CN114486022A - 一种拓扑绝缘体微压力探测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微压力探测技术领域，具体涉及一种拓扑绝缘体微压力探测装置，包括太赫兹源、太赫兹探测器、衬底、拓扑绝缘体层、凸起部、施压层，拓扑绝缘体层置于衬底上，凸起部设置在拓扑绝缘体层的表面，施压层设置在凸起部上，太赫兹源发射的太赫兹波穿过施压部，照射拓扑绝缘体层，太赫兹探测器探测拓扑绝缘体层反射的太赫兹波，通过反射太赫兹波的变化实现微压力探测。由于太赫兹波具有较高的穿透能力，本发明将感知装置和太赫兹源、太赫兹探测器分离，能够实现非接触式的微压力探测。另外，由于拓扑绝缘体层的表面态严重地依赖于表面的应力，所以本发明还具有压力探测灵敏度高的优点，在微压力探测领域具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及微压力探测技术领域，具体涉及一种拓扑绝缘体微压力探测装置。
背景技术
压力探测器用以探测压力、负载、重量等，将压力、负载、重量等转化为其他物理量输出。这样压力探测器用于各种开环或闭环控制用途。压力探测器在车辆、飞行器、工业过程、办公自动化、家用电器、医疗护理、环境控制等领域具有广泛的应用。
常见的压力探测器有扩散硅压力变送器、静电容量型压力探测器、半导体压电阻型压力探测器。半导体压电阻型的工作原理是：在薄片表面形成半导体变形压力，通过压力使薄片变形而产生压电阻抗效果，从而使得阻抗的变化转换为电信号。半导体压电阻型压力探测器具有灵敏度高的优点。但是，在应用时，需要外电路连接半导体材料，不能实现非接触测量，使用不方便。此外，研究者也在光纤上形成了压力传感器。例如，CN108139284A公开了一种光纤传感器，包括具有端部的光波导，连接到光波导的光学偏转单元以及传感器主体，通过传感器膜在传感器主体上形成光学谐振腔，光波导或偏转单元通过可固化的粘合剂或焊接而附接到传感器主体。同理，光纤压力传感器需要连接光源和探测器，也不能实现非接触测量，使用也不方便。此外，现有压力探测器的灵敏度低，不能实现微压力探测。
发明内容
为解决以上问题，本发明提供了一种拓扑绝缘体微压力探测装置，包括太赫兹源、太赫兹探测器、衬底、拓扑绝缘体层、凸起部、施压层，拓扑绝缘体层置于衬底上，凸起部设置在拓扑绝缘体层的表面，施压层设置在凸起部上，太赫兹源发射的太赫兹波穿过施压部，照射拓扑绝缘体层，太赫兹探测器探测拓扑绝缘体层反射的太赫兹波，通过反射太赫兹波的变化实现微压力探测。应用时，微压力作用在施力部上。施力部采用能够透过太赫兹波的材料。施力部通过凸起部压迫拓扑绝缘体层的表面，由于凸起部是分散地设置在拓扑绝缘体层的表面上，凸起部导致拓扑绝缘体层的表面形成不均匀的应力或压力分布，从而改变了拓扑绝缘体层表面的介电常数分布，改变了拓扑绝缘体层的局域表面等离激元共振，也就是改变了太赫兹波的反射光谱，移动了反射谷的位置，通过反射谷的位置移动实现微压力探测。
更进一步地，衬底的材料为氧化铝。太赫兹波能够穿透氧化铝层，另外，氧化铝也具有较高的强度。在微压力作用下，整个衬底不易变形。此时，将拓扑绝缘体层设置为较小的厚度，也能够测量整个装置的透射光谱。
更进一步地，拓扑绝缘体层的材料为硒化铋或碲化铋。
更进一步地，施压部的材料为氧化铝。太赫兹波能够穿透氧化铝层，便于太赫兹波穿过施压部，照射在拓扑绝缘体层上。
更进一步地，凸起部的材料为拓扑绝缘体材料。在压力作用下，凸起部内产生应力，也改变了凸起部的表面态，改变了凸起部的介电常数，从而改变了凸起部和拓扑绝缘体层构成的复合结构的反射特性。因为凸起部的表面积更大，应力能够更多地改变凸起部的介电常数，所以能够更多地移动局域表面等离激元共振波长，从而实现更高灵敏度的微压力探测。
更进一步地，凸起部的材料与拓扑绝缘体层的材料相同，以便于应用离子束刻蚀等方法制备凸起部。
更进一步地，凸起部周期性分布。
更进一步地，周期为方形周期。
更进一步地，凸起部为圆柱形。
更进一步地，凸起部的直径小于200纳米。
本发明的有益效果：本发明提供了一种拓扑绝缘体微压力探测装置，包括太赫兹源、太赫兹探测器、衬底、拓扑绝缘体层、凸起部、施压层，拓扑绝缘体层置于衬底上，凸起部设置在拓扑绝缘体层的表面，施压层设置在凸起部上，太赫兹源发射的太赫兹波穿过施压部，照射拓扑绝缘体层，太赫兹探测器探测拓扑绝缘体层反射的太赫兹波，通过反射太赫兹波的变化实现微压力探测。应用时，微压力作用在施力部上。施力部采用能够透过太赫兹波的材料。施力部通过凸起部压迫拓扑绝缘体层的表面，由于凸起部是分散地设置在拓扑绝缘体层的表面上，凸起部导致拓扑绝缘体层的表面形成不均匀的应力或压力分布，从而改变了拓扑绝缘体层表面的介电常数分布，改变了拓扑绝缘体层的局域表面等离激元共振，也就是改变了太赫兹波的反射光谱，移动了反射谷的位置，通过反射谷的位置移动实现微压力探测。由于太赫兹波具有较高的穿透能力，本发明将感知装置(包括衬底、拓扑绝缘体层、凸起部、施压层)和太赫兹源、太赫兹探测器分离，能够实现非接触式的微压力探测。另外，由于拓扑绝缘体层的表面态严重地依赖于表面的应力，所以本发明还具有压力探测灵敏度高的优点，在微压力探测领域具有良好的应用前景。
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是一种拓扑绝缘体微压力探测装置的示意图。
图2是又一种拓扑绝缘体微压力探测装置的示意图。
图3是再一种拓扑绝缘体微压力探测装置的示意图。
图中：1、衬底；2、拓扑绝缘体层；3、凸起部；4、施压层。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本申请作进一步详细说明。
实施例1
本发明提供了一种拓扑绝缘体微压力探测装置，如图1所示，包括太赫兹源、太赫兹探测器、衬底1、拓扑绝缘体层2、凸起部3、施压层4。拓扑绝缘体层2置于衬底1上。拓扑绝缘体层2的材料为拓扑绝缘体材料，具体地，拓扑绝缘体层2的材料为硒化铋或碲化铋。拓扑绝缘体是一种具有新颖光学性质的电磁物质，拓扑绝缘体的内部为绝缘体态、表面为金属性。这种金属性来源于表面电子的自旋。在压力作用下，拓扑绝缘体表面态发生变化，改变拓扑绝缘体的介电常数。凸起部3设置在拓扑绝缘体层2的表面。凸起部3周期性分布，周期为方形周期。施压层4设置在凸起部3上。施压部4的材料为氧化铝，也就是三氧化二铝。太赫兹源发射的太赫兹波穿过施压部4，照射拓扑绝缘体层2，太赫兹探测器探测拓扑绝缘体层2反射的太赫兹波，通过反射太赫兹波的变化实现微压力探测。
应用时，微压力作用在施力部4上。施力部4采用能够透过太赫兹波的材料。施力部4通过凸起部3压迫拓扑绝缘体层2的表面，由于凸起部3是分散地设置在拓扑绝缘体层2的表面上，凸起部3导致拓扑绝缘体层2的表面形成不均匀的应力或压力分布，从而改变了拓扑绝缘体层2表面的介电常数分布，改变了拓扑绝缘体层2的局域表面等离激元共振，也就是改变了太赫兹波的反射光谱，移动了反射谷的位置，通过反射谷的位置移动实现微压力探测。
太赫兹(THz)波是指频率在0.1～10THz(波长为3000～30微米)范围内的电磁波。太赫兹的波长比可见光长，具有高透射形、能量比较低，太赫兹波对许多介电材料和非极性物质具有良好的穿透性。另外，太赫兹波的光子能量低，只有4.1meV，对人体级生物体十分安全，便于应用。由于太赫兹波具有较高的穿透能力，本发明将感知装置(包括衬底1、拓扑绝缘体层2、凸起部3、施压层4)和太赫兹源、太赫兹探测器分离，能够实现非接触式的微压力探测。另外，由于拓扑绝缘体层2的表面态严重地依赖于表面的应力，所以本发明还具有压力探测灵敏度高的优点，在微压力探测领域具有良好的应用前景。
更进一步地，衬底1的材料为氧化铝。太赫兹波能够穿透氧化铝层，另外，氧化铝也具有较高的强度。在微压力作用下，整个衬底不易变形。此时，将拓扑绝缘体层2设置为较小的厚度，也能够测量整个装置的透射光谱。
实施例2
在实施例1的基础上，凸起部3的材料为拓扑绝缘体材料。凸起部3为圆柱形。凸起部3的直径小于200纳米。在压力作用下，凸起部3内产生应力，也改变了凸起部3的表面态，改变了凸起部3的介电常数，从而改变了凸起部3和拓扑绝缘体层2构成的复合结构的反射特性。因为凸起部3的表面积更大，应力能够更多地改变凸起部3的介电常数，所以能够更多地移动局域表面等离激元共振波长，从而实现更高灵敏度的微压力探测。
在本实施例中，更进一步地，凸起部3的直径小于100纳米。由于凸起部3的直径小，凸起部3具有更多的表面积和表面态。在微压力作用下，凸起部3的介电常数改变更多，另外，凸起部3的形貌也容易发生改变，从而改变了凸起部3与拓扑绝缘体层2的耦合，更多地改变复合结构的局域表面等离激元共振，从而实现更高灵敏度的微压力探测。
实施例3
在实施例2的基础上，如图2所示，凸起部3的材料与拓扑绝缘体层2的材料相同。这样一来，便于应用离子束刻蚀方法在拓扑绝缘体层2上制备凸起部。
实施例4
在实施例3的基础上，如图3所示，凸起部3为倾斜状。在图3中，凸起部3向右侧倾斜。在压力作用下，凸起部3更容易被压弯，不仅改变了凸起部3本身的表面态，而且严重地改变了凸起部3的倾斜角度，从而改变了凸起部3和拓扑绝缘体层2复合结构的局域表面等离激元共振，从而实现更高灵敏度的微压力探测。
更进一步地，凸起部3的顶部粗，凸起部3的底部细。凸起部3与拓扑绝缘体层2之间的耦合主要发生在凸起部3与拓扑绝缘体层2接触处，也就是凸起部3的底部。将凸起部3的底部设置为较细、将凸起部3的顶部设置为较粗，在微压力的作用下，凸起部3的底部的介电常数发生更大程度的改变，凸起部3的底部也导致更大程度的弯曲，从而更多地改变凸起部3和拓扑绝缘体层2复合结构的局域表面等离激元共振，从而实现更高灵敏度的微压力探测。
更进一步地，在施压部4与凸起部3接触的表面上设有拓扑绝缘体膜层，拓扑绝缘体膜层的厚度小于200纳米。这样一来，拓扑绝缘体膜层将太赫兹波限制在拓扑绝缘体膜层和拓扑绝缘体层2之间。微压力作用时，不仅改变了凸起部3的倾斜角度，而且改变了拓扑绝缘体膜层与拓扑绝缘体层2之间的距离，更多地改变了拓扑绝缘体膜层和拓扑绝缘体层2之间的场分布，更多改变了拓扑绝缘体膜层、凸起部3、拓扑绝缘体层2复合结构的表面等离激元共振，从而更多地改变了反射光谱，从而实现更高灵敏度的微压力探测。
更进一步地，拓扑绝缘体膜层与拓扑绝缘体层2之间的距离小于2微米，以便于在拓扑绝缘体膜层与拓扑绝缘体层2之间形成局域场分布，拓扑绝缘体膜层与拓扑绝缘体层2之间的距离更严重地影响其间的局域场分布和反射光谱，以便实现更高灵敏度的微压力探测。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。
Claims (10)
1.一种拓扑绝缘体微压力探测装置，其特征在于，包括太赫兹源、太赫兹探测器、衬底、拓扑绝缘体层、凸起部、施压层，所述拓扑绝缘体层置于所述衬底上，所述凸起部设置在所述拓扑绝缘体层的表面，所述施压层设置在所述凸起部上，所述太赫兹源发射的太赫兹波穿过所述施压部，照射所述拓扑绝缘体层，所述太赫兹探测器探测所述拓扑绝缘体层反射的太赫兹波，通过反射太赫兹波的变化实现微压力探测。
2.如权利要求1所述的拓扑绝缘体微压力探测装置，其特征在于：所述衬底的材料为氧化铝。
3.如权利要求1所述的拓扑绝缘体微压力探测装置，其特征在于：所述拓扑绝缘体层的材料为硒化铋或碲化铋。
4.如权利要求1所述的拓扑绝缘体微压力探测装置，其特征在于：所述施压部的材料为氧化铝。
5.如权利要求1所述的拓扑绝缘体微压力探测装置，其特征在于：所述凸起部的材料为拓扑绝缘体材料。
6.如权利要求5所述的拓扑绝缘体微压力探测装置，其特征在于：所述凸起部的材料与所述拓扑绝缘体层的材料相同。
7.如权利要求1所述的拓扑绝缘体微压力探测装置，其特征在于：所述凸起部周期性分布。
8.如权利要求7所述的拓扑绝缘体微压力探测装置，其特征在于：所述周期为方形周期。
9.如权利要求1所述的拓扑绝缘体微压力探测装置，其特征在于：所述凸起部为圆柱形。
10.如权利要求9所述的拓扑绝缘体微压力探测装置，其特征在于：所述凸起部的直径小于200纳米。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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