CN112730343B - 开口环阵列多频带高q值透射型传感器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

基于环阵列的GHz多频带高Q值透射型传感器，包括：绝缘基板；金属层，被设置在绝缘基板表面；覆盖层，被设置在绝缘基板和金属层表面；其中，所述金属层包括四个L形部件以及四个T形部件，四个所述T形部件的尾部相连，四个L形部件包围在四个所述T形部件的外围，四个L形部件以及四个T形部件构造成中心对称分布的形状；当光入射到金属–绝缘介质结构时，在2‑8.5GHz工作范围内会出现5个窄带透射峰，然后在添加0.6μm厚度的覆盖层，以第四个透射峰值作为传感器工作频率，改变覆盖层的折射率，最终得到了最高灵敏度为0.532GHz/RIU，线性拟合R2值为0.9669，Q值最高为113.42，最低为59.03，达到了高的Q值。

Description

开口环阵列多频带高Q值透射型传感器及其制造方法
技术领域
本发明涉及透射邢传感器技术领域，具体涉及开口环阵列的GHz多频带高Q值透射型传感器制备方法。
背景技术
表面等离子体激元是由入射光子与金属表面自由电子相互作用而产生的一种沿着金属和介质分界面方向传播的一种非辐射电磁波。其在金属与介质分界面的垂直方向上传播呈指数衰减。1998年，Ebbesen等人发现当入射光通过刻蚀的小孔或孔阵列时，会出现增强的光透射现象，这种由表面等离子体共振产生现象突破了衍射极限。2004年，Pendry等人发现具有亚波长尺寸的周期性凹槽阵列结构的金属表面能够生成类似于SPPS的表面波，并将其命名为人工表面等离子体激元。
随后，人们对不同形状的亚波长孔阵列结构和几何对称性阵列结构进行了大量的理论与试验研究，例如十字形孔，椭圆形孔，环形，非对称开口环等。随着加工技术的日益成熟，基于SPPS的各种光学器件在研制当中广泛应用，如滤波器，生化传感器等。但是大多数滤波传感器透射峰值单一，或透射峰太宽，滤波效果并不好，而在包括光通信，吸收器，光谱学和传感器以及滤波器的系统中，高度需要多通道和多路复用操作。最近的研究表明，多频带滤波传感器对于频率选择性检测至关重要，它可以减少环境干扰并提高检测精度。
发明内容
为了克服背景技术中提出的问题，本发明提供了开口环阵列的GHz多频带高Q值透射型传感器。
本发明的技术方案具体如下：一种开口环阵列的GHz多频带高Q值透射型传感器，包括：
绝缘基板；
金属层，被设置在绝缘基板表面；
覆盖层，被设置在绝缘基板和金属层表面；
其中，所述金属层包括四个L形部件以及四个T形部件，四个所述T形部件的尾部相连，四个L形部件包围在四个所述T形部件的外围，四个L形部件以及四个T形部件构造成中心对称分布的形状。
优选的，四个所述T形部件构造成十字形，并在十字的末端分别垂直的形成了四个杆状部件。
优选的，所述L形部件的第一部分和第二部分相互垂直且等长。
优选的，四个所述L形部件构造呈正方形的四个拐角，在正方形的边上具有间隙。
优选的，所述L形部件和T形部件的宽度为1mm。
优选的，四个所述L形部件构造呈的正方形边长为35mm，在正方形边上的间隙为2mm。
优选的，四个所述T形部件构造成的十字长度为28mm，所述十字边缘的杆状部件的长度为12mm。
优选的，所述覆盖层厚度为0.6μm。
优选的，所述绝缘基板为特氟龙材质。
优选的，所述金属层为铜材。
本发明提供另一种技术方案，开口环阵列的GHz多频带高Q值透射型传感器的制造方法，首先用活化剂处理，使得绝缘基板表面吸附一层活性的粒子，铜离子随后会在这些活性粒子上被还原，而这些被还原的金属铜晶核本身又成为铜离子的催化层，使得铜的还原反应继续在这些新的铜晶核表面上进行。然后根据需要把不用的部分腐蚀掉，形成开口环阵列。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
当光入射到金属–绝缘介质结构时，在2-8.5GHz工作范围内会出现5个窄带透射峰，且5个透射峰值均接近于0。然后在所提结构上添加0.6μm厚度的覆盖层，以第四个透射峰值作为传感器工作频率。然后改变覆盖层的折射率，随着折射率从1逐渐增大到2，传感器工作波长像低频移动，且透射率均为0。最终得到了最高灵敏度为0.532GHz/RIU，线性拟合R2值为0.9669，Q值最高为113.42，最低为59.03，达到了高的Q值。
附图说明
图1(a)为本发明实施例中绝缘基板-金属层介质基板结构示意图，图1(b)为绝缘基板-金属层介质基板结构单元的俯视图；
图2为本发明实施例所述的绝缘基板-金属层介质基板单元的实物图；
图3(a)为所提传感器的透射光谱图，图3(b)-(f)为频率由低到高五个透射峰对应的电场分布图；
图4(a)是提出的结构的透射光谱，图4(b)是所提出结构的等效模型，图4(c)-(d)是等效阻抗Z和等效折射率n的频率分析图；
图5(a)-(b)为透射率光谱图；
图6(a)是频移和灵敏度对于折射率的函数图，图6(b)第四个透射峰的品质因子Q随着覆盖层折射率的变化图。
具体实施方式：
下面参照附图对本发明做进一步描述。
实施例
如图1a-1b和图2所示，开口环阵列的GHz多频带高Q值透射型传感器，包括：
绝缘基板；
金属层，被设置在绝缘基板表面；
覆盖层，被设置在绝缘基板和金属层表面；
其中，所述金属层包括四个L形部件以及四个T形部件，四个所述T形部件的尾部相连，四个L形部件包围在四个所述T形部件的外围，四个L形部件以及四个T形部件构造成中心对称分布的形状。
其制作过程具体的，首先用活化剂处理，使得绝缘基板表面吸附一层活性的粒子，铜离子随后会在这些活性粒子上被还原，而这些被还原的金属铜晶核本身又成为铜离子的催化层，使得铜的还原反应继续在这些新的铜晶核表面上进行。然后根据需要把不用的部分腐蚀掉，形成开口环阵列。
本发明开口环阵列的GHz多频带高Q值透射型光学传感器由对称开口环阵列绝缘基板-金属层介质基板结构组成，详见图1(a)，图1(b)为所提结构单元的俯视图，其结构参数分别为：P＝65mm,L1＝35mm,L2＝28mm,a＝1mm,g＝2mm,W＝12mm，入射光为TE波。图2为所提结构的样品图。
图3(a)为所提传感器的透射光谱图，(b)-(f)为频率由低到高五个透射峰对应的电场分布图。从中可以看出第一个透射峰所对应的(b)图主要是因为开口环外框和内部十字结构的EIT效应，图(c)主要因为开口环自身的EIT效果。而图(d)-(e)可以看为TE模式的高阶模所产生的电场效果。接下来，使用反演算法提取拟议结构的等效折射率，等效阻抗，等效磁导率和等效介电常数，以解释出现的透射峰。
图4(a)是提出的结构的透射光谱，其中m1，m2，m3，m4和m5是对应于透射峰的五个点。图(b)是所提出结构的等效模型，其中所提出的结构等效于第2部分。相对磁导率和相对介电常数分别为μ1和ε1。TE波垂直于Z方向入射。1和3都是空气。然后根据导电介质中的电磁场强度方程和电磁波在不连续界面上的边界条件可以得到散射参数：
Figure BDA0002853466820000041
其中Г1＝(Z-1)/(Z+1)，Z为等效阻抗，d为等效模型的厚度，k2＝nk0是相对介质中的波数。此时可以通过逆转公式(1)来获得所提出结构的等效阻抗Z和等效折射率n：
Figure BDA0002853466820000042
对于无源超材料有这样的限制：Z＇≥0，n＂≥0。然后，所提出的材料的等效磁导率μ1和等效介电常数ε1可以用Z和n表示：ε1＝n/Z，μ1＝nZ。图4(c)显示了根据参数反演计算出的拟议结构的等效阻抗Z和等效折射率n。为了方便观察，通过log10(n)和log10(Z)观察等效折射率和等效阻抗的变化趋势。从图4(c)中可以看出，n和Z的突变点处于相同的共振频率，并且由于Z的变化很小，因此主要分析等效模型的n。从图中选择的n突变的五个点m＇1,m＇2,m＇3,m＇4和m＇5与图4(a)中的五个阻带点m1，m2，m3，m4和m5非常一致。这是因为当超材料在这些频率点工作时，其n突然改变，进而影响入射波在超材料中的传输，从而形成五个阻带点。图4(d)显示了通过参数反演计算的拟议结构的等效介电常数ε1和等效磁导率μ1。另外，为便于观察，观察了ε1和μ1在100-1(ε1)和100-1(μ1)之间的变化趋势。在图4(d)中，选择了μ1的五个峰突变点m＂1,m＂2,m＂3,m＂4和m＂5分别对应于图4(a)中的五个带阻点m1，m2，m3，m4和m5。这是因为，当μ1改变时，入射波的透射被调节。当超材料的μ1达到峰值时，有一定的可能性会出现阻抗谐振点。同时，对于超材料滤波器，当ε1和μ1均为负值时，入射电磁波将以较小的衰减通过滤波器。当ε1和μ1具有不同的符号时，大多数入射电磁波会在超材料的表面反射，并且无法通过。这与得到的变化趋势一致。
为了研究所设计的传感器的最佳覆盖层厚度，改变d_cover得到了其对应的透射率光谱如图5(a)所示。从图中可以看到随着覆盖层的厚度增加，共振频率会有一个向低频移动的的过程。经过仔细的对比，选取了d_cover＝0.6mm的覆盖层厚度。然后选取第四个透射峰作为传感器的工作频率范围，改变覆盖层的折射率，如图4(b)所示。从图中可以看出随着折射率的逐渐增加，共振频率向着低频方向移动。
最后计算了频移和灵敏度对于折射率的函数，如图6(a)所示。从图中可以看出随着折射率的增加，灵敏度虽然变化会有起伏的过程，但是整体来说是逐渐变大的。可以通过以下计算公式来计算拟议结构的灵敏度S：S＝Δf/Δn，其最大灵敏度为0.532GHz/RIU。频移相对于折射率通过线性拟合得到的公式为y＝-0.491x+6.6975，得到的R2值为0.9669。图6(b)为第四个透射峰的品质因子Q随着覆盖层折射率的变化图。品质因子Q＝f/FWHM，FWHM为透射峰的半高宽。从图中可以看出，随着n的减小，其品质因子Q值从59.03逐渐增加到113.42。
本实施例中，当光入射到金属–绝缘介质结构时，在2-8.5GHz工作范围内会出现5个窄带透射峰，且5个透射峰值均接近于0。然后在所提结构上添加覆盖层，查看覆盖层厚度对于透射峰值和共振频率的影响。经过模拟计算，选定覆盖层厚度为0.6μm。基于整个传感器的效果考虑，选择第四个透射峰值作为传感器工作频率。然后改变覆盖层的折射率，随着折射率从1逐渐增大到2，传感器工作波长像低频移动，且透射率均为0。最终得到了最高灵敏度为0.532GHz/RIU，线性拟合R2值为0.9669，Q值最高为113.42，最低为59.03。
最后，应当指出，以上实施例仅是本发明较有代表性的例子。显然，本发明不限于上述实施例，还可以有许多变形。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均应认为属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.开口环阵列的GHz多频带高Q值透射型传感器，其特征在于，包括：
绝缘基板；
金属层，被设置在绝缘基板表面，所述金属层为铜材；
覆盖层，被设置在绝缘基板和金属层表面；所述覆盖层厚度为0.6μm；
其中，所述金属层包括四个L形部件以及四个T形部件，四个所述T形部件的尾部相连，四个L形部件包围在四个所述T形部件的外围，四个L形部件以及四个T形部件构造成中心对称分布的形状；四个所述L形部件构造呈正方形的四个拐角，在正方形的边上具有间隙；四个所述T形部件构造成十字形，并在十字的末端分别垂直的形成了四个杆状部件；所述L形部件的第一部分和第二部分相互垂直且等长；所述L形部件和T形部件的宽度为1mm；四个所述L形部件构造呈的正方形边长为35mm，在正方形边上的间隙为2mm；四个所述T形部件构造成的十字长度为28mm，所述十字边缘的杆状部件的长度为12mm。
2.根据权利要求1所述的开口环阵列的GHz多频带高Q值透射型传感器，其特征在于，所述绝缘基板为特氟龙材质。
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