周期天線結(jié)構(gòu)增強微測輻射熱計陣列太赫茲波吸收研究
發(fā)布時間：2020-12-09 01:11
太赫茲（THz）波是介于微波與紅外光之間的電磁波,波長位于3mm-0.03μm之間,具有多種獨特性質(zhì),如瞬態(tài)性、寬帶性、低能性、穿透性、光譜特征吸收等。太赫茲波探測技術(shù)是太赫茲波研究與應用的關(guān)鍵技術(shù)之一,決定著太赫茲科學技術(shù)的發(fā)展。基于微測輻射熱計的非制冷紅外探測器可擴展用于太赫茲波探測,但傳統(tǒng)的紅外微測輻射熱計微橋結(jié)構(gòu)在THz波段的吸收很弱,導致探測器對THz波的響應與信噪比很低。因此,需要對微測輻射熱計微橋結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計,以增強其對太赫茲波的吸收。表面等離子體超材料是由人工自主設(shè)計的亞波長周期陣列,擁有可調(diào)控的電磁參數(shù),可以在某些特定波段達到完美吸收,可用于改善微測輻射熱計在太赫茲波段的吸收率。本文以提高微橋結(jié)構(gòu)在低頻太赫茲波段的吸收率與增大吸收帶寬為目標,基于35×35μm2的小尺寸微橋探測單元,設(shè)計并集成了多種亞波長周期金屬陣列結(jié)構(gòu),采用嚴格耦合波分析法與CST軟件進行建模仿真與參數(shù)優(yōu)化,并完成探測結(jié)構(gòu)制備與測試驗證,研究表面等離子體超材料耦合微橋結(jié)構(gòu)在太赫茲波段的吸收特性。首先設(shè)計了鈦（Ti）圓盤周期陣列天線并集成在微測輻射熱計微橋陣列結(jié)構(gòu)中,基于嚴格...
【文章來源】：電子科技大學四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：79 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
太赫茲波段在電磁波頻譜中的位置
電子科技大學碩士學位論文2主要有熱釋電探測器、測輻射熱計和高萊探測器。其中，熱釋電探測器和測輻射熱計能夠?qū)崿F(xiàn)室溫工作、陣列化、寬光譜的連續(xù)太赫茲波探測。但熱釋電探測器的制備基于熱釋電晶體材料（如鉭酸鋰），無法與硅基CMOS電路集成，并且為保障探測性能必須采用厚度很薄的晶體材料[12]。微測輻射熱計以微橋結(jié)構(gòu)為基本單元如圖1-2（a）所示，制備二維焦平面探測器陣列，通過讀取因吸收目標太赫茲波而引起的熱敏薄膜電阻變化，實現(xiàn)太赫茲波探測。因此，在集成性、陣列化及成本方面，微測輻射熱計在太赫茲波輻射探測成像領(lǐng)域具有巨大的優(yōu)勢。由于太赫茲波處于與紅外光相鄰近的波段，而微測輻射熱計型紅外探測器技術(shù)已非常成熟，紅外微測輻射熱計在太赫茲輻射源的照射下可以用于太赫茲波段的探測與成像[13-15]。圖1-2（a）為傳統(tǒng)的紅外微測輻射熱計微橋結(jié)構(gòu)，制作在集成有讀出電路的襯底上，由橋面、橋腿和橋柱構(gòu)成，橋面是由橋腿支撐的懸空結(jié)構(gòu)，橋面與襯底之間為2~3μm高的真空諧振腔，諧振腔高度約為目標紅外波長的1/4。但由于太赫茲波的波長較長，傳統(tǒng)的紅外微測輻射熱計微橋結(jié)構(gòu)無法對波長較長的太赫茲波進行諧振吸收，導致器件對目標輻射的吸收極低（<4%），難以提供較高的響應與靈敏度[16]。因此，需要增加太赫茲波吸收層。金屬薄膜由于電阻損耗可以吸收太赫茲波，且具有低熱容、高熱導及與微橋結(jié)構(gòu)的制備工藝兼容等優(yōu)點，成為太赫茲微測輻射熱計中吸收材料的首選[17-19]，表面修飾可進一步提高金屬薄膜的有效吸收面積[20]，但金屬薄膜吸收太赫茲波的理論上限僅50%[21]。將天線、超材料等吸波結(jié)構(gòu)集成到微橋結(jié)構(gòu)中可有效提高太赫茲微測輻射熱計的吸收率。如圖1-2（b）為法國CEA-Leti實驗室制備的11μm高的介質(zhì)諧振腔結(jié)?
電子科技大學碩士學位論文4常數(shù)和磁導率同時為負）[32]。如圖1-3所示為基于與取值的材料分類。第一象限是自然界中常見的材料，介電常數(shù)和磁導率都為正，稱之為右手材料；第二象限是介電常數(shù)為負和磁導率為正的單負材料，稱之為電負材料；第四象限是介電常數(shù)為正和磁導率為負的單負材料，稱之為磁負材料[33]。第三象限的材料介電常數(shù)和磁導率同時為負，表現(xiàn)出負折射率。由于電磁波的傳播方向與電嘗磁場符合左手螺旋的法則，故被稱之為左手材料。圖1-3基于e與u取值的材料分類本世紀初，美國的D.R.Smith等人設(shè)計形成如圖1-4所示的結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)將周期排列的金屬細線與金屬開口諧振環(huán)組合，使得結(jié)構(gòu)在微波波段具有負折射率[34]。此后，研究者設(shè)計出各種新的超材料結(jié)構(gòu)，使其在更高頻率波段甚至于太赫茲波段的獲得負折射率材料[35-37]。圖1-4周期排列的金屬細線與金屬開口諧振環(huán)組合（引自文獻[34]）
本文編號：2905994
【文章來源】：電子科技大學四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：79 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
太赫茲波段在電磁波頻譜中的位置
電子科技大學碩士學位論文2主要有熱釋電探測器、測輻射熱計和高萊探測器。其中，熱釋電探測器和測輻射熱計能夠?qū)崿F(xiàn)室溫工作、陣列化、寬光譜的連續(xù)太赫茲波探測。但熱釋電探測器的制備基于熱釋電晶體材料（如鉭酸鋰），無法與硅基CMOS電路集成，并且為保障探測性能必須采用厚度很薄的晶體材料[12]。微測輻射熱計以微橋結(jié)構(gòu)為基本單元如圖1-2（a）所示，制備二維焦平面探測器陣列，通過讀取因吸收目標太赫茲波而引起的熱敏薄膜電阻變化，實現(xiàn)太赫茲波探測。因此，在集成性、陣列化及成本方面，微測輻射熱計在太赫茲波輻射探測成像領(lǐng)域具有巨大的優(yōu)勢。由于太赫茲波處于與紅外光相鄰近的波段，而微測輻射熱計型紅外探測器技術(shù)已非常成熟，紅外微測輻射熱計在太赫茲輻射源的照射下可以用于太赫茲波段的探測與成像[13-15]。圖1-2（a）為傳統(tǒng)的紅外微測輻射熱計微橋結(jié)構(gòu)，制作在集成有讀出電路的襯底上，由橋面、橋腿和橋柱構(gòu)成，橋面是由橋腿支撐的懸空結(jié)構(gòu)，橋面與襯底之間為2~3μm高的真空諧振腔，諧振腔高度約為目標紅外波長的1/4。但由于太赫茲波的波長較長，傳統(tǒng)的紅外微測輻射熱計微橋結(jié)構(gòu)無法對波長較長的太赫茲波進行諧振吸收，導致器件對目標輻射的吸收極低（<4%），難以提供較高的響應與靈敏度[16]。因此，需要增加太赫茲波吸收層。金屬薄膜由于電阻損耗可以吸收太赫茲波，且具有低熱容、高熱導及與微橋結(jié)構(gòu)的制備工藝兼容等優(yōu)點，成為太赫茲微測輻射熱計中吸收材料的首選[17-19]，表面修飾可進一步提高金屬薄膜的有效吸收面積[20]，但金屬薄膜吸收太赫茲波的理論上限僅50%[21]。將天線、超材料等吸波結(jié)構(gòu)集成到微橋結(jié)構(gòu)中可有效提高太赫茲微測輻射熱計的吸收率。如圖1-2（b）為法國CEA-Leti實驗室制備的11μm高的介質(zhì)諧振腔結(jié)?
電子科技大學碩士學位論文4常數(shù)和磁導率同時為負）[32]。如圖1-3所示為基于與取值的材料分類。第一象限是自然界中常見的材料，介電常數(shù)和磁導率都為正，稱之為右手材料；第二象限是介電常數(shù)為負和磁導率為正的單負材料，稱之為電負材料；第四象限是介電常數(shù)為正和磁導率為負的單負材料，稱之為磁負材料[33]。第三象限的材料介電常數(shù)和磁導率同時為負，表現(xiàn)出負折射率。由于電磁波的傳播方向與電嘗磁場符合左手螺旋的法則，故被稱之為左手材料。圖1-3基于e與u取值的材料分類本世紀初，美國的D.R.Smith等人設(shè)計形成如圖1-4所示的結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)將周期排列的金屬細線與金屬開口諧振環(huán)組合，使得結(jié)構(gòu)在微波波段具有負折射率[34]。此后，研究者設(shè)計出各種新的超材料結(jié)構(gòu)，使其在更高頻率波段甚至于太赫茲波段的獲得負折射率材料[35-37]。圖1-4周期排列的金屬細線與金屬開口諧振環(huán)組合（引自文獻[34]）
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