CN113624349B - 基于超材料表面的全介质太赫兹传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于超材料表面的全介质太赫兹传感器，属于传感器制造技术领域，该传感器包括敏感元件以及与其相连接的热敏电路，所述敏感元件由掺杂导电材料的圆柱半导体构成，用以改变圆柱半导体的电导率，进而可以吸收太赫兹波段的电磁波；本发明基于超材料表面的全介质太赫兹传感器，传感器的敏感元件所用介质为掺杂的半导体，半导体低产生的热量也很低，因而对周围器件产生的影响很低，并且其结构简单，制作方便，具有较高的灵敏度。
Description
技术领域
本发明属于传感器制造技术领域，具体涉及基于超材料表面的全介质太赫兹传感器。
背景技术
电磁超材料属于一种人工合成的特殊材料，是自然界不存在的。因其在一定条件下可以对某些波段的电磁波吸收率极高，从而有着广泛的应用。
近年来，随着互联网信息化时代的快速发展，更多的电子产品问世，电磁波逐渐出现在了人们的视野中。将电磁波与传感器相结合，人们发现了其价值，传感器在诸多产品中变成了不可分割的必要器件。日常生活中的许多家电器件，比如电磁炉、冰箱、微波炉都有传感器的身影。医疗领域、军事领域、电商物流领域更是需要更加精密的传感器。
传统的传感器由金属和介质构成，其造价成本高，由于其工作波段在几十到几百兆赫兹，需要很大的功率，产生的热量极高，对周围相邻的器件可能会有很大的影响，影响传感器的效率，进而导致整个产品的使用寿命会变短。
发明内容
本发明的目的在于提供基于超材料表面的全介质太赫兹传感器，产生的热量也很低，对周围器件产生的影响很低，并且其结构简单，制作方便，具有较高的灵敏度，可以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明设计如下技术构思：一种全介质的传感器，用一种全介质的半导体材料制成，通过掺杂可以改变其电导率，然后可以吸收某些频段的电磁波；
具体的，本发明根据上述技术构思，提出基于超材料表面的全介质太赫兹传感器，该传感器包括敏感元件以及与其相连接的热敏电路，所述敏感元件由掺杂导电材料的圆柱半导体构成，用以改变圆柱半导体的电导率，进而可以吸收太赫兹波段的电磁波；并且因传感器的敏感元件所用介质为掺杂的半导体，半导体产生的热量远比金属低，因而对周围器件产生的影响也很低。
优选地，该传感器的尺寸为微米。
优选地，所述掺杂的导电材料具体为硼。
优选地，所述圆柱半导体具体为氮化硅圆柱体。
优选地，所述氮化硅圆柱体的半径为95-110um，高度在85-95um。
优选地，所述掺杂导电材料圆柱半导体的制备工艺，包括以下步骤：
1)镀膜前预处理：选用氮化硅圆柱体作为基体并进行镀膜前预处理；
2)溅射：以氩气作为溅射气体，在对基体施加偏压的条件下，对导电材料硼靶进行磁控共溅射，在基体上沉积掺杂硼的氮化硅薄膜；
3)退火：在氮气气体下，对沉积有掺杂硼的基体进行光热退火处理，保温1-2h；
4)冷却：缓慢冷却后获得稳定掺杂硼的氮化硅薄膜。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明只需要极低的功率就可以使用，可以节约用电成本。
(2)本发明体积小，形状规则，加工方便。
(3)本发明产生的损耗低，产生的热量小。
(4)通过实验测试可知，通过修改材料的相对介电常数、电导率以及尺寸，都可以改变该介质的工作频段，因此该产品可用于多种频段的传感器领域。
(5)本发明造价便宜，传统的传感器经常需要用到贵重金属，而全介质传感器所用的半导体成本极低，并且其制作工艺简单。
附图说明
图1为本发明实施例的仿真模型。
图2为本发明实施例测试的谐振曲线。
图3为本发明实施例所找频率的电场图。
图4为软件材料库自带的Si3N4材料随温度变化的一些特性曲线。
图5为本发明实施例测试的电磁热温度仿真图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明所涉及的全介质传感器是基于单个谐振单元实现所需要的吸波性能，也就是说超材料全介质吸波传感器仅包含了一个吸波谐振单，如图1所示，所用材料为Si3N4通过掺杂导电材料，让其拥有一定的电导率，当电磁波直接垂直入射到该单元表面，被吸收的电磁波通过介电损耗和导电损耗产生电磁热，产生的电磁热会影响附加在下面的热敏电阻(热敏电路未给出)，导致电阻阻抗发生变化，从而影响热敏电阻所在的电路阻抗情况，让该电路用于一些机械自动化的操作中，构成一个温控传感器。
因此，本发明实施例在上述工作原理的启示下，提供基于超材料表面的全介质太赫兹传感器，该传感器包括敏感元件以及与其相连接的热敏电路，所述敏感元件由掺杂导电材料的圆柱半导体构成，用以改变圆柱半导体的电导率，进而可以吸收太赫兹波段的电磁波。
优选地，该传感器的尺寸为微米。
优选地，所述掺杂的导电材料具体为硼。
优选地，所述圆柱半导体具体为氮化硅圆柱体。
优选地，所述氮化硅圆柱体的半径为95-110um，高度在85-95um。
优选地，所述掺杂导电材料圆柱半导体的制备工艺，包括以下步骤：
4)镀膜前预处理：选用氮化硅圆柱体作为基体并进行镀膜前预处理；
5)溅射：以氩气作为溅射气体，在对基体施加偏压的条件下，对导电材料硼靶进行磁控共溅射，在基体上沉积掺杂硼的氮化硅薄膜；
6)退火：在氮气气体下，对沉积有掺杂硼的基体进行光热退火处理，保温1-2h；
5)冷却：缓慢冷却后获得稳定掺杂硼的氮化硅薄膜。
在实际制造和使用过程中，可以通过修改传感器的尺寸、形状以及电导率，找到产品需要的波段，然后测试其吸收率大小；
当找到所需波段的吸收谐振曲线之后，测试该最高吸收率频率点所产生的热量；
继续测试，修改其电导率和略微的修改尺寸大小，让其吸收率尽可能的高。
关于氮化硅薄膜的电导率大小，通过使用热电薄膜热电性能测量装置可以很容易的测出来，以达到实验所需薄膜的制备。
当氮化硅圆柱体的半径为105um,高度为92um时，得到的仿真图如图3所示；如图2所示，仿真得到在该模型0.71THz处吸收率达到98％以上，进一步如图5所示，仿真分析该吸波结构在频率为0.71THz且端口输入功率为0.1mW时的温度分布，温度最高可达317.77K。
如图4所示，材料氮化硅受电磁热加热，温度升高，材料的一些属性会发生变化，图示曲线为软件材料自带的特性曲线。
具体的，硼在室温时时弱导电体，高温时为良导电体，通过在氮化硅圆柱体内掺杂适量的硼，让氮化硅的电导率达到25S/m左右。
本发明实施例中，只展示了传感器的吸收率情况和某特定频率入射功率下的温度分布情况，对于红外线成像检测的未进行展示，本领域的普通技术人员应当理解其操作流程。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (1)
1.基于超材料表面的全介质太赫兹传感器，其特征在于，该传感器包括敏感元件以及与其相连接的热敏电路，所述敏感元件由掺杂导电材料的圆柱半导体构成，用以改变圆柱半导体的电导率，进而吸收太赫兹波段的电磁波，该传感器的尺寸为微米，所述掺杂的导电材料具体为硼，所述圆柱半导体的半径为95-110um，高度在85-95um；
其中，所述掺杂导电材料的圆柱半导体的制备工艺，包括以下步骤：1)镀膜前预处理：选用氮化硅圆柱体作为基体并进行镀膜前预处理；2)溅射：以氩气作为溅射气体，在对基体施加偏压的条件下，对导电材料硼靶进行磁控共溅射，在基体上沉积掺杂硼的氮化硅薄膜；3)退火：在氮气气体下，对沉积有掺杂硼的基体进行光热退火处理，保温1-2h；4)冷却：缓慢冷却后获得稳定掺杂硼的氮化硅薄膜。
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