一种基于MEMS平面结构重构的环偶与电偶可切换的太赫兹超材料转换器及其制备方法技术

一种基于MEMS平面结构重构的环偶与电偶可切换的太赫兹超材料转换器及其制备方法，它涉及一种工作模式可切换的太赫兹超材料转换器及其制备方法。本发明专利技术的目的是要解决平面太赫兹超材料环偶谐振调谐深度小，激励方式所需外部设备复杂、活性材料可选范围窄以及线性属性小的问题。它包括基体硅衬底、梳齿型静电驱动结构、固定金属结构阵列、可动金属结构阵列和悬浮硅框架。方法：一、沉积二氧化硅层；二、锚结构的光刻胶掩膜图形化；三、锚结构形成；四、结构层键合与减薄；五、金属结构单元图形化；六、光刻胶掩膜图形化；七、刻蚀硅和释放MEMS结构。本发明专利技术主要用于制备环偶与电偶可切换的太赫兹超材料转换器。

A novel terahertz metamaterial converter based on MEMS planar structure reconfiguration and its fabrication method

A novel terahertz metamaterial converter based on MEMS planar structure reconfiguration and its preparation method are described. It relates to a terahertz metamaterial converter with switchable working mode and its preparation method. The purpose of the invention is to solve the problems of small tuning depth of planar terahertz metamaterial ring even resonance, complex external equipment required for excitation mode, narrow selection range of active material and small linear attribute. It includes substrate silicon, comb type electrostatic drive structure, fixed metal structure array, movable metal structure array and suspended silicon frame. Methods: 1. Deposition of silica layer; 2. Patterning of photoresist mask with anchor structure; 3. Formation of anchor structure; 4. Bonding and thinning of structure layer; 5. Patterning of metal structure unit; 6. Patterning of photoresist mask; 7. Etching silicon and releasing MEMS structure. The invention is mainly used for preparing a terahertz metamaterial converter which can be switched between a ring couple and an electric couple.

【技术实现步骤摘要】
一种基于MEMS平面结构重构的环偶与电偶可切换的太赫兹超材料转换器及其制备方法
本专利技术涉及一种工作模式可切换的太赫兹超材料转换器及其制备方法。
技术介绍
经典动力学中，通常有两大多极子系统，分别为电多极子和磁多极子。在这两大多极子系统中，最为常见的为电偶极子和磁偶极子。电偶极子可被看作为由一对相反电荷组成的系统，由于其散射强度大，电磁谐振线宽较宽，可用于天线或局部传感器来探测近场；磁偶极子可等效为一个电流环，电磁谐振线宽相对较窄，可用于低功率非线性处理器或光学敏感器件。作为第三类辐射源，环偶极子是由环形电流诱导产生一对方向相反的磁偶极子，并呈现首尾相接状态，具有几乎无辐射的特殊电磁特性，在核和原子物理领域、固态物理学以及经典电动力学领域具有广泛应用。但由于环偶极子模式对入射电磁波响应很弱，导致在大多数情况下其电磁响应非常微弱，经常被更强的传统电/磁极子所掩盖，严重阻碍了环偶极子的检测和应用。超材料是一种人工构建的周期性排列的亚波长结构单元阵列，通过合理地设计结构单元的几何形状、大小及排列方式，可实现自然材料不具备的超常电磁特性，例如负折射、电磁隐身和光学变换等特性。因此，通过合理地设计超材料的结构单元，可有效地抑制传统的电/磁偶极子响应，从而增强环偶极子的响应强度，使其达到可观测量级，这对深入研究环偶极子的电磁特性具有重要里程碑意义。通过结构设计和精确制备，目前已有多个基于三维超材料结构的环偶极子被报道，可实现良好的环形磁场限制、以及高强度和高Q因子的环偶谐振。然而，由于受制备工艺的限制，三维太赫兹超材料结构的环偶极子制备仍然具有很大的挑战性，导致当前现有的三维超材料结构的环偶极子主要工作在微波频段，很难在太赫兹高频段实现。近年来，为了实现太赫兹或光频段的环偶谐振，采用平面超材料结构实现太赫兹环偶谐振引起人们广泛兴趣和关注，逐渐成为超材料研究新分支和热点，其根本原因在于平面太赫兹超材料容易制备。目前，已设计和制备出基于平面太赫兹超材料结构的环偶谐振，使得它们在通讯、安全检测、生化传感等领域都具有潜在的应用价值和应用前景。然而，现有的基于平面超材料结构的环偶谐振响应主要取决于结构单元，其形状和尺寸一旦确定，所对应的谐振工作波长、幅度和带宽也固定，只能在有限的工作带宽内实现单一功能，严重制约和限制了应用范围。为了克服上述缺陷，通过在平面太赫兹超材料结构单元中集成活性材料实现对环偶谐振的动态调控，成为最前沿的科技领域之一，吸引人们的广泛的兴趣和关注。例如，2017年，X.Chen等人利用由方形开口环谐振器组成的平面太赫兹超材料实现环偶谐振，当超材料结构和单层石墨烯集成时，通过改变石墨烯的费米能可灵活调控环偶谐振的传输幅度。2018年，M.Gupta等人制备了由开口谐振环阵列组成的平面太赫兹超材料，并在开口缝隙处集成一层薄的硅结构；当采用800nm激光泵浦超材料结构时，通过调控泵浦光的功率可灵活调控环偶谐振幅度，而且当泵浦光的功率增大到一定程度时，可使环偶谐振转换为电偶谐振。然而，由于活性材料具有频率依赖属性、可选性有限、以及外部激励的复杂性，不可避免的限制了环偶谐振的调制深度，这些缺陷将会给平面超材料环偶谐振的实际应用带来很大的难度，以及限制了它的实际应用范围。
技术实现思路
本专利技术的目的是要解决平面太赫兹超材料环偶谐振调制深度小，激励方式所需外部设备复杂、活性材料可选范围窄以及线性属性小的问题，而提供的一种基于MEMS平面结构重构的环偶与电偶可切换的太赫兹超材料转换器及其制备方法。一种基于MEMS平面结构重构的环偶与电偶可切换的太赫兹超材料转换器，它包括基体硅衬底、梳齿型静电驱动结构、固定金属结构阵列、可动金属结构阵列和悬浮硅框架，所述梳齿型静电驱动结构和悬浮硅框架设置在基体硅衬底上，悬浮硅框架与梳齿型静电驱动结构连接，且悬浮硅框架悬空设置，固定金属结构阵列设置在悬浮硅框架内、基体硅衬底上，可动金属结构阵列与悬浮硅框架连接、悬空设置；所述固定金属结构阵列由周期性排列的结构元件组成，且固定金属结构阵列的结构元件呈“E”型结构，所述可动金属结构阵列由周期性排列的结构元件组成，且可动金属结构阵列的结构元件呈反“E”型结构，固定金属结构阵列的结构元件与可动金属结构阵列的结构元件成对相对设置，由成对相对设置的固定金属结构阵列的结构元件与可动金属结构阵列的结构元件组成环偶与电偶可切换的太赫兹超材料的功能结构单元。一种基于MEMS平面结构重构的环偶与电偶可切换的太赫兹超材料转换器的制备方法，具体是按以下步骤完成的：一、沉积二氧化硅层：利用材料生长工艺，在硅表面制备一层二氧化硅钝化层；二、锚结构的光刻胶掩膜图形化：利用机械旋涂工艺，在二氧化硅表面均匀涂覆一层光刻胶，经曝光、显影和定影后，感光区域光刻胶在显影时被去除，形成微图形结构，得到锚结构图形化光刻胶掩膜；所述光刻胶为正胶；三、锚结构形成：利用刻蚀工艺，①、以锚结构图形化光刻胶为掩膜刻蚀二氧化硅钝化层，得到刻蚀后的二氧化硅钝化层，再利用去胶液去除光刻胶；②、以刻蚀后的二氧化硅钝化层为掩膜对硅表面进行刻蚀，去除刻蚀后的二氧化硅钝化层，得到刻蚀后的硅；所述刻蚀工艺为湿法刻蚀或干法刻蚀；四、结构层键合与减薄：利用硅硅键合工艺，将刻蚀后的硅与基体硅衬底1进行键合，然后在边缘和基体硅衬底下表面涂覆保护层,再使用KOH溶液湿法刻蚀对刻蚀后的硅进行减薄，去除保护层得到减薄后硅；五、金属结构单元图形化：①、先利用机械旋涂工艺在减薄后硅表面旋涂光刻胶，经曝光、显影和定影，以E型图形阵列和反E型图形阵列区域为感光区域，得到图形化的光刻胶；所述光刻胶为正胶；②、淀积金属层，金属层厚度为0.2μm～0.4μm，再利用去胶液去除图形化光刻胶，同时将图形化光刻胶上的金属层剥离，只保留感光区域沉积的金属层，即实现在减薄后硅表面沉积E型图形化金属元件阵列和反E型图形化金属元件阵列，得到图形化金属超材料结构；六、光刻胶掩膜图形化：利用机械旋涂工艺，在图形化金属超材料结构表面旋涂光刻胶，经曝光、显影和定影，形成梳齿型静电驱动结构的微图形结构、悬浮硅框架的微图形结构、固定金属结构阵列的微图形结构和可动金属结构阵列的微图形结构，得到微图形结构光刻胶掩膜图形；七、刻蚀硅和释放MEMS结构：以微图形结构光刻胶掩膜图形作掩膜，利用深反应离子刻蚀技术进行深刻蚀硅，释放MEMS结构，再利用干法去除光刻胶，实现梳齿型静电驱动结构、悬浮硅框架、固定金属结构阵列和可动金属结构阵列，得到基于MEMS平面结构重构的环偶与电偶可切换的太赫兹超材料转换器。本专利技术原理及优点：1、传统的平面太赫兹超材料环偶谐振的调控方法是将太赫兹超材料与活性材料集成，通过外部激励改变结构单元活性材料或周围材料的属性，从而灵活有效地调控太赫兹超材料环偶谐振。传统较为常用的活性材料为半导体材料、相变材料、超导材料、石墨烯和液晶材料，其调谐能力明显依赖于活性材料的非线性特性，导致调谐范围有限，且活性材料可选范围窄。由于太赫兹超材料的电磁特性取决结构单元的尺寸和形状，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于MEMS平面结构重构的环偶与电偶可切换的太赫兹超材料转换器，其特征在于它包括基体硅衬底(1)、梳齿型静电驱动结构(2)、固定金属结构阵列(3)、可动金属结构阵列(4)和悬浮硅框架(5)，所述梳齿型静电驱动结构(2)和悬浮硅框架(5)设置在基体硅衬底(1)上，悬浮硅框架(5)与梳齿型静电驱动结构(2)连接，且悬浮硅框架(5)悬空设置，固定金属结构阵列(3)设置在悬浮硅框架(5)内、基体硅衬底(1)上，可动金属结构阵列(4)与悬浮硅框架(5)连接、悬空设置；所述固定金属结构阵列(3)由周期性排列的结构元件组成，且固定金属结构阵列(3)的结构元件呈“E”型结构，所述可动金属结构阵列(4)由周期性排列的结构元件组成，且可动金属结构阵列(4)的结构元件呈反“E”型结构，固定金属结构阵列(3)的结构元件与可动金属结构阵列(4)的结构元件成对相对设置，由成对相对设置的固定金属结构阵列(3)的结构元件与可动金属结构阵列(4)的结构元件组成环偶与电偶可切换的太赫兹超材料的功能结构单元。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于MEMS平面结构重构的环偶与电偶可切换的太赫兹超材料转换器，其特征在于它包括基体硅衬底(1)、梳齿型静电驱动结构(2)、固定金属结构阵列(3)、可动金属结构阵列(4)和悬浮硅框架(5)，所述梳齿型静电驱动结构(2)和悬浮硅框架(5)设置在基体硅衬底(1)上，悬浮硅框架(5)与梳齿型静电驱动结构(2)连接，且悬浮硅框架(5)悬空设置，固定金属结构阵列(3)设置在悬浮硅框架(5)内、基体硅衬底(1)上，可动金属结构阵列(4)与悬浮硅框架(5)连接、悬空设置；所述固定金属结构阵列(3)由周期性排列的结构元件组成，且固定金属结构阵列(3)的结构元件呈“E”型结构，所述可动金属结构阵列(4)由周期性排列的结构元件组成，且可动金属结构阵列(4)的结构元件呈反“E”型结构，固定金属结构阵列(3)的结构元件与可动金属结构阵列(4)的结构元件成对相对设置，由成对相对设置的固定金属结构阵列(3)的结构元件与可动金属结构阵列(4)的结构元件组成环偶与电偶可切换的太赫兹超材料的功能结构单元。


2.根据权利要求1所述的一种基于MEMS平面结构重构的环偶与电偶可切换的太赫兹超材料转换器，其特征在于所述固定金属结构阵列(3)的结构元件由E型图形化金属元件(3-1)和E型固定硅衬底(3-2)组成，E型固定硅衬底(3-2)设置在基体硅衬底(1)上，E型图形化金属元件(3-1)设置在E型固定硅衬底(3-2)上；所述可动金属结构阵列(4)的结构元件由反E型图形化金属元件(4-1)和反E型可动硅衬底(4-2)组成，反E型可动硅衬底(4-2)与悬浮硅框架(5)连接、悬空设置，反E型图形化金属元件(4-1)设置在反E型可动硅衬底(4-2)上；所述E型图形化金属元件(3-1)与反E型图形化金属元件(4-1)的结构参数完全相同，且E型图形化金属元件(3-1)与反E型图形化金属元件(4-1)平行设置。


3.根据权利要求2所述的一种基于MEMS平面结构重构的环偶与电偶可切换的太赫兹超材料转换器，其特征在于在环偶与电偶可切换的太赫兹超材料的功能结构单元中固定金属结构阵列(3)的结构元件与可动金属结构阵列(4)的结构元件的初始间距为3μm，通过在梳齿型静电驱动结构(2)的电极上加载驱动电压V，驱动可动金属结构阵列(4)平面平移，使环偶与电偶可切换的太赫兹超材料的功能结构单元中固定金属结构阵列(3)的结构元件与可动金属结构阵列(4)的结构元件的相对距离为d，0μm≤d≤3μm。


4.根据权利要求3所述的一种基于MEMS平面结构重构的环偶与电偶可切换的太赫兹超材料转换器，其特征在于所述环偶与电偶可切换的太赫兹超材料的功能结构单元的长为Qx，Qx＝210μm，宽为Qy，Qy＝106μm，E型图形化金属元件(3-1)和反E型图形化金属元件(4-1)的线宽为W，W＝10μm，短边长为L，L＝50μm，长边长为2S，S＝100μm。


5.如权利要求1所述的一种基于MEMS平面结构重构的环偶与电偶可...

【专利技术属性】
技术研发人员：贺训军，田玲，姚远，杨玉强，杨文龙，姜久兴，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：黑龙;23