸收峰，超材料吸波器在3个波段4.96THz(99.85％)、5.60THz(99.35％)和6.45THz(99.27％)有3个吸收峰。随着吸波器的环境温度升高，材料的内部金属载流子不断增加，原先的电容效应逐渐消失，导致器件吸收率逐渐降低。当温度从40℃升至60℃时，吸收器结构的三个LC共振模式虽未消失，但吸波效率大幅降低，三个吸收峰的峰值较40℃时大幅降低。当温度从60℃升至67℃时，吸收器的三个LC共振点消失，三个吸收峰完全消失。当温度达到68℃时，VO2瞬间完成相变过程，变为金属态,此时的吸波器对电磁波无吸收作用。

Claims (7)

1.一种基于微热板精确温控系统的超材料吸波器其特征是：它由硅基微热板1和VO2超材料吸波器2；其中硅基微热板1由接触电极3、4、5、6，承重梁7、8、9、10，一字梁11、12，腐蚀窗口13，加热电阻14，支撑膜15组成；VO2超材料吸波器2为3层三明治结构，由金属底板层16，硅基底层17，VO2层18，金属内开口环19，金属外开口环20和硅基座21组成。所述系统中外界通过接触电极为微热板施加电压，电流分别通过承重梁、一字梁和加热电阻，在微热板加热区产生大量的焦耳热，超材料吸波器被微热板加热。
2.根据权利要求1所述的硅基底微热板系统中所采用的支撑膜为悬浮式的微热板装置，其特征是：悬浮式微热板采用4根悬梁作为机械承重梁，悬梁上面的薄膜电阻连接中间的悬空加热区和外围边框。在加热区的加热电阻下层是支撑膜，上层是被微热板加热到工作温度的超材料吸波器。微热板背面采用硅作为材料，微热板的接触电极采用金属作为材料，分别布置在微热板的四周。加热的薄膜电阻采用多晶硅薄膜，支撑膜的材料使用绝热材料以减少热量的消散。
3.根据权利要求1所述的硅基底微热板，其特征在于接触电极3、4、5、6的材料，至少包括金、铝、银、钨和铜中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的硅基底微热板，其特征在于加热电阻14的材料为多晶硅。
5.根据权利要求1所述的硅基底微热板，其特征在于支撑膜15的材料，至少包括硅和二氧化硅(SiO2)中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的VO2超材料吸波器。其特征是：顶层为VO2和金属导线的混合结构，可以通过温度的调节来控制吸波器性能的超材料吸波器。
7.根据权利要求1所述的VO2超材料吸波器。其特征是：金属导线至少包括金、铝、银和铜中的至少一种。
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