頂端擴(kuò)展的十字型太赫茲吸收結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種頂端擴(kuò)展的十字型太赫茲吸收結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用。所述結(jié)構(gòu)將普通的十字型超材料結(jié)構(gòu)變成頂端擴(kuò)展的十字型超材料結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)與普通的十字型超材料結(jié)構(gòu)相比，頂端擴(kuò)展的十字型超材料結(jié)構(gòu)的尺寸更小，實(shí)現(xiàn)由60μm尺寸到30μm的縮小并實(shí)現(xiàn)同頻率的太赫茲輻射吸收。這種結(jié)構(gòu)不僅使天線對(duì)尺寸大為縮小，更重要的是能夠?qū)⒃摻Y(jié)構(gòu)置于微橋結(jié)構(gòu)上，用于太赫茲室溫探測(cè)器。這種結(jié)構(gòu)具有尺寸縮小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高太赫茲輻射吸收的特點(diǎn)，并且能與現(xiàn)有微橋結(jié)構(gòu)兼容，制成太赫茲室溫探測(cè)器，提高探測(cè)成像的分辨率。
【專利說明】頂端擴(kuò)展的十字型太赫茲吸收結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及太赫茲波探測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】，更具體地，涉及一種縮小尺寸的太赫茲吸收 結(jié)構(gòu)，及其在太赫茲室溫探測(cè)器上的應(yīng)用。

【背景技術(shù)】
[0002] 太赫茲波指頻率介于0. 1-lOTHz (波長3mm-3〇Mm)的電磁輻射，其電磁波譜位于微 波和紅外波段之間，因此，太赫茲系統(tǒng)兼顧電子學(xué)和光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。長期以來，由于缺乏 有效的THz輻射產(chǎn)生和檢測(cè)方法，人們對(duì)于該波段電磁輻射性質(zhì)的了解非常有限，以至于 該波段被稱為電磁波普中的THz空隙。該波段也是電磁波譜中有待進(jìn)行全面研究的最后一 個(gè)頻率窗口。
[0003] 與其它波段的電磁波相比，THz電磁波有如下獨(dú)特特點(diǎn)：①瞬態(tài)性：太赫茲脈沖的 典型脈寬在皮秒量級(jí)；②寬帶性：太赫茲脈沖源通常只包含若干個(gè)周期的電磁振蕩，單個(gè) 脈沖的頻率可以覆蓋GHz至幾十THz的范圍；③相干性：太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)的相干測(cè)量 技術(shù)能夠直接測(cè)量太赫茲電場(chǎng)的振幅和相位可以方便的提取樣品的折射率、吸收率；④低 能性：太赫茲光子的能量只有毫電子伏特，不會(huì)因?yàn)殡婋x而破壞被檢測(cè)物質(zhì)，從而可以安全 的進(jìn)行生物醫(yī)學(xué)方面的檢測(cè)和診斷；⑤穿透性：太赫茲輻射對(duì)于很多非極性絕緣物質(zhì)，例 如硬紙板、塑料、紡織物等包裝材料都有很高的穿透特性，對(duì)藏匿物進(jìn)行探測(cè)；⑥懼水性； 大多數(shù)極性分子如水分子、氨分子等對(duì)太赫茲輻射有較強(qiáng)烈的吸收，可以通過分析它們的 特征譜研究物質(zhì)含水量或者進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量控制；⑦光譜的特征吸收：由于許多極性大分子 的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)正好處于太赫茲頻帶范圍，使太赫茲光譜技術(shù)在分析和研究大分子方面 有廣闊的應(yīng)用前景。
[0004] 太赫茲系統(tǒng)主要有輻射源、探測(cè)器和各種功能器件組成。在實(shí)際應(yīng)用中THz探測(cè) 器是太赫茲技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵器件。在太赫茲探測(cè)器的開發(fā)和應(yīng)用中，檢測(cè)太赫茲輻射信號(hào) 具有極其重要的意義。為提高其檢測(cè)能力，可以通過提高探測(cè)單元的太赫茲輻射吸收率來 實(shí)現(xiàn)，而通過對(duì)微型縮小天線結(jié)構(gòu)和頂端擴(kuò)展的十字型超材料結(jié)構(gòu)的太赫茲吸收結(jié)構(gòu)的仿 真發(fā)現(xiàn)，它們對(duì)太赫茲輻射有非常高的吸收率，通過將微型縮小天線和頂端擴(kuò)展的十字型 超材料結(jié)構(gòu)與微橋結(jié)構(gòu)相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)太赫茲的實(shí)時(shí)探測(cè)成像。2008年美國波士頓大 學(xué)H. Tao等人設(shè)計(jì)了第一類基于超材料的太赫茲波平面吸收材料。該材料具有三層結(jié)構(gòu)， 底層為長方形金屬條，第二層為聚酰亞胺介質(zhì)層，第三層即為超材料媒質(zhì)層。第一類吸收 材料在制備過程中需要兩步光刻以及對(duì)準(zhǔn)過程，最大吸收為70 %。H. Tao隨后提出了第 二類太赫茲波平面吸收材料，該結(jié)構(gòu)依然是一種三層結(jié)構(gòu)，但是底層為連續(xù)金屬薄膜，第二 層依然為聚酰亞胺介質(zhì)層，第三層超材料媒質(zhì)層的人工單元。第二類吸收材料在制備上只 需要一道光刻步驟，簡(jiǎn)化了光刻工藝和對(duì)準(zhǔn)過程，因而制備更加容易。在文獻(xiàn)（Yongzheng Wen， etc， "Polarization-independent dual-band terahertz metamaterial absorbers based on gold/paryle-C/silicide structure "，2013)中，作者用金屬 / 介質(zhì)層 / 金屬 三明治結(jié)構(gòu)來作為太赫茲吸收器，頂層是由方形和十字架結(jié)構(gòu)組成的周期性陣列，材料是 金，底層是鈷-硅合金，中間介質(zhì)層是paryle-C，這種結(jié)構(gòu)的太赫茲波吸收器能吸收頻率為 0. 83THz和2. 38THz的太赫茲波，經(jīng)過模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)量吸收率效率能分別達(dá)到54 %和94 %。但是目前他們都采用較厚的介質(zhì)層并只將吸收器用于實(shí)驗(yàn)測(cè)量太赫茲吸收，并沒有涉 及于太赫茲探測(cè)器件的研究。從1992年，CEA-LETI已經(jīng)開始涉及到非晶硅非制冷微測(cè)熱 輻射計(jì)的研究。這個(gè)技術(shù)產(chǎn)生在法國優(yōu)利斯公司在2002年，在熱紅外傳感器市場(chǎng)上已經(jīng)是 領(lǐng)導(dǎo)地位。在平面微測(cè)熱探測(cè)器的基礎(chǔ)上，CEA-LETI已經(jīng)開始發(fā)展THz成像基于調(diào)整的紅 外微測(cè)熱輻射計(jì)到太赫茲波，但是他們所涉及的天線的尺寸結(jié)構(gòu)都比較大，不能與微橋結(jié) 構(gòu)相結(jié)合。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明提供一種縮小尺寸的太赫茲吸收結(jié)構(gòu)，使它們能夠與微橋結(jié)構(gòu)相結(jié)合，制 成太赫茲波探測(cè)器，該探測(cè)器能有效增強(qiáng)太赫茲輻射吸收率，使高性能太赫茲探測(cè)器的實(shí) 現(xiàn)成為可能。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的，采用的技術(shù)方案為： 頂端擴(kuò)展的十字型太赫茲吸收結(jié)構(gòu)，其特征在于：包括三層結(jié)構(gòu)，頂層為頂端擴(kuò)展的十 字型結(jié)構(gòu)，中間層為介質(zhì)層，底層為金屬反射層。
[0007] 進(jìn)一步地，頂層由普通十字型結(jié)構(gòu)與擴(kuò)展的長方形結(jié)構(gòu)組成。
[0008] 進(jìn)一步地，其材料為金屬金、鋁、鈦、鎳、銅及其合金，厚度為0. 01-0. 5Mm。
[0009] 進(jìn)一步地，頂端擴(kuò)展十字型圖形的周期為30_50Mm，整體長度為3〇-4〇μηι，十字部 分寬度為3-7Mm，十字架頂端擴(kuò)展長度為9-12Mm，擴(kuò)展部分寬度為2-5Mm。
[0010] 進(jìn)一步地，該頂端擴(kuò)展的十字型太赫茲吸收結(jié)構(gòu)對(duì)于太赫茲波的吸收頻率為 1. 5-3. 5THZ中的特定頻點(diǎn)。
[0011] 進(jìn)一步地,介質(zhì)層厚度為l-3Mm。
[0012] 進(jìn)一步地，反射層厚度〇· 1?〇· 5Mm。
[0013] 進(jìn)一步地，底部金屬反射層材料為金屬金、鋁、鈦、鎳、銅及其合金。
[0014] 進(jìn)一步地，根據(jù)上以上所述的頂端擴(kuò)展的十字型太赫茲吸收結(jié)構(gòu)在太赫茲室溫探 測(cè)器的應(yīng)用。 本發(fā)明具有以下有益效果： 1.本發(fā)明所涉及的頂端擴(kuò)展的十字型太赫茲吸收結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用，是采用頂端擴(kuò)展的十 字型超材料結(jié)構(gòu)來替代普通十字形超材料結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)同頻率的太赫茲波吸收。這種結(jié)構(gòu)的 優(yōu)點(diǎn)是尺寸小，能夠置于微橋橋面，與微橋結(jié)構(gòu)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)太赫茲波的吸收，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)太 赫茲波的探測(cè)與成像，并且制備工藝簡(jiǎn)單合理。這樣就充分利用了現(xiàn)有的微橋結(jié)構(gòu)易集成、 陣列化、室溫工作、實(shí)時(shí)探測(cè)、尺寸小優(yōu)勢(shì)，制造出高吸收效率的太赫茲波室溫探測(cè)器。
[0015] 2.該頂端擴(kuò)展的十字型太赫茲吸收結(jié)構(gòu)對(duì)于太赫茲波的吸收頻率為1. 5-3. 5THz 中的特定頻點(diǎn)。在該頻點(diǎn)的天線對(duì)的吸收率超過99 %。
[0016] 3.頂端擴(kuò)展的十字型太赫茲吸收結(jié)構(gòu)的尺寸為30-40Mffl，實(shí)現(xiàn)同頻率吸收的普通 天線結(jié)構(gòu)尺寸為6〇-8〇Mm。
[0017] 4.頂端擴(kuò)展的十字型太赫茲吸收結(jié)構(gòu)可以制作于微橋結(jié)構(gòu)的頂部，形成太赫茲吸 收?qǐng)D形。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018] 圖1 :普通十字形吸收?qǐng)D形（a)和頂端擴(kuò)展的十字型吸收?qǐng)D形（b)的示意圖。
[0019] 圖2 :采用頂端擴(kuò)展的十字型太赫茲吸收結(jié)構(gòu)的太赫茲室溫探測(cè)器示意圖。
[0020] 圖3 :頂端擴(kuò)展的十字型太赫茲吸收結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021] 圖4 :頂端擴(kuò)展的十字型太赫茲吸收結(jié)構(gòu)在頻率為2. 5THz處的吸收性能曲線，R為 反射率，A為吸收率。
[0022] 圖中標(biāo)號(hào)：1為襯底、10為驅(qū)動(dòng)電路、21為反射層、22為電路接口、23為底部犧牲 層、24為緩沖層、25為微橋支撐層、26為微橋頂部電極、27為敏感薄膜、28為氮化硅薄膜、30 為頂端擴(kuò)展的十字型太赫茲吸收結(jié)構(gòu)。

【具體實(shí)施方式】
[0023] 本發(fā)明提出的頂端擴(kuò)展的十字型太赫茲波吸收結(jié)構(gòu)，其特征在于，頂層是頂端擴(kuò) 展的十字形金屬圖形，中間層是介質(zhì)層，底層是金屬反射層。
[0024] 在硅片用磁控濺射法制備材料為鋁的金屬反射層，反射層的厚度在0. 1-0. 5Mffl 范圍內(nèi)；在金屬反射層上用自動(dòng)涂膠軌道進(jìn)行介質(zhì)層聚酰亞胺的涂覆，介質(zhì)層的厚度為 1. 9Mm ;在介質(zhì)層上用PECVD設(shè)備及混頻濺射技術(shù)制作低應(yīng)力的氮化硅保護(hù)層，制備氮化 硅層的厚度范圍在0. 1-lMm范圍內(nèi)；在保護(hù)層氮化硅上用AZ5214光刻膠進(jìn)行頂層鋁的頂端 擴(kuò)展的十字形結(jié)構(gòu)的制備，然后用金屬熱蒸發(fā)法制備金屬圖形，薄膜的厚度在0.05-0. 15ΜΠ 1 范圍內(nèi)，最后用丙酮也在超聲條件下進(jìn)行光刻膠的剝離，剝離后在片面留下頂端擴(kuò)展的十 字形結(jié)構(gòu)圖形。
[0025] 依據(jù)吸收中心頻率點(diǎn)的位置調(diào)整，頂端擴(kuò)展的十字型太赫茲吸收結(jié)構(gòu)尺寸變化不 局限于30_4〇Mm。
【權(quán)利要求】
1. 頂端擴(kuò)展的十字型太赫茲吸收結(jié)構(gòu)，其特征在于：包括三層結(jié)構(gòu)，頂層為頂端擴(kuò)展 的十字型結(jié)構(gòu)，中間層為介質(zhì)層，底層為金屬反射層。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的頂端擴(kuò)展的十字型太赫茲吸收結(jié)構(gòu)，其特征在于：頂層由普 通十字型結(jié)構(gòu)與擴(kuò)展的長方形結(jié)構(gòu)組成。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的頂端擴(kuò)展的十字型太赫茲吸收結(jié)構(gòu)，其特征在于：其材料為 金屬金、鋁、鈦、鎳、銅及其合金，厚度為0. 01-0. 5Mm。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的頂端擴(kuò)展的十字型太赫茲吸收結(jié)構(gòu)，其特征在于：頂端擴(kuò)展 十字型圖形的周期為30-50Mm，整體長度為30-40Mm，十字部分寬度為3-7Mm，十字架頂端擴(kuò) 展長度為9-12Mm，擴(kuò)展部分寬度為2-5Mm。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的頂端擴(kuò)展的十字型太赫茲吸收結(jié)構(gòu)，其特征在于：該頂端擴(kuò) 展的十字型太赫茲吸收結(jié)構(gòu)對(duì)于太赫茲波的吸收頻率為1. 5-3. 5THz中的特定頻點(diǎn)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的頂端擴(kuò)展的十字型太赫茲吸收結(jié)構(gòu)，其特征在于：介質(zhì)層厚 度為 1_3Μπι。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的頂端擴(kuò)展的十字型太赫茲吸收結(jié)構(gòu)，其特征在于：反射層厚 度 0· 1 ?0· 5Mm。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的頂端擴(kuò)展的十字型太赫茲吸收結(jié)構(gòu)，其特征在于：底部金屬 反射層材料為金屬金、鋁、鈦、鎳、銅及其合金。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1-8任一所述的頂端擴(kuò)展的十字型太赫茲吸收結(jié)構(gòu)在太赫茲波探測(cè) 器的應(yīng)用。
【文檔編號(hào)】G01J1/00GK104111110SQ201410353001
【公開日】2014年10月22日 申請(qǐng)日期:2014年7月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月24日
【發(fā)明者】王軍, 丁杰, 郭曉珮, 蔣亞東, 吳志明 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)