一种基于超材料的可调谐太赫兹探测器

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。

技术实现要素：

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unitcell边界条件，z方向为open(andspace)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。