CN113839215B - 一种基于旋转交错t型的超材料固液传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于旋转交错T型的超材料固液传感器，包括有介质层与金属板，介质层覆盖在金属板衬层的表面上，介质层由周期排列的T型单元组成，T型单元由4个旋转对称的T型结构组成。本文发明公开的超材料固液传感器可实现双频或单频的窄带吸收以及对不同折射率固体和液体的高灵敏度传感应用。
Description
技术领域
本发明属于超材料吸收器和传感器技术领域，具体涉及一种基于旋转交错T型的超材料固液传感器。
背景技术
超材料是一种特殊设计的人工层状复合材料，具有天然材料所不具备的物理特性，例如对电磁波幅度和相位调控、负折射率等。超材料完美吸收器通过优化结构、尺寸和排列方式，调节特定频率的等效阻抗Z与自由空间的波阻抗相匹配，该频段的电磁波进入吸收器中并在该器件的内部被介质层或者金属层完全损耗掉，从而实现超材料吸收器对电磁波的完美吸收。
典型的金属-介质-金属三层结构超材料吸收器中的金属结构具有复杂的几何形状，导致制作成本高并且制作困难，可能会阻碍许多实际应用。最近研究出一种全介质谐振器结构的超材料吸收器，与金属谐振器相比，介质谐振器可以避免焦耳热，由于全介质超材料吸收器具有简单的几何形状，所以制作简单并且成本较低。例如，Luo等人提出了一种基于全介质谐振腔结构的太赫兹(THz)双频超表面吸收器，通过激发表面等离子激元(SPPs)的激发和导模共振得到99％的吸收率。Weng等人提出一种由嵌入低折射率介质中的两个耦合亚波长半导体谐振器组成的全介质吸波超表面，在红外波段实现了超过99％的宽带吸收。在众多的超材料吸收器器件中，具有窄带宽的超材料吸收器能够广泛地应用在传感领域。到目前为止，超材料吸收器应用于传感中，且能同时实现固态和液态传感的鲜有报道。
发明内容
本发明提供的一种基于旋转交错T型的超材料固液传感器，可以在太赫兹频段内实现窄带吸收，并且能够实现对不同折射率固体和液体的高灵敏度传感。
本发明提供了一种基于旋转交错T型的超材料固液传感器，包括有介质层与金属板，所述介质层覆盖在所述金属板衬层的表面上，所述介质层由周期排列的T型单元组成，所述T型单元由4个旋转对称的T型结构组成。所述超材料的制备可以利用牺牲层硅衬底来实现，首先在硅衬底上通过电子束蒸发技术沉积生长出连续的底部金属板，并通过自旋涂覆法和固化工艺制备出所需厚度的介质层。将超材料应用于固液传感器能够对不同折射率的传感介质层产生不同频率位置的吸收峰，从而实现固液传感。
作为上述方案的进一步改进，所述T型结构为T型条，所述T型条由介质层经电子束光刻而成。
作为上述方案的进一步改进，所述T型结构为T型槽，所述T型槽在同一介质层上经电子束光刻而成。
作为上述方案的进一步改进，所述介质层由相对介电常数为ε＝11.7的材料硅制成，所述金属板由电导率为σ＝4.56×107S/m的材料金制成。
本发明提供了一种基于交错T型全介质谐振器的超材料在高灵敏度固液传感的应用。
本发明的有益效果是：
1、本发明采用旋转交错对称的T型条或T型槽可分别实现不同频率的双频或单频吸收效果，以及对于覆盖的液体和固体传感介质层可实现高灵敏度传感。
2、本发明结构简单，易于制造并且成本低。
3、本发明设计的四倍旋转对称的T型结构，可以提高超材料传感器的吸收效率和传感灵敏度。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的一种基于旋转交错T型的超材料固液传感器的4×4阵列图。
图2为本发明实施例1提供的一种基于旋转交错T型的超材料固液传感器中的T型条单元的结构示意图。
图3为本发明实施例2提供的一种基于旋转交错T型的超材料固液传感器的4×4阵列图。
图4为本发明实施例2提供的一种基于旋转交错T型的超材料固液传感器中的T型槽单元的结构示意图。
图5为本发明实施例1中的一种基于旋转交错T型的超材料固液传感器上方覆盖空气时的吸收率曲线图。
图6为本发明实施例1提供的一种基于旋转交错T型的超材料固液传感器上方分别覆盖不同液态介质层的吸收率曲线图。
图7为本发明实施例1提供的一种基于旋转交错T型的超材料固液传感器上方分别覆盖不同固态介质层时的吸收率曲线图。
图8为本发明实施例2中的一种基于旋转交错T型的超材料固液传感器上方覆盖空气时的吸收率曲线图。
图9为本发明实施例2提供的一种基于旋转交错T型的超材料固液传感器上方填充并覆盖液态介质层的吸收率曲线图。
图10为本发明实施例2提供的一种基于旋转交错T型的超材料固液传感器上方覆盖固态介质层时的吸收率曲线图。
图中：1-介质层，101-T型条，102-T型槽，2-金属板。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及结果效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1-图4所示，本发明提供的一种基于旋转交错T型的超材料固液传感器，包括有介质层1与金属板2，介质层1覆盖在金属板2衬层的表面上，超材料的制备可以利用牺牲层硅衬底来实现，首先在硅衬底上通过电子束蒸发技术沉积生长出连续的底部金属板2，并通过自旋涂覆法和固化工艺制备出所需厚度的介质层1，介质层1由周期排列的T型单元组成，T型单元由4个旋转对称的T型结构组成，介质层1由相对介电常数为ε＝11.7的材料硅制成，金属板2由电导率为σ＝4.56×107S/m的材料金制成，其在太赫兹频段具有良好物理特性，介质层1由周期排列的T型单元组成，T型单元由4个旋转对称的T型结构组成。
以上实施例中T型结构包括有T型条101和T型槽102两种具体实施方式，T型条101由介质层1经电子束光刻而成，T型槽102在同一介质层1上经电子束光刻而成。
本发明提供的一种基于旋转交错T型的超材料固液传感器在应用时，通过基于有限积分法的电磁仿真软件进行仿真实验。在X和Y轴方向上分别施加unit cell边界条件，在Z轴方向上设置为open(add space)边界条件，将Y极化方向的THz波沿着Z轴负方向入射到材料表面，固液传感器的吸收率可由公式
A(w)＝1-R(w)-T(w) (1)
计算得出，其中R(w)为反射率，T(w)为透射率，由于传感器的底部是连续的金属板，完全阻挡了电磁波的传输，因此
T(w)＝0， (2)
本文所设计的固液传感器的吸收率可以简化为：
A(w)＝1-R(w)， (3)
当传感器的等效阻抗与自由空间阻抗匹配时，可以得到理想的吸收率。传感灵敏度可由公式
表示，其中Δf为传感器上方为空气时与传感器有传感介质层时的共振频率之差，Δn指传感介质层折射率的变化。
实施例1
图1-图2所示，本实施例提供的一种基于旋转交错T型的超材料固液传感器中T型结构为T型条101。其中，T型单元的边长为130μm，T型条101的竖条长为50μm，横长条的的长为50μm，厚度为6μm，T型条101的横长条左右凸出来的长度分别为15μm和25μm，宽为10μm，厚度为6μm，金属板2由厚度为0.2μm的材料金制成。
在本实施例提供的一种基于旋转交错T型的超材料固液传感器上方覆盖折射率为n的传感介质层，空气的折射率n(air)＝1，覆盖液体时， n(water)＝1.332，n(sucrose solution)＝1.41，n(ethanol)＝1.55；覆盖固体时，/>n(HPDE)＝1.539，/>
当介质层1上方为空气时，超材料传感器在3.167THz和3.406THz处的吸收率分别为99.9％和99.6％，如图5所示。在T型条101上方覆盖不同传感介质层时，模拟结果如图6和图7所示，当覆盖非极性液体如：环己烷(C6H12)，四氯化碳(CCl4)和二硫化碳(CS2)时，吸收峰发生红移，传感灵敏度最大为1433.3GHz/RIU，模拟结果如图6(a)所示；当覆盖水(water)，蔗糖溶液(sucrose solution)和乙醇(ethanol)时，吸收峰发生明显的红移，传感灵敏度最大为1611.5GHz/RIU，模拟结果如图6(b)所示；当覆盖氧化镁(MgF2)，聚乙烯(HPDE)和氧化铝(Al2O3)时，吸收峰发生明显的红移，传感灵敏度最大为1572.2GHz/RIU，模拟结果如图7所示。
实施例2
如图3-图4所示，本发明提供的一种基于旋转交错T型的超材料固液传感器中T型结构为T型槽102，T型槽102结构的线宽可与上面的T型条101结构线宽不相同，其中，T型单元的边长为100μm，T型槽102的竖长条的长为40μm，横长条的长为36μm，横长条左右凸出来的长度分别为12μm和14μm，宽为10μm，厚度为6μm，金属板2由厚度为0.2μm的材料金制成。在实施例2的结构上方覆盖折射率为n的传感介质层，空气的折射率n(air)＝1，覆盖液体时，n(water)＝1.332，n(sucrose solution)＝1.41，n(ethanol)＝1.55；覆盖固体时，/>n(HPDE)＝1.539，/>
当实施例2传感器上方为空气时，固液传感器在2.983THz处的吸收率为99.6％，如图8所示。在T型槽102上先填充再覆盖液体环己烷(C6H12)，四氯化碳(CCl4)，二硫化碳(CS2)，水(water)，蔗糖(sucrose solution)和乙醇(ethanol)时，传感灵敏度最大可达828.3GHz/RIU，模拟结果如图9所示；当在结构上方覆盖固体氧化镁(MgF2)，聚乙烯(HPDE)和氧化铝(Al2O3)时，吸收峰发生明显的红移，传感灵敏度最大为555.9GHz/RIU，模拟结果如图10所示。
本发明提供的一种基于旋转交错T型的超材料固液传感器应用于超材料吸收器和传感器领域能够实现高效的窄带吸收，且能通过覆盖不同折射率的传感介质层实现固液传感。
Claims (4)
1.一种基于旋转交错T型的超材料固液传感器，其特征在于：包括有介质层(1)与金属板(2)，所述介质层(1)覆盖在所述金属板(2)衬层的表面上，所述介质层(1)由周期排列的T型单元组成，所述T型单元由4个旋转对称的T型结构组成。
2.根据权利要求1所述一种基于旋转交错T型的超材料固液传感器，其特征在于：所述T型结构为T型条(101)，所述T型条(101)由介质层(1)经电子束光刻而成。
3.根据权利要求1所述一种基于旋转交错T型的超材料固液传感器，其特征在于：所述T型结构为T型槽(102)，所述T型槽(102)在同一介质层(1)上经电子束光刻而成。
4.根据权利要求1至3任一项所述一种基于旋转交错T型的超材料固液传感器，其特征在于：所述介质层(1)由相对介电常数为ε＝11.7的材料硅制成，所述金属板(2)由电导率为σ＝4.56×107S/m的材料金制成。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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