一种基于双层谐振结构的液体传感器和光学开关制造技术

本发明专利技术提供了一种基于双层谐振结构的液体传感器和光学开关的设计方案。器件由双层太赫兹超材料器件构成，以不完整开口谐振环为单元结构，可沿用传统的制备方案分别制成上下层器件后，再组装制得。器件上下层之间留有空腔，便于液体的导入。器件在低频和高频频段均有谐振可用于检测层间液体，检测折射率范围为1～2.1，低频检测灵敏度恒为173.64GHz/RIU，高频检测灵敏度随折射率变化，最大达652.28GHz/RIU.器件也可以通过注水、排水的方式，实现对1.01～1.26THz和1.34～1.49THz两个频段透射率的交替高低切换，透射率变化幅度最大达75％。与现有技术相比，本发明专利技术一方面同时实现了双频段的高灵敏传感应用，另一方面又以简单易行的控制方式，实现了两个频段的光学开关功能。能。能。

【技术实现步骤摘要】
一种基于双层谐振结构的液体传感器和光学开关


[0001]本专利技术涉及一种可用作液体传感器和光学开关的太赫兹超材料器件，特别涉及一种基于双层谐振结构的液体传感器和光学开关。

技术介绍

[0002]太赫兹超材料器件由制备在衬底上的金属图案阵列构成。平面太赫兹超材料器件制备简单，在衬底上通过光刻
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蒸镀
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剥离的方法，制备出金属图案即可。这些金属图案可以与太赫兹光波发生相互作用，在特定频率下形成谐振，在透射光谱上以透射波谷的形式体现出来。开口谐振环是设计太赫兹超材料器件时最常见的单元结构之一。基于开口谐振环的器件，其LC谐振频率由公式决定，其中L和C 分别是器件中的等效电感和等效电容。
[0003]太赫兹超材料器件可以用于检测表面物质，因为谐振频率公式中的C由谐振环开口处的电容决定，其值和开口处的介电常数呈正比。因此，若被检测物位于开口谐振环的开口处，就可以改变器件的等效电容，引起光谱上谐振频率的变化。但是平面超材料器件由于形成电容的金属层非常薄，且往往开口处下方就是介电常数较大的衬底，被检测物置于其间所带来的电容的改变量甚微，因此在光谱上引起的频移很小。研究人员也为此做了一些努力，比如【Optics Express,27, 23164(2019)】报道的，将位于开口下方的衬底刻蚀掉，使得被检测物位于开口处时，可以与原先开口附近的空气形成迥然对比，引起较大的谐振频移。然而这种方案不仅需要繁琐的制备工序，其改善后的器件灵敏度也仅为71GHz/RIU。值得一提的是，目前基于开口谐振环的太赫兹超材料物质检测传感器，其灵敏度大都低于100GHz/RIU。如何进一步提高这类器件的检测灵敏度是一个亟待解决的问题。
[0004]另一方面，太赫兹超材料也可以用作光学开关。光学开关指的是在某个频率或频段，通过控制方法，显著改变光的强度。体现在太赫兹超材料器件的光谱上，就是在控制条件下，某一频率或频段的透射率或吸收率发生大幅改变。目前的控制手段主要包括：
[0005](1)使用相变材料如VO2构造超材料谐振单元，再利用温度控制使其发生相变，改变器件光谱；
[0006](2)使用二维材料如石墨烯构造超材料谐振单元，通过电压控制改变其电导率，造成光谱改变；
[0007](3)使用光敏半导体构造超材料谐振单元，通过泵浦改变其电导率，造成光谱改变；
[0008](4)制备器件结构易变的微机电系统(MEMS)，利用电压控制改变器件结构的相对位置，从而造成光谱改变；
[0009](5)使用柔性材料制备器件，通过器件形变，改变器件光谱。
[0010]这些方法均有弊端。相变材料、二维材料、光敏半导体价格较为昂贵，集入器件中，要对传统的单层器件制备手段加以革新，加大制备难度；电压控制，需要给器件设计电极或
接线端，同样增大制备难度；激光泵浦需要昂贵的专用设备；MEMS器件制备难度高，工序复杂；柔性器件同样对制备过程要求较高，且在调节光谱时不容易定量控制。如何在传统的超材料器件制备基础上，找到简单的控制手段，也是亟待解决的问题。

技术实现思路

[0011]为了解决上述技术问题，本专利技术为一种基于双层谐振结构的液体传感器和光学开关，其技术方案为：
[0012]由双层太赫兹超材料器件构成，该器件由若干个单元结构组成，每个单元结构在x和y方向均以一定的周期无限重复形成阵列；周期取值范围为65～100um；
[0013]所述每个单元结构由上层和下层组成，上层和下层结构相同，均由石英衬底和制备在衬底表面的金属层构成，该金属层包括外围和与外围一体连接并向内延伸的一个突出部；
[0014]该突出部形状为T形，沿其延伸方向该金属层为轴对称图形；
[0015]上层金属层与下层金属层相对布置，且上层金属层的外围与下层金属层的外围在x
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y平面的投影重合，上层T形在下层上的投影与下层T形相对布置，且T形顶部横向部分相对；
[0016]金属层其余部分镂空，可被液体填充；
[0017]上层与下层之间留有层间距，层间可注入微流体，流体将填充层间全部空间，包括金属层中的镂空部分。
[0018]进一步地，所述层间距为上层衬底下表面到下层衬底上表面的距离，距离范围为2～20um。
[0019]进一步地，该金属层的厚度为0.1～1um；外围为正方形，边长l 为60um，T形悬臂长度s为17.5um，悬臂顶部横向部分长度m为20um，其余线宽d为5um。
[0020]进一步地，用作液体传感器时，太赫兹光波从器件上层上方垂直入射，入射偏振沿y方向，入射光频率范围为0.3～2.1THz。
[0021]进一步地，用作光学开关时，太赫兹光波从器件上层上方垂直入射，入射偏振沿y方向，入射光频率范围为0.9～2.1THz。
[0022]进一步地，通过在器件上下层之间注水和排水实现特定频率处光学开关的功能。
[0023]进一步地，在器件下层衬底的下表面处检测透射光谱。
[0024]进一步地，该石英衬底厚度范围为300～1000um。
[0025]进一步地，所述金属为铝。
[0026]本专利技术的有益效果为：本专利技术为一种基于双层谐振结构的液体传感器和光学开关，由双层太赫兹超材料器件构成，上层与下层结构相同，可沿用传统的平面太赫兹超材料的制备工艺分别制得上下层，再组装。该器件在上下层间形成空腔，便于微流体的导入，一方面，可以检测出层间有无液体，或得出层间液体的折射率，从而确定为何种液体，也可用作不同浓度或成分的流动液体的动态检测，检测灵敏度高；另一方面，可通过在器件层间注水和排水的方式，实现特定频段处光学开关的功能。该器件既可在双频段实现高灵敏度的液体检测，也可通过便捷的控制手段，实现高对比度的光学开关调节。本专利技术器件以简单易行的制备方法，实现了太赫兹超材料器件在高灵敏传感器和宽带光学开关方面的推广应
用。
附图说明
[0027]图1为本专利技术单元结构的3D示意图；
[0028]图2为本专利技术单层金属层的俯视图；
[0029]图3为实施例1层间介质为空气和水的透射光谱图；
[0030]图4为实施例1层间介质为空气和水时，谐振频率随层间距变化的图示；
[0031]图5为实施例1层间介质为空气和水时，谐振频移随层间距变化的图示；
[0032]图6为实施例1谐振频率随层间介质折射率变化的图示；
[0033]图7为实施例2层间距为2，4，6，8um时，层间介质为空气和水的透射光谱图；
[0034]图8为实施例2层间距为10,12,14,16um时，层间介质为空气和水的透射光谱图；
[0035]图9为实施例2层间距为16um时，谐振频率随层间介质折射率变化的图示；
[0036]图10为实施例2层间距为16um时，层间介质为空气和水的透射光谱图。阴影标示的为器件可用作光学开关的两个频段。
[0037]如图所示，1本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于双层谐振结构的液体传感器和光学开关，由双层太赫兹超材料器件构成，其特征在于，该器件由若干个单元结构组成，每个单元结构在x和y方向均以一定的周期无限重复形成阵列；周期取值范围为65～100um；所述每个单元结构由上层和下层组成，上层和下层结构相同，均由石英衬底和制备在衬底表面的金属层构成，该金属层包括外围和与外围一体连接并向内延伸的一个突出部；该突出部形状为T形，沿其延伸方向该金属层为轴对称图形；上层金属层与下层金属层相对布置，且上层金属层的外围与下层金属层的外围在x
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y平面的投影重合，上层T形在下层上的投影与下层T形相对布置，且T形顶部横向部分相对；金属层其余部分镂空，可被液体填充；上层与下层之间留有层间距，层间可注入微流体，流体将填充层间全部空间，包括金属层中的镂空部分。2.如权利要求1所述的一种基于双层谐振结构的液体传感器和光学开关，其特征在于，所述层间距为上层衬底下表面到下层衬底上表面的距离，距离范围为2～20um。3.如权利要求1所述的一种基于双层谐振结构的液体传感器和光学开关，其特征在于，该金属层的厚度为0.1～1um...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱梅，陈君，张连，张喆，
申请(专利权)人：泰山学院，
类型：发明
国别省市：