CN113108902B - 一种基于超材料的可调谐太赫兹探测器 - Google Patents
一种基于超材料的可调谐太赫兹探测器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113108902B CN113108902B CN202110316984.4A CN202110316984A CN113108902B CN 113108902 B CN113108902 B CN 113108902B CN 202110316984 A CN202110316984 A CN 202110316984A CN 113108902 B CN113108902 B CN 113108902B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- silicon
- metamaterial
- based substrate
- terahertz detector
- air cavity
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 54
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 54
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 54
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 51
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 24
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims abstract description 23
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims abstract description 23
- 239000010955 niobium Substances 0.000 claims abstract description 13
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 11
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 11
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N nitrogen Substances N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 11
- 238000013461 design Methods 0.000 claims abstract description 5
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 8
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 claims description 6
- 238000003491 array Methods 0.000 claims 2
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 abstract description 13
- 230000008901 benefit Effects 0.000 abstract description 5
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 abstract description 3
- 239000010408 film Substances 0.000 description 12
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 10
- 230000004044 response Effects 0.000 description 6
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 4
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 3
- 238000011160 research Methods 0.000 description 3
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 3
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 2
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 2
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 2
- -1 hexa-nitrogen penta-niobium Chemical compound 0.000 description 2
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 2
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 2
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 2
- 239000013590 bulk material Substances 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 description 1
- 238000007689 inspection Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 229920002994 synthetic fiber Polymers 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
- G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于超材料的可调谐太赫兹探测器，包括第一硅基衬底和第二硅基衬底，所述第一硅基衬底的正面设置天线耦合的六氮五铌薄膜微测热辐射计，背面沉积金层；所述第二硅基衬底背面设置周期排布的口字型超材料阵列，与第一硅基衬底正面相对形成空气腔，通过调节空气腔的长度，实现太赫兹探测器谐振频率的调节。本发明使用超材料，通过仿真设计可以实现特定频率的谐振特性，通过改变空气腔间隔可以调节太赫兹探测器的谐振频率，并且结构简单，制备方便。
Description
技术领域
本发明涉及元表面频率调控和太赫兹波调谐技术，具体涉及一种三层的基于超材料的可调谐太赫兹探测器。
背景技术
超材料作为一种人工电磁结构，其频谱性质主要由结构单元之间的电磁响应以及结构之间的相互作用决定，可以提供在天然材料或复合材料中无法找到的电磁性能。在过去的十年中，超材料作为人工合成材料由于奇异电磁特性而引起了人们的广泛关注。超材料起始研究阶段聚焦于体材料的电磁特性调控，由于制作困难和电磁损耗大，逐渐转向于把超材料作为一个器件关注其整体的电磁特性。元表面是二维平面人工电磁材料，由一组具有亚波长的周期单元或非周期单元组成，体积小巧，便于制作，广泛应用于雷达散射截面还原，偏振调控和表面等离子体耦合等方面。近年来，元表面迎来了理论和实践研究的黄金阶段，超材料在太赫兹调控领域也展现出了广阔的应用潜力。
太赫兹波段介于光学和微波之间，频率范围为0.1-10THz，被称为“太赫兹间隙”。结合光学和电子学两个领域的研究方法和优点，在太赫兹波段开发出了全新的技术和器件。相比于其它电磁辐射，太赫兹波对于很多介电材料具有良好的穿透性，对于不透明物体还可以进行透视成像，广泛应用于安检成像、光谱学、天文探测和无线通讯等多种重要领域。由于太赫兹波在空气中损耗较大，自然界中的大多数材料对太赫兹波响应较弱，在许多实际应用中，高性能太赫兹元件对于处理太赫兹波变得至关重要，能够更加灵活的调控和响应太赫兹波。面对日益复杂的电磁环境，自由空间中的电磁能谱分布不固定且变化迅速，常规的宽频带太赫兹检测器无法满足多个谐振频率的检测要求，人们急切需求可调谐的太赫兹检测元件。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于超材料的可调谐太赫兹探测器，通过调节空气腔的大小，在特定波段实现太赫兹波的频率调节。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于超材料的可调谐太赫兹探测器，包括第一硅基衬底和第二硅基衬底，所述第一硅基衬底的正面设置天线耦合的六氮五铌薄膜微测热辐射计，背面沉积金层；所述第二硅基衬底背面设置周期排布的口字型超材料阵列，与第一硅基衬底正面相对设置形成空气腔，通过调节空气腔的长度，实现太赫兹探测器谐振频率的调节。
进一步的，所述第一硅基衬底和第二硅基衬底选用高阻硅。
进一步的，通过微纳加工将金层和口字型超材料沉积在硅基衬底上。
进一步的，所述六氮五铌薄膜微测热辐射计由薄膜空气微桥、金电极和硅基衬底组成，通过微纳加工工艺制备，所述六氮五铌薄膜微测热辐射计工作在常温状态，由天线耦合，通过与天线相连的金电极导出入射太赫兹波的电压信号。
进一步的，所述口字型超材料的尺寸和周期与太赫兹探测器谐振频率相关，设计阶段，通过CST仿真软件进行参数扫描，确定超材料的尺寸和周期大小，得到满足工作条件的特定频率的谐振特性。
进一步的，增加空气腔的长度，太赫兹探测器的谐振频率向低频方向移动，减小空气腔的长度，太赫兹探测器的谐振频率向高频方向移动。
进一步的，所述第二硅基衬底固定在步进电机上，使用软件控制，精确调节空气腔的长度。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)结构简单，超材料部分和金膜使用微纳加工即可完成，工艺简单成熟，样品成功率高。2)将覆有金层的硅基衬底固定在步进电机上，使用软件精确控制空气腔的长度，调节精度高，调节范围广。3)超材料结构简单，可扩展性强，通过改变超材料的结构和尺寸可以实现更复杂、更丰富的功能。
附图说明
图1是口字型超材料的结构示意图；
图2是口字型超材料阵列的结构示意图；
图3是天线耦合的六氮五铌薄膜微测热辐射计的示意图；
图4是基于超材料的可调谐太赫兹探测器的示意图；
图5是太赫兹探测器的谐振频率随空气腔长度变化的仿真结果示意图；
图6是太赫兹探测器的相位随入射太赫兹波的频率变化的仿真结果示意图；
图7是太赫兹探测器谐振频率随空气腔长度变化的实验测试结果图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
本发明为一种基于超材料的可调谐太赫兹探测器，包括第一硅基衬底和第二硅基衬底，所述第一硅基衬底的正面设置天线耦合的六氮五铌薄膜微测热辐射计，背面沉积金层；所述第二硅基衬底背面设置周期排布的口字型超材料阵列，与第一硅基衬底正面相对设置形成空气腔，通过调节空气腔的长度，实现太赫兹探测器谐振频率的调节。
作为一种优选实施方式，所述第一硅基衬底和第二硅基衬底选用高阻硅。
作为一种优选实施方式，通过微纳加工将金层和口字型超材料沉积在硅基衬底上。
作为一种优选实施方式，所述六氮五铌薄膜微测热辐射计由薄膜空气微桥、金电极和硅基衬底组成，通过微纳加工工艺制备，所述六氮五铌薄膜微测热辐射计工作在常温状态，由天线耦合，通过与天线相连的金电极导出入射太赫兹波的电压信号。
作为一种优选实施方式，所述口字型超材料的尺寸和周期与太赫兹探测器谐振频率相关，设计阶段，通过CST仿真软件进行参数扫描，确定超材料的尺寸和周期大小，得到满足工作条件的特定频率的谐振特性。
作为一种具体实施方式，增加空气腔的长度，太赫兹探测器的谐振频率向低频方向移动，减小空气腔的长度，太赫兹探测器的谐振频率向高频方向移动。
作为一种具体实施方式，所述第二硅基衬底固定在步进电机上，使用软件控制，精确调节空气腔的长度。
实施例
本实施例设计工作频率范围是0.6THz-0.7THz的太赫兹探测器，以验证本发明方案的有效性。
图1是实施例中使用的口字型超材料的结构示意图，通过仿真软件进行参数扫描，优选的口字型超材料结构为：p＝125微米，l＝100微米，w＝10微米，仿真使用的材料为金，口字型超材料的厚度为200nm，硅基衬底的介电常数为11.9，厚度为350微米。图2为实施例中口字型超材料阵列的结构示意图，口字型超材料在硅基衬底上呈现周期排列。通过微纳加工工艺将口字型超材料沉积在硅基衬底上，制备方便。
图3是实施例中天线耦合的六氮五铌薄膜微测热辐射计的示意图。当太赫兹波入射到六氮五铌薄膜微测热辐射计上，由于热敏效应，六氮五铌薄膜产生响应电压，通过天线耦合信号放大后由金电极导出。探测器的噪声等效功率(用于计量太赫兹探测器的灵敏度)为
量级。图4是实施例中基于超材料的可调谐太赫兹探测器的示意图。使用高阻硅作为太赫兹探测器的衬底，优选的硅基衬底的介电常数为11.9，厚度为350微米，金层的厚度为200nm。天线采用磁控溅射沉积在硅基衬底上，材质为金，厚度为200nm，长度为192微米，宽度为120微米。六氮五铌薄膜与天线耦合，由磁控溅射制备，与天线相连的六氮五铌薄膜的长度为12微米，宽度为3微米。
使用CST仿真软件对太赫兹探测器进行仿真，设置口字型超材料的X方向和Y方向为unit cell边界条件，Z方向为open(and space)边界条件，仿真频率范围为0.6THz-0.7THz，使用频域仿真条件。由于天线和电极部分尺寸较大且用于导出测试的响应电压信号，为了简化仿真模型以及计算方便，故仿真结构中不包含天线部分。图5是太赫兹探测器谐振频率随空气腔长度变化的仿真结果示意图。使用S11表示探测器处反射太赫兹波的信号大小，当连续增加空气腔的长度时，太赫兹探测器的谐振频率向低频方向移动，出现红移。图6是空气腔长度变化时，太赫兹探测器的相位变化仿真结果示意图。根据CST仿真结果，当连续改变空气腔的长度，从0微米增加到200微米时，太赫兹探测器的谐振频率从0.65THz减小到0.62THz，相位变化超过了360度。
图7是太赫兹探测器随着空气腔长度改变实现谐振频率调节的实验测试结果图。将口字型超材料贴近于太赫兹探测器表面，由于难以准确测量此处空气腔的距离大小，将初始位置标记为0微米。太赫兹波正入射到硅基衬底，穿过超材料结构，照射到六氮五铌薄膜，由与天线相连的金电极导出入射太赫兹信号。使用光学响应率(响应电压与太赫兹源功率的比值)表征太赫兹探测器处的信号大小。可以看到，当空气腔间隔从0微米增大到100微米时，探测器的谐振频率向低频方向移动，与仿真结果较为符合，实现了太赫兹探测器的调频功能。
综上所述，本发明通过仿真设计得到太赫兹探测器特定频率处的谐振特性，改变空气腔的大小可以调节太赫兹探测器的谐振频率，结构简单，制备方便，便于耦合到其他太赫兹器件上实现更复杂的功能。与传统的太赫兹调谐器件相比，本发明基于超材料能够灵活调控电磁波的优点，在太赫兹波段实现了特定频率的调谐功能。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，比如天线形状和探测器的改变，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (7)
1.一种基于超材料的可调谐太赫兹探测器，其特征在于：包括第一硅基衬底和第二硅基衬底，所述第一硅基衬底的正面设置天线耦合的六氮五铌薄膜微测热辐射计，背面沉积金层；所述第二硅基衬底背面设置周期排布的口字型超材料阵列，与第一硅基衬底正面相对设置形成空气腔，通过调节空气腔的长度，实现太赫兹探测器谐振频率的调节；
太赫兹波正入射到第二硅基衬底，穿过超材料结构，照射到六氮五铌薄膜微测热辐射计，所述六氮五铌薄膜微测热辐射计工作在常温状态，通过与天线相连的金电极导出入射太赫兹信号。
2.根据权利要求1所述的基于超材料的可调谐太赫兹探测器，其特征在于：所述第一硅基衬底和第二硅基衬底选用高阻硅。
3.根据权利要求1所述的基于超材料的可调谐太赫兹探测器，其特征在于：通过微纳加工将金层和口字型超材料沉积在硅基衬底上。
4.根据权利要求1所述的基于超材料的可调谐太赫兹探测器，其特征在于：所述六氮五铌薄膜微测热辐射计由薄膜空气微桥、金电极和硅基衬底组成，通过微纳加工工艺制备。
5.根据权利要求1所述的基于超材料的可调谐太赫兹探测器，其特征在于：所述口字型超材料的尺寸和周期与太赫兹探测器谐振频率相关，设计阶段，通过CST仿真软件参数扫描，确定超材料的尺寸和周期大小，得到满足工作条件的特定谐振频率。
6.根据权利要求1所述的基于超材料的可调谐太赫兹探测器，其特征在于：增加空气腔的长度，太赫兹探测器的谐振频率向低频方向移动，减小空气腔的长度，太赫兹探测器的谐振频率向高频方向移动。
7.根据权利要求1所述的基于超材料的可调谐太赫兹探测器，其特征在于：所述第二硅基衬底固定在步进电机上，使用软件控制，精确调节空气腔的长度。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110316984.4A CN113108902B (zh) | 2021-03-23 | 2021-03-23 | 一种基于超材料的可调谐太赫兹探测器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110316984.4A CN113108902B (zh) | 2021-03-23 | 2021-03-23 | 一种基于超材料的可调谐太赫兹探测器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113108902A CN113108902A (zh) | 2021-07-13 |
| CN113108902B true CN113108902B (zh) | 2022-06-21 |
Family
ID=76710407
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110316984.4A Active CN113108902B (zh) | 2021-03-23 | 2021-03-23 | 一种基于超材料的可调谐太赫兹探测器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113108902B (zh) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113782666B (zh) * | 2021-11-12 | 2022-03-18 | 同方威视技术股份有限公司 | 探测频段可调的太赫兹探测装置及制造方法、成像设备 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108363198A (zh) * | 2018-05-02 | 2018-08-03 | 中国计量大学 | 一种气压驱动的太赫兹超材料调制器 |
| CN110006534A (zh) * | 2019-04-11 | 2019-07-12 | 南京大学 | 一种用于太赫兹检测的微纳测辐射热计的制备方法 |
-
2021
- 2021-03-23 CN CN202110316984.4A patent/CN113108902B/zh active Active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108363198A (zh) * | 2018-05-02 | 2018-08-03 | 中国计量大学 | 一种气压驱动的太赫兹超材料调制器 |
| CN110006534A (zh) * | 2019-04-11 | 2019-07-12 | 南京大学 | 一种用于太赫兹检测的微纳测辐射热计的制备方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 《A cavity-coupled microbolometer terahertz detector with a metamaterial reflector》;Xuecou Tu 等;《2019 44th International Conference on Infrared》;20191021;正文第1页 * |
| 《Investigation of antenna-coupled Nb5N6 microbolometer THz detector with substrate resonant cavity》;Xuecou Tu 等;《OPTICS EXPRESS》;20180402;第26卷(第7期);第8992-8995页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113108902A (zh) | 2021-07-13 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Chen et al. | Temperature tunable narrow-band terahertz metasurface absorber based on InSb micro-cylinder arrays for enhanced sensing application | |
| Nejad et al. | Supersensitive and tunable nano-biosensor for cancer detection | |
| CN108572162B (zh) | 一种基于类电磁诱导透明效应的太赫兹波段超材料传感器 | |
| Wang et al. | A high Q-factor dual-band terahertz metamaterial absorber and its sensing characteristics | |
| KR101888175B1 (ko) | 외곽 사각고리 추가형 테라헤르츠 능동공진기 | |
| CN111551521B (zh) | 基于太赫兹波段的超材料传感器及其使用方法 | |
| Azizi et al. | Early skin cancer detection sensor based on photonic band gap and graphene load at terahertz regime | |
| Duan et al. | An air-spaced terahertz metamaterial perfect absorber | |
| Sadafi et al. | A tunable hybrid graphene-metal metamaterial absorber for sensing in the THz regime | |
| CN113108902B (zh) | 一种基于超材料的可调谐太赫兹探测器 | |
| CN108336505B (zh) | 一种太赫兹波段宽带极化不敏感超材料 | |
| Ruan et al. | Tunable terahertz metamaterial filter based on applying distributed load | |
| CN103033271A (zh) | 一种基于平面光传感与超材料的太赫兹热辐射计 | |
| Maurya et al. | Graphene-based polarization insensitive ultrathin broadband terahertz absorber for material sensing applications | |
| Gui et al. | Terahertz multiband ultrahigh index metamaterials by bilayer metallic grating structure | |
| Ma et al. | Terahertz sensing application by using fractal geometries of split-ring resonators | |
| CN114778481B (zh) | 一种基于太赫兹超材料的测微传感器及检测方法 | |
| CN116106263A (zh) | 一种高灵敏度高品质因数的超表面局域等离激元传感器 | |
| Li et al. | A tunable perfect absorber based on a black phosphorus/bowtie shaped cavity hybrid metasurface | |
| Kilic et al. | THz field detection in graphene using deep neural networks | |
| Jiang et al. | The design of a bowtie antenna for 0.65 thz detection | |
| Gómez-Rivera et al. | Design and characterization of the MUSCAT detectors | |
| KR102009489B1 (ko) | 메타물질에 기반한 물질 검출 장치 | |
| Kuznetsov et al. | Microstructured quasi-optical selective components for subterahertz and terahertz applications | |
| Sajak | Numerical Simulations of THz Photoconductive Antenna |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |