CN115307728A - 包括等离子体超表面和体声波谐振器的光学检测器 - Google Patents
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Abstract
本申请题为“包括等离子体超表面和体声波谐振器的光学检测器”。一种用于光学检测器的装置包括：体声波(BAW)谐振器(230)，其包括压电层(252)和金属层(254)；声学布拉格镜(220)，其在BAW谐振器(230)上并包括第一声阻抗层(272)和不同于第一声阻抗层(272)的第二声阻抗层(274)；以及等离子体超表面(210)，其在声学布拉格镜(220)上并包括布置成阵列的几何图案的结构(242)。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2021年5月4日提交的题为“Infrared Detector Based onPlasmonic Metasurfaces Integrated on Bulk Acoustic Wave Resonators”的美国临时专利申请号63/184,041的优先权，并在此通过引用将其整体并入本文。
背景技术
超表面是一种人工制造的材料，也被称为超材料，其包括对称布置的几何图案的结构，这些几何图案相对于电磁波谱的目标部分具有亚波长尺度。等离子体超表面是这样一种超表面，其表现出负的真实介电常数，并且在特定的电磁激发条件下可以产生被称为表面等离子体极化激元(SPP)的表面电荷密度振荡。等离子体超表面由金属或类金属材料(例如金属材料和介电材料的组合)形成，并且包含分布在表面上或表面下的亚波长尺度结构。这些结构可以具有相似或不同的几何形状，并且可以被重复并跨层隔开以改变电磁波的行为，从而产生SPP。例如，这些结构可以是放置在介电层上的分离的圆形、方形或十字形金属贴片。等离子体超表面可以被设计为与特定光谱中的电磁波(例如，可见光或红外(IR)光)相互作用，以吸收或反射特定波长或频率的光。
发明内容
根据本说明书的至少一个示例，一种装置包括：体声波(BAW)谐振器，其包括压电层和金属层；声学布拉格镜，其在BAW谐振器上并包括第一声阻抗层和不同于第一声阻抗层的第二声阻抗层；以及等离子体超表面，其在声学布拉格镜上并包括布置成阵列的几何图案的结构。
根据本说明书的另一示例，一种光学设备包括：等离子体超表面，其被配置为吸收光学设备上的入射光的一部分，其中入射光的该部分具有比入射光的频谱更窄的频率范围，并且吸收入射光的该部分将在等离子体超表面处产生热能；BAW谐振器，其被配置为接收来自等离子体超表面的热能，将施加的电信号转换为声波，并根据热能转移声波的声谐振频率；以及在等离子体超表面和BAW谐振器之间的声学布拉格镜，该声学布拉格镜被配置为将声波的一部分反射离开等离子体超表面并朝向BAW谐振器。
根据本说明书的另一示例，一种光检测器系统，其包括：光源，其被配置为发射具有频谱的光束；以及光检测器，其被配置为检测该频谱中的光束的强度，该光检测器包括：等离子体超表面，其包括以二维阵列布置的几何图案的结构；声学布拉格镜，其耦合到等离子体超表面并包括第一声阻抗层和第二声阻抗层；BAW谐振器，其耦合到声学布拉格镜并包括压电层和金属层；衬底，其在第一端处耦合到压电层，并在第二端处耦合到BAW谐振器的金属层；第一接触部和第二接触部，其在BAW谐振器的相对侧上；以及BAW谐振器与衬底之间的间隙。
附图说明
为了详细描述各种示例，现在将参考附图，其中：
图1是根据各种示例的光检测器系统的框图。
图2A是根据各种示例的光学设备的示意图。
图2B是根据各种示例的图2A的光学设备的俯视图。
图2C是根据各种示例的图2A的光学设备的横截面图。
图3是根据各种示例的带有BAW谐振器的等离子体超表面的示意图。
图4是根据各种示例的带有BAW谐振器的等离子体超表面的示意图。
图5是根据各种示例显示图3和图4的等离子体超表面上的声波的导纳幅度(admittance amplitude)的曲线图。
图6是根据各种示例显示图3和图4的等离子体超表面上的声波的导纳相位(admittance phase)的曲线图。
图7是根据各种示例的带有声学布拉格镜和BAW谐振器的等离子体超表面的图。
图8是根据各种示例的带有声学布拉格镜和BAW谐振器的等离子体超表面的图。
图9是根据各种示例显示图7和图8的等离子体超表面上的声波的导纳幅度的曲线图。
图10是根据各种示例显示图7和图8的等离子体超表面上的声波的导纳相位的曲线图。
图11是根据各种示例显示针对光学设备中的接触部的一系列长宽比的可检测入射光功率的曲线图。
图12是根据各种示例显示针对距光学设备的一系列距离的入射光功率的曲线图。
图13是根据各种示例的用于处理信号数据的硬件架构的框图。
具体实施方式
光学检测器或光检测器(也可被称为光学传感器)是检测特定频率或波长范围的光的设备类型。该检测包括吸收照亮检测器的表面的光辐射的一部分并将其转换成可以测量和分析的信号(例如电信号)。照亮表面或投射到表面上的光也可以被称为入射光。所测量的电信号的分析有助于推断暴露于光辐射的样品的特性。样品的特征可以包括样品中的物质的类型、成分或密度。例如，光学检测器可以用作根据一种或多种光源和频谱(例如，红外光、可见光或紫外激光源)进行操作的气体或流体检测器。光学检测器可以包括为特定检测应用设计的各种材料和层。
光学检测器可以包括根据应用设计的等离子体超表面。这可能涉及等离子体超表面在光的某一波长处实现吸收峰，并且远离该波长具有充分低的吸收或没有吸收。这样的响应被称为等离子体谐振响应并且在峰值吸收处的波长被称为等离子体谐振波长。等离子体谐振响应可以提供入射光的过滤效果，其中光可以在相对于发射光的频谱相对窄的波长范围内被吸收。等离子体超表面设计包括确定分散在等离子体超表面上的结构的尺寸和间距，例如以二维(2D)阵列的形式。为了实现检测，等离子体超表面可以与其他材料和层相结合，这些材料和层彼此堆叠并以低热耦合锚定到基底，例如硅(Si)或其他形式的衬底。响应于将入射光投射到等离子体超表面上，入射光能量可以与等离子体超表面相互作用，从而在表面处引起电荷振荡，这可以被称为等离激元(plasmon)。在等离子体超表面处产生的电荷振荡可以作为热能传播到检测器中的子层内，并且对检测很有用。
光学检测器还可以包括体声波(BAW)谐振器，该BAW谐振器可以提供声波并通过转移其声谐振频率来响应在等离子体超表面中产生的热能。BAW谐振器包括位于两个金属层之间的压电层，这两个金属层充当用于将诸如电压形式的电信号施加到压电层的电极。压电层将施加的电信号转换为声波。
BAW谐振器被设计为实现可能不受等离子体超表面直接影响的声谐振响应。声谐振响应是指响应于将电信号施加到BAW谐振器的金属层的压电层中的声波的振幅峰值。然而，将等离子体超表面与BAW谐振器相结合以实现适合精确光学检测的声谐振响应可能具有挑战性。由BAW谐振器提供的声波可能与形成等离子体超表面的结构的二维阵列相互作用，并在声波中产生色散和杂散模式。杂散模式是声波中不同于声谐振频率的激发频率，其会导致声谐振响应的劣化并且可能不适合实现光检测。
本说明书提供了在光学检测器中将等离子体超表面与BAW谐振器相结合以实现特定声谐振响应的各种示例。光学检测器可以包括设置在等离子体超表面与BAW谐振器之间的声学布拉格镜。声学布拉格镜可以由至少两个不同的声阻抗层组成，以实现足够高的声阻抗失配，从而起到声波反射器的作用，并且每层的厚度可以相当于由BAW谐振器在其谐振频率下激发的声学模式的四分之一波长。声阻抗层可以含有具有不同声阻抗特性的不同材料。例如，两个不同的声阻抗层可以包括第一声阻抗层和第二声阻抗层，第一声阻抗层具有比第二声阻抗层更高的声阻抗。因此，这些层可以被设计成有效地用作镜子或反射器，从而保持将声波基本限制在BAW谐振器中。声波的限制是通过将BAW谐振器中的声波反射远离等离子体超表面而引起的。因此，防止或基本上抑制声波与等离子体超表面2D阵列结构相互作用以避免降低声谐振响应。可以通过增加声学布拉格镜的声阻抗层之间的差异来增加从等离子体超表面反射出的声波能量的量。光学检测器还可以包括将BAW谐振器耦合到衬底的两个或更多个接触部。这些接触部可以被设计成减少两个部件之间的热接触，从而增加热隔离。增加光学检测器层的热隔离可以增加电信号响应，因此增加光学检测器的检测灵敏度。可以选择接触部的长宽比以增加热隔离，同时为衬底上的器件提供足够的支撑。
图1是根据各种示例的光检测器系统100的框图。光检测器系统100可以包括由空间121隔开的光源110和光检测器120。光源110可以是发射指向光检测器120的光束122的任何发光设备。例如，光源110可以是发射在可见光谱或红外光谱中的光的激光器。光检测器120可以位于光源110的前面，以检测入射到光检测器120的表面上的发射光的至少一部分。光检测器120可以被设计成吸收某一波长或频率范围内的光，该波长或频率范围落在光源110的光谱中。光束134的被吸收部分的强度或幅度可以由光学检测器120检测。光学检测器120的部件可以被密封在封装件中以保护光学检测器120。
待分析的化学物质的样品可以被设置在光源110和光检测器120之间的空间121中，使得样品被暴露于光束122。入射在光检测器120的表面上的光可以在光检测器120处被收集并转换成可被分析以推断样品的特性的电信号。例如，样品可以是空间121中的流体、气体或多种气体。样品的特性可以包括样品的化学成分、密度、浓度或分子大小。空间121可以包括用于保持或容纳样品的腔室130。腔室130可以包括在光源110和光检测器120前面的开口，以允许来自光源110的光通过腔室130到达光检测器120。腔室130还可以包括一个或多个开口以用于将样品注入腔室130内和/或使样品流出腔室130。光检测器系统100还可以包括电耦合到光检测器120的处理系统140。处理系统140可以响应于光检测器120检测到来自光源110的光的幅度而接收来自光检测器120的电信号。可以分析该电信号以确定样品的特性。处理系统140可以包括用于基于存储的数据和/或模型来处理电信号以表征样品的处理器。例如，处理系统140可以是包括处理芯片和存储介质的计算机系统。
图2A至图2C示出了根据各种示例的光学设备200的各种侧视图。光学设备200可以是能够吸收光学设备200的表面上的入射光的光感测设备，这对于检测所吸收的光的强度或幅度是有用的。例如，光学设备200可以是光检测器120的一部分。光学设备200可以包括多个层和多种材料，这些层和材料被设计为增加特定波长范围内的入射光的吸收量或吸收部分。增加吸收的光量可以增加光检测系统中的信噪比并提供更准确的检测结果。在一些示例中，光学设备200包括等离子体超表面210和设置在BAW谐振器230上的声学布拉格镜220，该BAW谐振器230被设置在衬底240上。响应于入射光的吸收的等离子体超表面210中的热能可以引起BAW谐振器230的声谐振频率的移位。可以电检测到该频移。例如，BAW谐振器230可以耦合到振荡器电路(未示出)作为带有振荡器电路的反馈回路中的频率选择部件。因此，可以通过用频率计数器测量振荡器电路的输出频率来检测该频移。
等离子体超表面210可以包括设置在介电层244上或介电层244中的结构242的一维(1D)或二维(2D)阵列。例如，结构242可以对应于在介电层244上等距间隔开的金属贴片的网格或阵列。在另一示例中，等离子体超表面210可以包括金属片或金属层中的等距间隔开的间隙的网格或阵列。这些间隙可以是空的空间或者可以填充有电介质或其他材料。结构242可以具有各种几何形状、尺寸和间距的图案。例如，结构242可以具有诸如方形、圆形、狭缝或十字图案的几何形状。结构242的间距可以以分布在某一波长范围内的声波的形式确定等离子体超表面210的等离子体谐振响应。结构242的尺寸可以改变等离子体超表面210在该波长范围内的等离子体谐振响应。
BAW谐振器230可以包括设置在两个金属层254之间的压电层252，这些金属层在一些示例中可以是类似的。压电层252可以由压电材料形成。压电材料的一个示例是能够将机械能转换为电能并将电能转换为机械能的晶体材料。例如，压电层252可以是硝酸铝(AlN)层并且金属层254可以是钼(Mo)层。可根据BAW谐振器层的厚度和声阻抗设置的BAW谐振器230的声谐振频率可以通过响应于吸收的光而在等离子体超表面210中产生的热能来移位。
压电层252和金属层254可以在BAW谐振器230的至少一侧上延伸以形成接触部260。如图2A至图2C所示，光学设备200的一些实施方式可以包括在BAW谐振器230的相对侧上的两个接触部260。两个接触部260可以为衬底240上的BAW谐振器230提供稳定性支撑，以减少诸如由跨形成材料层引发的应力梯度导致的BAW谐振器230中的弯曲。在其他示例中，等离子体超表面210可以在BAW谐振器230的不同侧上以提供稳定性支持的对称布置包括多于两个的接触部260。光学设备200还可以包括在BAW谐振器230与衬底240之间的间隙265。间隙265可以将振动与衬底240隔开并限制BAW谐振器230与衬底240之间的热耦合。如图2C所示，金属层254可能不会延伸跨过压电层252与间隙265之间的整个表面。这可以允许压电层252的一部分直接耦合到间隙265以减少热耦合并增加BAW谐振器230的热隔离。也可以通过设计接触部260的长度(l)与宽度(w)的比率来实现高的长宽比的(例如，导致更薄的)接触部260，同时还限制结构中的弯曲以实现对BAW谐振器230的稳定支撑，从而增加热耦合。下面提供了接触部260的长度值(l)和宽度值(w)的示例。
声学布拉格镜220可以包括至少一对的第一声阻抗层272和第二声阻抗层274。声阻抗层272和274可以是具有不同声阻抗特性的两种不同的相应材料的两个层。例如，如图2A和图2C所示，声学布拉格镜220可以包括两对堆叠的声阻抗层272和274。在其他示例中，声学布拉格镜220可以包括少于或多于两对堆叠的声阻抗层272和274。声阻抗层272和274的声阻抗特性确定由声学布拉格镜220反射的声波能量的量。例如，声阻抗层272和274可以是具有不同声阻抗特性的材料层。将具有不同阻抗特性的两层材料彼此堆叠可以用作声波的镜子或反射器。可以通过增加各层的声阻抗特性之间的差异来增加从堆叠层反射回来的声波能量的量。例如，一对声阻抗层272和274可以分别是钛钨(TiW)层和氧化硅(SiO2)层。如上所述，声阻抗层272和274可以被设计为将由BAW谐振器230产生的声波能量反射离开等离子体超表面210。这可以限制BAW谐振器230中的声波并降低BAW谐振器230的声谐振响应的退化。
为了提供声学布拉格镜220对光学设备200的声谐振响应的影响的示例，本文描述了与光学设备200类似的光学设备的各种设计。这些设计提供了包括分别类似于等离子体超表面210和BAW谐振器230的等离子体超表面和BAW谐振器结构的光学设备。通过比较类似的等离子体超表面和BAW谐振器结构之间存在和不存在声学布拉格镜220的设计的声谐振响应来显示声学布拉格镜220的影响。声谐振响应可以通过各种设计中的光学设备的导纳(admittance)数据来表征。导纳数据可以是由压电层252转换成电能的声能的量度。导纳数据的变化可以归因于相应设计中不存在或存在声学布拉格镜220。
图3和图4分别示出了根据各种示例的用于光学设备的设计300和400，该光学设备包括没有声学布拉格镜的等离子体超表面和BAW谐振器结构。设计300和400包括具有不同尺寸金属贴片的类似的BAW谐振器和等离子体超表面。根据各种示例，图3的设计300包括带有BAW谐振器330的等离子体超表面310。等离子体超表面310包括以2D阵列布置在作为介电层344的大约0.2微米(μm)厚的SiO2层上的多个结构342。在各种示例中，结构342是2×2μm2的Au贴片，它们以2D阵列形式等距间隔开大约4μm。在该示例中，等离子体超表面310包括4×4阵列中的16个结构342。在其他示例中，等离子体超表面310包括阵列中的任何合适数量的结构342。BAW谐振器330包括作为压电层352的大约0.7μm厚的AlN层，该AlN层位于作为金属层的两个大约0.3μm厚的Mo层354之间。根据各种示例，图4的设计400包括带有BAW谐振器430的等离子体超表面410。等离子体超表面410包括2×2μm2的Au贴片的多个结构442，它们等距间隔开大约8μm并以8×8阵列布置在作为介电层444的大约0.2μm厚的SiO2层上。BAW谐振器430包括位于作为金属层454的两个大约0.3μm厚的Mo层之间的作为压电层452的大约0.7μm厚的AlN层。在一些示例中，设计300和400的层和结构具有大致相同的尺度和材料。然而，等离子体超表面410的结构442以等离子体超表面310的结构342的一半距离隔开，从而产生方形金属贴片的更密集的8×8网格。
图5和图6分别示出了根据各种示例的图3和图4的设计300和400的导纳数据。导纳数据可以分为幅度和相位数据。图5是显示在具有不同等离子体超表面310和410(例如，4×4阵列和8×8阵列等离子体超表面)的BAW谐振器中产生的声谐振的导纳幅度数据500的曲线图。导纳幅度数据500包括分别用于设计300和400的曲线511和512。图5表示从大约7.4吉赫兹(GHz)到大约7.5GHz的以分贝(dB)为单位的导纳幅度数据。图6是显示如上文在图5中所考虑的在具有不同等离子体超表面310和410的BAW谐振器中产生的相同谐振响应的导纳相位数据600的曲线图。导纳相位数据600包括分别用于设计300和400的曲线611和612。图6表示在与图5相同的频率范围内的图5中表示的声谐振响应的以度为单位的相位值。在导纳幅度数据500和导纳相位数据600两者中，表现为数据值的波动的杂散模式在频率范围内以曲线511、512、611和612中的多个峰和谷的形式是可见的。与包含在等离子体超表面310、410中的结构342、442的数量无关，杂散模式都存在于用于设计300和400的数据中。杂散模式可以归因于设计300中的等离子体超表面310与BAW谐振器330之间的直接耦合，这可能导致BAW谐振器330中的声波与等离子体超表面310的结构342相互作用。如上所述，等离子体超表面310与BAW谐振器330之间的声耦合可能改变BAW谐振器330的所编程的声谐振响应并使其退化。类似地，设计400中的等离子体超表面410与BAW谐振器430之间的声耦合可能改变BAW谐振器430的所编程的声谐振响应并使其退化。
图7和图8分别示出了根据各种示例的用于光学设备的设计700和800，该光学设备包括在等离子体超表面与BAW谐振器之间的声学布拉格镜。设计700和800包括具有不同尺寸金属贴片的类似的BAW谐振器和等离子体超表面。根据各种示例，图7的设计700包括带有声学布拉格镜720和BAW谐振器730的等离子体超表面710。等离子体超表面710包括以2D阵列布置在作为介电层744的大约0.2μm厚的SiO2层上的多个结构742。在各种示例中，结构742是以2D阵列形式等距间隔开约4μm的2×2μm2 Au贴片。在该示例中，等离子体超表面710包括4×4阵列中的16个结构742。在其他示例中，等离子体超表面710包括阵列中的任何合适数量的结构742。BAW谐振器730包括位于作为金属层754的两个大约0.3μm厚的Mo层之间的作为压电层752的大约0.7μm厚的AlN层。声学布拉格镜720位于等离子体超表面710与BAW谐振器730之间并且包括两对第一声阻抗层772和第二声阻抗层774，每对包括大约0.4μm厚的TiW层和大约0.5μm厚的SiO2层。根据各种示例，图8的设计800包括在等离子体超表面810与BAW谐振器830之间的声学布拉格镜820。等离子体超表面810包括等距间隔开大约4μm并在介电层844上布置在8×8阵列中的2×2μm2 Au贴片的多个结构842。BAW谐振器830包括作为金属层854的位于两个大约0.3μm厚的Mo层之间的作为压电层852的大约0.7μm厚的AlN层。声学布拉格镜820位于等离子体超表面810与BAW谐振器830之间并且包括两对第一声阻抗层872和第二声阻抗层874，每对包括大约0.4μm厚的TiW层和大约0.5μm厚的SiO2层。在一些示例中，设计700和800的层和结构具有大致相同的尺度和材料。然而，等离子体超表面810的结构802以等离子体超表面810的结构842的一半距离间隔开，从而产生更密集的方形金属贴片的8×8网格。
图9和图10分别示出了根据各种示例的图7和图8的设计700和800的导纳数据。导纳数据可以分为幅度和相位数据。图9是显示在具有不同等离子体超表面710和810(例如，4×4阵列和8×8阵列等离子体超表面)的BAW谐振器730和830中产生的声谐振的导纳幅度数据900的曲线图。导纳幅度数据900包括分别用于设计700和800的曲线911和912。图9表示在从大约2.5GHz到大约7.6GHz的频率范围内以dB为单位的导纳幅度值。图10是显示如上文在图9中所考虑的在具有不同等离子体超表面710和810的BAW谐振器730和830中产生的相同谐振响应的导纳相位数据1000的曲线图。导纳相位数据1000包括分别用于设计700和800的曲线1011和1012。图10表示在与图9相同的频率范围内的图9中表示的声谐振响应的以度为单位的相位值。在曲线911和912中，显示了在大约2.53GHz的频率下对应于导纳幅度中的峰值的声谐振，其与包含在相应设计700和800的等离子体超表面710和810中的结构742、842的数量无关。
类似地，曲线1011和1012包括针对设计700和800两者在大致相同频率处的相位值的转变。分别与图5和图6的导纳幅度数据500和导纳相位数据600相比，导纳幅度数据900和导纳相位数据1000在曲线911、912、1011和1012中显示出较少的杂散模式。在设计700和800中在频率范围内增加的谐振响应和减少的能量波动将导致曲线1011和1012中的较少的杂散模式，这可以归因于在等离子体超表面710或810与BAW谐振器730或830之间包含声学布拉格镜720或820。如上所述，声学布拉格镜720或820提供从BAW谐振器730或830到等离子体超表面710或810的声学隔离。如图9和图10所示，这种隔离减轻了BAW 730或830的所设计的声谐振响应的退化。增加的谐振响应和减少的杂散模式被显示在用于设计700和800两者的导纳幅度数据900和导纳相位数据1000中，这与包含在等离子体超表面710和810中的结构742、842的数量无关。
在一些示例中，减少光学设备中的热耦合改进了光学检测，例如通过减少BAW谐振器与下面的衬底之间的热耦合。例如，在图2A至图2C的光学设备200中，可以选择接触部260的长度(l)与宽度(w)的比率以通过增加该比率使接触部260更薄，从而减少BAW谐振器230与衬底240之间的热耦合。增加比率l/w还可以增加从BAW谐振器230通过耦合到BAW谐振器230的金属电极收集到位于衬底240上的焊盘的电信号的电阻。因此，BAW谐振器的导纳响应的Q因数(取决于声学损耗和电学损耗)可能会随着比率l/w而降低，并使光学检测器的分辨率和噪声等效功率退化。
图11是示出根据各种示例的对于光学设备200的两个接触部260的一系列长宽比的可检测光功率数据1100的曲线图。在图11所示的示例中，光学设备200的压电层252是位于作为金属层254的两个大约0.3μm厚的Mo层之间的大约0.7μm厚的AlN层。可检测光功率数据1100以长宽比(l/w)范围内的dB毫瓦(dBm)值的曲线1101示出。曲线1101代表光学设备200可检测的红外(IR)光谱中的最小光功率量。对于图11，l/w比率是变化的，而光学设备200的其他设计参数保持不变。可基于最小可检测温度(ΔTmin)计算可检测红外光功率(PIR min)的最小量，该最小可检测温度(ΔTmin)可能受光学设备200或BAW谐振器230中的噪声量限制。PIR min随着l/w比率减小而减小。l和w的数值的示例可以在几微米到几十微米的范围内。在该示例中，ΔTmin是大约8毫开尔文(mK)，BAW谐振器230的表面积是大约40000μm2并且IR光源功率是大约700瓦每平方米(W/m2)。入射光功率的量可以高于可检测光功率的最小量以提供足够的能量用于光学设备200中的检测。
图12是示出根据各种示例的光学设备200的表面上的入射光的入射光功率数据1200的曲线图。对于与图11相同的示例，针对光源与光学设备200之间的一系列距离示出了入射光功率数据1200。通过在大约10-4米(m)与10-1m之间的距离范围内的dBm值的曲线1201示出入射光功率数据1200。曲线1201表示IR光谱(PIR)中的入射光功率的量。曲线1201的部分1202示出了在大约10-4m与大约10-2m之间的距离范围，其中入射光功率的量足够高以促进光学设备200在给定约-30dBm或更低的PIR min的情况下的光检测。该PIR min值可以通过大约1或更大的l/w比率来实现，如图11所示。
图13是根据各种示例的处理系统的硬件架构1300的框图。硬件架构1300包括可以是处理系统的一部分的硬件部件。例如，硬件架构1300可以对应于光检测器系统100中的处理系统140。如图13所示，硬件架构1300可以包括一个或多个处理器1301以及一个或多个存储器1302。在一些示例中，硬件架构1300还可以包括一个或多个收发器1303以及用于建立无线连接的一个或多个天线1304。这些部件可以通过总线1390或以任何其他合适的方式连接。在图13中，示出了部件通过总线1390进行连接的示例。
处理器1301可以被配置为读取和执行计算机可读指令。例如，处理器1301可以被配置为调用和执行存储在存储器1302中的指令，包括指令1395。处理器1301可以支持用于无线通信的一个或多个全局系统。响应于处理器1301发送消息或数据，处理器1301驱动或控制收发器1302执行发送。响应于处理器1301接收消息或数据，处理器1301还驱动或控制收发器1303执行接收。因此，处理器1301可以被视为是进行发送或接收的控制中心，并且收发器1303是进行发送和接收操作的执行器。
在一个示例中，存储器1302可以通过总线1390或输入/输出端口耦合到处理器1301。在另一示例中，存储器1302可以与处理器1301集成在一起。存储器1302被配置为存储各种软件程序和/或多组指令，包括指令1395。例如，存储器1302可以包括高速随机存取存储器，并且还可以包括非易失性存储器，例如一个或多个磁盘存储设备、闪存或另一种非易失性固态存储设备。存储器1302可以存储操作系统，例如ANDROID、IOS、WINDOWS或LINUX。存储器1302还可以存储网络通信程序。例如，网络通信程序可用于与一个或多个附接设备、一个或多个用户设备或一个或多个网络设备进行通信。存储器1302还可以存储用户界面程序。用户界面程序可以通过图形界面显示应用程序的内容，并接收用户通过诸如菜单、对话框或物理输入设备(未示出)等输入控件对应用程序执行的控制操作。存储器1302可以被配置为存储指令1395，以便实现根据本说明书的各种示例提供的各种方法和过程。
天线1304可以被配置为将电磁能转换成自由空间中的电磁波，或者将自由空间中的电磁波转换成传输线中的电磁能。收发器1303可以被配置为发送由处理器1301提供的信号，或者可以被配置为接收由天线1304接收的无线通信信号。在该示例中，收发器1303可以被认为是无线收发器。
硬件架构1300还可以包括其他通信部件，例如全球定位系统(GPS)模块、蓝牙模块或WI-FI模块。硬件架构1300还可以支持其他无线通信信号，例如卫星信号或短波信号。硬件架构1300还可配备有线网络接口或局域网(LAN)接口以支持有线通信。
根据各种示例，硬件架构1300还可以包括输入/输出设备(未示出)、音频输入/输出设备、按键输入设备、显示器等。输入/输出设备可以被配置为实现硬件架构1300与用户/外部环境的交互，并且可以包括音频输入/输出设备、按键输入设备、显示器等。输入/输出设备还可以包括相机、触摸屏、传感器等。输入/输出设备可以通过用户界面与处理器1301通信。
图13中所示的硬件架构1300是本说明书的各种示例中的可能实施方式。在实际应用或实施过程中，硬件架构1300可以包括更多或更少的部件。在此不做限定。
术语“耦合”出现在整个说明书中。该术语可以涵盖实现与本说明书一致的功能关系的连接、通信或信号路径。例如，如果设备A向控制设备B提供信号以执行动作，则在第一示例中，设备A耦合到设备B，或者在第二示例中，如果介入部件C基本上不改变设备A和设备B之间的功能关系，因此设备B通过设备A提供的控制信号由设备A控制，则设备A通过介入部件C耦合到设备B。
被“配置为”执行任务或功能的设备可以由制造商在制造时配置(例如，编程和/或硬接线)以执行该功能和/或可以由用户在制造后配置(或可重新配置)以执行该功能和/或其他附加或替代功能。该配置可以通过硬件部件的构造和/或布局以及设备的互连或其组合来进行。
本文描述为包括某些部件的设备可以改为适合于耦合到这些部件以形成所描述的设备。例如，描述为包括一个或多个元件(例如结构或层)和/或一个或多个源(例如电压源和/或电流源)的结构可以改为仅包括单个物理设备内的元件(例如，设备中的结构和层)，并且可以适合于耦合到至少一些源以在制造时或制造后例如由最终用户和/或第三方形成所描述的结构或系统。
虽然某些部件在本文中可能被描述为属于特定工艺技术，但这些部件可以被更换为其他工艺技术的部件。本文所描述的结构和设计可以被重新配置以包括被替换的部件以提供至少部分类似于在部件替换之前可用的功能的功能。
除非另有说明，否则数值之前的“约”、“大约”或“基本上”是指所述数值的+/-10％。对所描述的示例进行修改是可能的，并且在权利要求的范围内其他示例也是可能的。
Claims (20)
1.一种装置，其包括：
体声波谐振器即BAW谐振器，其包括压电层和金属层；
声学布拉格镜，其在所述BAW谐振器上并包括第一声阻抗层和不同于所述第一声阻抗层的第二声阻抗层；以及
等离子体超表面，其在所述声学布拉格镜上并包括布置成阵列的几何图案的结构。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述等离子体超表面包括金属层中的间隔间隙的网格。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述等离子体超表面的所述结构包括所述声学布拉格镜上的等距金属贴片的阵列。
4.根据权利要求3所述的装置，其中所述等距金属贴片的尺寸和间距被配置为在特定频率范围内引起入射光的吸收峰值。
5.根据权利要求1所述的装置，其中所述声学布拉格镜包括以堆叠和交替布置的所述第一声阻抗层和所述第二声阻抗层的多个对。
6.根据权利要求1所述的装置，其中所述金属层处于所述BAW谐振器中的第一金属层和第二金属层之间。
7.根据权利要求1所述的装置，其还包括在所述BAW谐振器的相对侧上的第一接触部和第二接触部。
8.根据权利要求7所述的装置，其中所述第一接触部和所述第二接触部中的每一个包括所述BAW谐振器的所述压电层和所述金属层的相应延伸部。
9.根据权利要求7所述的装置，其中所述第一接触部和所述第二接触部中的每一个具有长宽比，所述长宽比被配置为导致检测到处于或高于阈值的入射光功率。
10.根据权利要求7所述的装置，其中所述第一接触部和所述第二接触部被配置为减少所述装置的热接触并增加所述装置的热隔离并且减少所述BAW谐振器中的弯曲。
11.根据权利要求1所述的装置，其还包括衬底，所述衬底在第一端处耦合到所述压电层并且在第二端处耦合到所述BAW谐振器的所述金属层。
12.根据权利要求11所述的装置，其还包括在所述BAW谐振器与所述衬底之间的间隙。
13.一种光学设备，其包括：
等离子体超表面，其被配置为吸收所述光学设备上的入射光的一部分，其中所述入射光的所述部分具有比所述入射光的频谱更窄的频率范围，并且吸收所述入射光的所述部分将在所述等离子体超表面处产生热能；
体声波谐振器即BAW谐振器，其被配置为接收来自所述等离子体超表面的所述热能，将施加的电信号转换为声波，并根据所述热能转移所述声波的声谐振频率；以及
在所述等离子体超表面和所述BAW谐振器之间的声学布拉格镜，所述声学布拉格镜被配置为将所述声波的一部分反射离开所述等离子体超表面并朝向所述BAW谐振器。
14.根据权利要求13所述的光学设备，其中所述入射光的所述频谱是红外光谱即IR光谱。
15.根据权利要求13所述的光学设备，其中在所述声学布拉格镜处反射所述声波的所述部分将减少在所述频谱上的所述声波中的杂散模式。
16.根据权利要求13所述的光学设备，其还包括处理器，所述处理器被配置为响应于吸收所述入射光的所述部分而电检测所述声谐振频率的转移。
17.一种光检测器系统，其包括：
光源，其被配置为发射具有频谱的光束；和
光检测器，其被配置为检测所述频谱中的所述光束的强度，所述光检测器包括：
等离子体超表面，其包括以二维阵列布置的几何图案的结构；
声学布拉格镜，其耦合到所述等离子体超表面并包括第一声阻抗层和第二声阻抗层；
体声波谐振器即BAW谐振器，其耦合到所述声学布拉格镜并包括压电层和金属层；
衬底，其在第一端处耦合到所述压电层，并在第二端处耦合到所述BAW谐振器的所述金属层；
第一接触部和第二接触部，其在所述BAW谐振器的相对侧上；以及
所述BAW谐振器与所述衬底之间的间隙。
18.根据权利要求17所述的光检测器系统，其中所述等离子体超表面的所述结构是等间隔的并且具有相同的几何形状和相同的尺度。
19.根据权利要求17所述的光检测器系统，其中所述等离子体超表面的所述结构是所述声学布拉格镜上的金属贴片，所述压电层是硝酸铝(AlN)层，所述金属层是钼(Mo)层，并且所述衬底是硅(Si)衬底。
20.根据权利要求17所述的光检测器系统，其中所述光检测器被配置为检测所述频谱中的所述光束中的峰值，并且所述等离子体超表面被配置为在频率范围内吸收所述光束的一部分，所述频率范围比所述光束的所述频谱更窄。
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| PB01 | Publication | ||
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