頂端擴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，頂端擴展的十字型超材料結(jié)構(gòu)的尺寸更小，實現(xiàn)由60μm尺寸到30μm的縮小并實現(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器。這種結(jié)構(gòu)具有尺寸縮小、結(jié)構(gòu)簡單、高太赫茲輻射吸收的特點，并且能與現(xiàn)有微橋結(jié)構(gòu)兼容，制成太赫茲室溫探測器，提高探測成像的分辨率。
【專利說明】頂端擴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【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)兼顧電子學和光學系統(tǒng)的優(yōu)勢。長期以來，由于缺乏 有效的THz輻射產(chǎn)生和檢測方法，人們對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行全面研究的最后一 個頻率窗口。
[0003] 與其它波段的電磁波相比，THz電磁波有如下獨特特點：①瞬態(tài)性：太赫茲脈沖的 典型脈寬在皮秒量級；②寬帶性：太赫茲脈沖源通常只包含若干個周期的電磁振蕩，單個 脈沖的頻率可以覆蓋GHz至幾十THz的范圍；③相干性：太赫茲時域光譜技術(shù)的相干測量 技術(shù)能夠直接測量太赫茲電場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，不會因為電離而破壞被檢測物質(zhì)，從而可以安全 的進行生物醫(yī)學方面的檢測和診斷；⑤穿透性：太赫茲輻射對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，對藏匿物進行探測；⑥懼水性； 大多數(shù)極性分子如水分子、氨分子等對太赫茲輻射有較強烈的吸收，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 的振動和轉(zhuǎn)動能級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、探測器和各種功能器件組成。在實際應(yīng)用中THz探測 器是太赫茲技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵器件。在太赫茲探測器的開發(fā)和應(yīng)用中，檢測太赫茲輻射信號 具有極其重要的意義。為提高其檢測能力，可以通過提高探測單元的太赫茲輻射吸收率來 實現(xiàn)，而通過對微型縮小天線結(jié)構(gòu)和頂端擴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，可以實現(xiàn)太赫茲的實時探測成像。2008年美國波士頓大 學H. Tao等人設(shè)計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準過程，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，簡化了光刻工藝和對準過程，因而制備更加容易。在文獻（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)過模擬和實驗測量吸收率效率能分別達到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驗測量太赫茲吸收，并沒有涉 及于太赫茲探測器件的研究。從1992年，CEA-LETI已經(jīng)開始涉及到非晶硅非制冷微測熱 輻射計的研究。這個技術(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上已經(jīng)是 領(lǐng)導(dǎo)地位。在平面微測熱探測器的基礎(chǔ)上，CEA-LETI已經(jīng)開始發(fā)展THz成像基于調(diào)整的紅 外微測熱輻射計到太赫茲波，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 成太赫茲波探測器，該探測器能有效增強太赫茲輻射吸收率，使高性能太赫茲探測器的實 現(xiàn)成為可能。
[0006] 為實現(xiàn)本發(fā)明目的，采用的技術(shù)方案為： 頂端擴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] 進一步地，頂層由普通十字型結(jié)構(gòu)與擴展的長方形結(jié)構(gòu)組成。
[0008] 進一步地，其材料為金屬金、鋁、鈦、鎳、銅及其合金，厚度為0. 01-0. 5Mm。
[0009] 進一步地，頂端擴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，十字架頂端擴展長度為9-12Mm，擴展部分寬度為2-5Mm。
[0010] 進一步地，該頂端擴展的十字型太赫茲吸收結(jié)構(gòu)對于太赫茲波的吸收頻率為 1. 5-3. 5THZ中的特定頻點。
[0011] 進一步地,介質(zhì)層厚度為l-3Mm。
[0012] 進一步地，反射層厚度〇· 1?〇· 5Mm。
[0013] 進一步地，底部金屬反射層材料為金屬金、鋁、鈦、鎳、銅及其合金。
[0014] 進一步地，根據(jù)上以上所述的頂端擴展的十字型太赫茲吸收結(jié)構(gòu)在太赫茲室溫探 測器的應(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)，實現(xiàn)同頻率的太赫茲波吸收。這種結(jié)構(gòu)的 優(yōu)點是尺寸小，能夠置于微橋橋面，與微橋結(jié)構(gòu)相結(jié)合實現(xiàn)太赫茲波的吸收，從而實現(xiàn)對太 赫茲波的探測與成像，并且制備工藝簡單合理。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、實時探測、尺寸小優(yōu)勢，制造出高吸收效率的太赫茲波室溫探測器。
[0015] 2.該頂端擴展的十字型太赫茲吸收結(jié)構(gòu)對于太赫茲波的吸收頻率為1. 5-3. 5THz 中的特定頻點。在該頻點的天線對的吸收率超過99 %。
[0016] 3.頂端擴展的十字型太赫茲吸收結(jié)構(gòu)的尺寸為30-40Mffl，實現(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 收圖形。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018] 圖1 :普通十字形吸收圖形（a)和頂端擴展的十字型吸收圖形（b)的示意圖。
[0019] 圖2 :采用頂端擴展的十字型太赫茲吸收結(jié)構(gòu)的太赫茲室溫探測器示意圖。
[0020] 圖3 :頂端擴展的十字型太赫茲吸收結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021] 圖4 :頂端擴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] 圖中標號：1為襯底、10為驅(qū)動電路、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 為頂端擴展的十字型太赫茲吸收結(jié)構(gòu)。

【具體實施方式】
[0023] 本發(fā)明提出的頂端擴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 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涂膠軌道進行介質(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)力的氮化硅保護層，制備氮化 硅層的厚度范圍在0. 1-lMm范圍內(nèi)；在保護層氮化硅上用AZ5214光刻膠進行頂層鋁的頂端 擴展的十字形結(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行光刻膠的剝離，剝離后在片面留下頂端擴展的十 字形結(jié)構(gòu)圖形。
[0025] 依據(jù)吸收中心頻率點的位置調(diào)整，頂端擴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所述的頂端擴展的十字型太赫茲吸收結(jié)構(gòu)，其特征在于：頂端擴展 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 展長度為9-12Mm，擴展部分寬度為2-5Mm。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的頂端擴展的十字型太赫茲吸收結(jié)構(gòu)，其特征在于：該頂端擴 展的十字型太赫茲吸收結(jié)構(gòu)對于太赫茲波的吸收頻率為1. 5-3. 5THz中的特定頻點。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的頂端擴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任一所述的頂端擴展的十字型太赫茲吸收結(jié)構(gòu)在太赫茲波探測 器的應(yīng)用。
【文檔編號】G01J1/00GK104111110SQ201410353001
【公開日】2014年10月22日 申請日期: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 申請人:電子科技大學