基于雙U結(jié)構(gòu)的太赫茲傳感器

摘 要：近年來，太赫茲技術(shù)不斷發(fā)展，已經(jīng)成為各國必須加以重視的領(lǐng)域，與其相關(guān)的功能器件也層出不窮。本文設(shè)計了一種太赫茲波段下的超材料傳感器，通過對超材料結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變，進而研究其傳感性能。該設(shè)計提供了一種新的太赫茲波段傳感器的設(shè)計思路，具有較大潛在應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：太赫茲；超材料；傳感器

中圖分類號：TP212 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）35-0251-01

1 前 言

隨著新科技浪潮的興起，世界已經(jīng)開始進入到信息化時代，IT技術(shù)、生命科學(xué)和納米材料學(xué)作為三大支柱型科技，引領(lǐng)了未來發(fā)展的主要方向。在科技發(fā)展的進程中，對于信息的掌握和利用必然被放在首位，傳感器是在此過程中獲取自然和生產(chǎn)領(lǐng)域中信息的主要途徑與手段。因此，傳感器作為一種光電器件，近幾年得到了廣泛研究，其中包括了超材料傳感器。超材料傳感器是一種靈敏度高、可以突破傳統(tǒng)的傳感器分辨率極限的無標記檢測器件[1～4]。本文借助超材料的思想，設(shè)計了一種可以工作在太赫茲波段傳感器。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計與實驗方法

該傳感器的設(shè)計尺寸示意圖如圖1所示。圖1表示傳感器的其中一個單元，由天藍色基底和黃色的金屬結(jié)構(gòu)構(gòu)成?；走x擇Mylar材料，其厚度為22m，單元尺寸為336m×208m，如圖1（a）。Mylar材料像透明塑料薄膜一般，同時也能透過太赫茲，因此用這種材料作為基底不會影響其余結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。Mylar基底上覆蓋著雙U形金屬結(jié)構(gòu)，該金屬結(jié)構(gòu)由鋁通過傳統(tǒng)蒸鍍工藝得到，其厚度為0.4m，包括兩個尺寸相同，反向?qū)ΨQ的U形結(jié)構(gòu)，U形結(jié)構(gòu)的長為152m，寬為80m，線寬為18m，如圖1（b）。

在樣品的測量中，我們采用了基于光電導(dǎo)天線的8-F共焦式寬帶太赫茲時域頻譜系統(tǒng)（THz-TDS），該系統(tǒng)的太赫茲束腰直徑約3.5mm，我們把樣品放在束腰處，并且讓太赫茲垂直入射到樣品上，在樣品的另一側(cè)探測太赫茲的透射譜。

3 結(jié) 果

如圖2中的曲線所示，當傳感器結(jié)構(gòu)中的X為156m時，在0.38～0.47THz之間出現(xiàn)了一個帶寬接近0.1THz的寬帶諧振譜。顯然，要用這樣的寬帶諧振譜去實現(xiàn)傳感功能是不行的，因為我們希望設(shè)計的傳感器對被感知物越靈敏越好，而從以往的研究文獻中，科研工作者已經(jīng)提出要提高傳感器的靈敏度，需要得到窄帶諧振譜，即諧振的Q值越高，傳感器的靈敏度越高[5～6]。為了提高傳感器的靈敏度，我們改變X取值，使其從52～182m變化，分別用X2～X7表示，這樣，我們一共加工了6個樣品。從圖2可以看出，當X取值越大，諧振越往低頻移動，當X7=182m時，諧振藍移到了0.31THz處，諧振谷也尖銳了很多，說明Q值增大了。因此，增大X的尺寸，可以增加傳感器靈敏度。

4 結(jié) 論

我們利用雙U形結(jié)構(gòu)設(shè)計了一種在Mylar基底上新型太赫茲傳感器，通過增大U形結(jié)構(gòu)中的X的長度，發(fā)現(xiàn)傳感器的諧振更尖銳。該發(fā)現(xiàn)為實現(xiàn)靈敏度更高的傳感器提供了新方案。

參考文獻

[1]C.Janke，M.Frst，M.Nagel，et al.Asynchronous optical sampling for high-speed characterization of integrated resonant terahertz sensors，Optics Letters，2005，30（11）：1405～1407.

[2]X.M.Zheng，A.Sinyukov，L.M.Hayden.Broadband and gap-free response of a terahertz system based on a poled polymer emitter-sensor pair，Applied Physics Letters，2005，87：081115.

[3]N.Liu，M.Mesch，T.Weiss，et al.Infrared perfect absorber and its application as plasmonic sensor，Nano Lett，2010，10：2342～2348.

[4]G.H Li，X.S.Chen，O.P.Li，et al.A novel plasmonic resonance sensor based on an infrared perfect absorber，Journal of Physics D：Applied Physics，2012，45：205102.

[5]J.F.O’Hara，R.Singh，I.Brener，et al.Thin-film sensing with planar terahertz metamaterials：sensitivity and limitations，Optics Express，2008，16（3）： 1786～1795.

[6]F.Alves，D.Grbovic，B.Kearney，et al.Bi-material terahertz sensors using metamaterial structures，Optics Express，2013，21（11）：13256～13271.

收稿日期：2018-11-6

作者簡介：劉詩琪（1997-），男，漢族，山西朔州人，學(xué)生，本科在讀，研究方向為太赫茲傳感器。