基于三谐振吸收峰的超材料太赫兹传感器_张晓.pdf

第4 3卷 第2期桂 林 电 子 科 技 大 学 学 报V o l.4 3,N o.2 2 0 2 3年4月J o u r n a l o f G u i l i n U n i v e r s i t y o f E l e c t r o n i c T e c h n o l o g yA p r.2 0 2 3收稿日期:2 0 2 1-1 2-2 8基金项目:国家自然科学基金(6 2 0 6 5 0 0 5);广西自然科学基金(2 0 2 0 G X N S F D A 2 3 8 0 1 9);广西自动检测技术与仪器重点实验室基金(Y Q 2 1 1 0 1)通信作者:胡放荣(1 9 7 4-),男,教授,博士,研究方向为太赫兹科学与技术。E-m a i l:h u f a n g r o n g s i n a.c o m引文格式:张晓,胡放荣,张隆辉,等.基于三谐振吸收峰的超材料太赫兹传感器J.桂林电子科技大学学报,2 0 2 3,4 3(2):1 5 7-1 6 4.基于三谐振吸收峰的超材料太赫兹传感器 张 晓,胡放荣,张隆辉,江明珠(桂林电子科技大学 电子工程与自动化学院,广西 桂林 5 4 1 0 0 4)摘 要:设计了一种基于三谐振吸收峰的超材料太赫兹传感器,其单元结构由金属超表面、聚酰亚胺(P I)介质层和金属底板构成。金属超表面包含内外2个对称的多开口环和2根位于内环中央的金属短棒。用时域有限积分法对传感器的性能进行了仿真,结果表明,传感器在f1=0.4 9 8 2 T H z,f2=0.7 1 3 8 T H z和f3=0.9 6 0 2 T H z处具有3个窄带谐振吸收峰,吸收率分别为9 3.9 2%、9 9.9 5%和9 9.9 1%。当传感器表面覆盖分析物时,3个谐振吸收峰的灵敏度分别为7 1.5、1 2 1、1 9 0.3 G H z/R I U,且各谐振峰的频移量、频移量均值都与分析物的折射率呈线性关系。关键词:三谐振吸收峰;太赫兹超材料;传感器;灵敏度中图分类号:O 4 3 6 文献标志码:A 文章编号:1 6 7 3-8 0 8 X(2 0 2 3)0 2-0 1 5 7-0 8M e t a m a t e r i a l t e r a h e r t z s e n s o r b a s e d o n t h r e e r e s o n a n t a b s o r p t i o n p e a k s Z HA N G X i a o,HU F a n g r o n g,Z HA N G L o n g h u i,J I A N G M i n g z h u(S c h o o l o f E l e c t r o n i c E n g i n e e r i n g a n d A u t o m a t i o n,G u i l i n U n i v e r s i t y o f E l e c t r o n i c T e c h n o l o g y,G u i l i n 5 4 1 0 0 4,C h i n a)A b s t r a c t:A m e t a m a t e r i a l t e r a h e r t z s e n s o r b a s e d o n t r i-r e s o n a n t a b s o r p t i o n p e a k w a s d e s i g n e d,a n d t h e u n i t s t r u c t u r e w a s c o m p o s e d o f a m e t a l s u p e r s u r f a c e,a p o l y i m i d e(P I)m e d i u m l a y e r a n d m e t a l b a s e p l a t e.T h e m e t a l s u p e r s u r f a c e c o n t a i n s t w o s y mm e t r i c a l m u l t i-o p e n r i n g s a n d t w o m e t a l s h o r t r o d s i n t h e c e n t e r o f t h e i n n e r r i n g.T h e p e r f o r m a n c e o f t h e s e n s o r w a s s i m u l a t e d u s i n g t h e t i m e d o m a i n f i n i t e i n t e g r a l m e t h o d,a n d t h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e s e n s o r h a s t h r e e n a r r o w b a n d r e s o-n a n t a b s o r p t i o n p e a k s a t f1=0.4 9 8 2 T H z,f2=0.7 1 3 8 T H z a n d f3=0.9 6 0 2 T H z,a n d t h e a b s o r p t i o n r a t e s a r e 9 3.9 2%、9 9.9 5%a n d 9 9.9 1%,r e s p e c t i v e l y.W h e n t h e s u r f a c e o f t h e s e n s o r i s c o v e r e d w i t h a n a l y t e,t h e s e n s i t i v i t i e s o f t h e t h r e e r e s o n a n c e a b s o r p t i o n p e a k s a r e 7 1.5,1 2 1 a n d 1 9 0.3 G H z/R I U r e s p e c t i v e l y,a n d t h e f r e q u e n c y s h i f t a n d t h e a v e r a g e v a l u e o f t h e f r e q u e n c y s h i f t o f e a c h r e s o n a n t p e a k a r e l i n e a r w i t h t h e r e f r a c t i v e i n d e x o f t h e a n a l y t e.K e y w o r d s:t r i p l e r e s o n a n c e a b s o r p t i o n p e a k;t e r a h e r t z m e t a m a t e r i a l s;s e n s o r;s e n s i t i v i t y 太赫兹波1(TH z)是指频率在0.1 1 0 TH z内的电磁波,在电磁波谱中介于微波与红外波之间。因拥有频谱宽、安全性高、穿透性好和指纹谱特性等特点,太赫兹波在太赫兹时域光谱技术、成像技术、安检、雷达、生物传感等领域具有广泛的应用前景。超材料2-4是指一些人工设计且呈现出天然材料所不具备的超常物理性质的人工电磁材料。通过特殊的结构设计,超材料可应用于太赫兹调制器5-7、偏振器8-9、吸收器1 0-1 2、传感器1 3-1 6等领域。许多生物大分子的振动和转动能级都在太赫兹波段,且在此波段具有特征指纹谱。另外,由于太赫兹波的光子能量非常低,可以保持分子原有结构与活性,且响应速度快,可实现快速实时监测,能有效提高生物分子的检测灵敏度,特别适用于对生物分子的无损伤检测。太赫兹超材料传感器结合了超材料和太赫兹波谱学的优势,近年来一直是太赫兹技术研究领域的热点,且在生物分子检测方面也有很重要的研究价值。M a n o j等1 7提出了一种具有单个谐振峰的不对称太赫兹开口环谐振器,可用于检测不同分析物,其灵敏度为4 1 GH z/R I U。A s l i n e z h a d等1 8提出了一种吸收率达9 9.9%的单谐振峰太赫兹超材料传感DOI:10.16725/45-1351/tn.2023.02.001桂林电子科技大学学报2 0 2 3年4月器,可作折射率传感器、温度传感器。Y a n g等1 9提出了一种基于三维双I型超材料的单峰太赫兹传感器,其灵敏度高达8 3 2 GH z/R I U。以上传感器都只有单个谐振峰,尽管灵敏度或吸收率很高,但单峰传感器在测试过程中谐振峰的频移量受外界因素影响大,测量误差大,稳定性和抗干扰能力较差。L i u等2 0提出了一种具有2个吸收峰的太赫兹超材料传感器,用来检测废油或食用油。P a n g等2 1提出了一种基于双峰吸收的太赫兹超材料传感器,2个吸收峰的吸收率均达到9 9%以上,灵敏度分别为3 9.5、8 5.0 GH z/R I U,可区分3种具有不同介电常数的食用油。Y a o等2 2提出了一种具有柔性衬底的太赫兹超材料传感器,具有2个谐振峰,灵敏度分别为6 0、1 0 0 GH z/R I U,并成功区分了水、酒精和食用油3种液体。以上传感器都只有2个谐振峰,利用双峰的频移来检测物质,其稳定性优于单峰传感器,且双峰有助于降低测量误差,提高传感器抗干扰能力,但是对一些要求传感器稳定性和测量误差高的测量领域,如痕量生物分子检测,双峰传感器仍然不能满足需求。为进一步提高传感器的抗干扰能力和测量稳定性,以满足某些特殊领域的测量需求,设计了一种具有3个窄带谐振吸收峰的超材料太赫兹传感器,并对其性能进行研究。1 设计与仿真1.1 结构设计传感器单元结构俯视图和剖面图分别如图1(a)、(c)所示,其阵列示意图如图1(b)所示。该器件由3层组成,自下而上依次是金属底板、聚酰亚胺(P I)介质层和位于介质层上的金属谐振结构。金属谐振结构由2个对称的多开口环和2根位于内环中央的金属短棒组成。其中,金属底板及金属结构的厚度d均为0.2 m。单元结构沿x、y轴方向的周期数相等,用p表示,t为P I薄膜的厚度,a为外环沿x、y轴方向的宽度,b为外环6个开口及内环4个开口的宽度,c为2根金属短棒的间隙宽度,w为内环与外环之间的距离,g为金属线的宽度,为太赫兹波的入射角度。利用全波电磁仿真软件C S T M i c r o-w a v e S t u d i o 2 0 2 0对传感器性能进行仿真和结构优化,仿真时在z方向设置了开放边界条件,在x、y方向设置周期性边界条件。同时,太赫兹波沿z方向垂直入射在传感器表面,x方向为入射太赫兹波的电场方向,y方向为磁场方向。传感器的金属层为有损耗的金(A u),其电导率为=4.5 6 1 1 07 Sm-1。经过优化后,该传感器的单元结构各参数值如表1所示。表1 传感器的结构参数p/ma/mb/mc/mg/mw/mt/m/()2 0 01 7 01 071 01 51 00图1 结构示意图 传感器的吸收谱如图2所示。由图2可知,传感器在0.2 1.2 TH z内具有3个谐振吸收峰,其中心频率分别为f1=0.4 9 8 2 TH z,f2=0.7 1 3 8 TH z和f3=0.9 6 0 2 TH z。则吸收率2 3 A=1-|S1 1|2-|S2 1|2,(1)其中:S1 1为反射参数;S2 1为透射参数。采用基于有851第2期张 晓等:基于三谐振吸收峰的超材料太赫兹传感器 限积分技术的频域求解器计算反射系数S1 1,由于结图3 结构参数p和t对传感器吸收率的影响构是反射式的,因此S2 10,吸收率可简化为A=1-|S1 1|2。(2)得到3个吸收峰的吸收率分别为9 3.9 2%、9 9.9 5%和9 9.9 1%。