周期天线结构增强微测辐射热计阵列太赫兹波吸收研究
发布时间：2020-12-09 01:11
太赫兹（THz）波是介于微波与红外光之间的电磁波,波长位于3mm-0.03μm之间,具有多种独特性质,如瞬态性、宽带性、低能性、穿透性、光谱特征吸收等。太赫兹波探测技术是太赫兹波研究与应用的关键技术之一,决定着太赫兹科学技术的发展。基于微测辐射热计的非制冷红外探测器可扩展用于太赫兹波探测,但传统的红外微测辐射热计微桥结构在THz波段的吸收很弱,导致探测器对THz波的响应与信噪比很低。因此,需要对微测辐射热计微桥结构进行优化设计,以增强其对太赫兹波的吸收。表面等离子体超材料是由人工自主设计的亚波长周期阵列,拥有可调控的电磁参数,可以在某些特定波段达到完美吸收,可用于改善微测辐射热计在太赫兹波段的吸收率。本文以提高微桥结构在低频太赫兹波段的吸收率与增大吸收带宽为目标,基于35×35μm2的小尺寸微桥探测单元,设计并集成了多种亚波长周期金属阵列结构,采用严格耦合波分析法与CST软件进行建模仿真与参数优化,并完成探测结构制备与测试验证,研究表面等离子体超材料耦合微桥结构在太赫兹波段的吸收特性。首先设计了钛（Ti）圆盘周期阵列天线并集成在微测辐射热计微桥阵列结构中,基于严格...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
太赫兹波段在电磁波频谱中的位置
电子科技大学硕士学位论文2主要有热释电探测器、测辐射热计和高莱探测器。其中，热释电探测器和测辐射热计能够实现室温工作、阵列化、宽光谱的连续太赫兹波探测。但热释电探测器的制备基于热释电晶体材料（如钽酸锂），无法与硅基CMOS电路集成，并且为保障探测性能必须采用厚度很薄的晶体材料[12]。微测辐射热计以微桥结构为基本单元如图1-2（a）所示，制备二维焦平面探测器阵列，通过读取因吸收目标太赫兹波而引起的热敏薄膜电阻变化，实现太赫兹波探测。因此，在集成性、阵列化及成本方面，微测辐射热计在太赫兹波辐射探测成像领域具有巨大的优势。由于太赫兹波处于与红外光相邻近的波段，而微测辐射热计型红外探测器技术已非常成熟，红外微测辐射热计在太赫兹辐射源的照射下可以用于太赫兹波段的探测与成像[13-15]。图1-2（a）为传统的红外微测辐射热计微桥结构，制作在集成有读出电路的衬底上，由桥面、桥腿和桥柱构成，桥面是由桥腿支撑的悬空结构，桥面与衬底之间为2~3μm高的真空谐振腔，谐振腔高度约为目标红外波长的1/4。但由于太赫兹波的波长较长，传统的红外微测辐射热计微桥结构无法对波长较长的太赫兹波进行谐振吸收，导致器件对目标辐射的吸收极低（<4%），难以提供较高的响应与灵敏度[16]。因此，需要增加太赫兹波吸收层。金属薄膜由于电阻损耗可以吸收太赫兹波，且具有低热容、高热导及与微桥结构的制备工艺兼容等优点，成为太赫兹微测辐射热计中吸收材料的首选[17-19]，表面修饰可进一步提高金属薄膜的有效吸收面积[20]，但金属薄膜吸收太赫兹波的理论上限仅50%[21]。将天线、超材料等吸波结构集成到微桥结构中可有效提高太赫兹微测辐射热计的吸收率。如图1-2（b）为法国CEA-Leti实验室制备的11μm高的介质谐振腔结?
电子科技大学硕士学位论文4常数和磁导率同时为负）[32]。如图1-3所示为基于与取值的材料分类。第一象限是自然界中常见的材料，介电常数和磁导率都为正，称之为右手材料；第二象限是介电常数为负和磁导率为正的单负材料，称之为电负材料；第四象限是介电常数为正和磁导率为负的单负材料，称之为磁负材料[33]。第三象限的材料介电常数和磁导率同时为负，表现出负折射率。由于电磁波的传播方向与电尝磁场符合左手螺旋的法则，故被称之为左手材料。图1-3基于e与u取值的材料分类本世纪初，美国的D.R.Smith等人设计形成如图1-4所示的结构。该结构将周期排列的金属细线与金属开口谐振环组合，使得结构在微波波段具有负折射率[34]。此后，研究者设计出各种新的超材料结构，使其在更高频率波段甚至于太赫兹波段的获得负折射率材料[35-37]。图1-4周期排列的金属细线与金属开口谐振环组合（引自文献[34]）
本文编号：2905994
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
太赫兹波段在电磁波频谱中的位置
电子科技大学硕士学位论文2主要有热释电探测器、测辐射热计和高莱探测器。其中，热释电探测器和测辐射热计能够实现室温工作、阵列化、宽光谱的连续太赫兹波探测。但热释电探测器的制备基于热释电晶体材料（如钽酸锂），无法与硅基CMOS电路集成，并且为保障探测性能必须采用厚度很薄的晶体材料[12]。微测辐射热计以微桥结构为基本单元如图1-2（a）所示，制备二维焦平面探测器阵列，通过读取因吸收目标太赫兹波而引起的热敏薄膜电阻变化，实现太赫兹波探测。因此，在集成性、阵列化及成本方面，微测辐射热计在太赫兹波辐射探测成像领域具有巨大的优势。由于太赫兹波处于与红外光相邻近的波段，而微测辐射热计型红外探测器技术已非常成熟，红外微测辐射热计在太赫兹辐射源的照射下可以用于太赫兹波段的探测与成像[13-15]。图1-2（a）为传统的红外微测辐射热计微桥结构，制作在集成有读出电路的衬底上，由桥面、桥腿和桥柱构成，桥面是由桥腿支撑的悬空结构，桥面与衬底之间为2~3μm高的真空谐振腔，谐振腔高度约为目标红外波长的1/4。但由于太赫兹波的波长较长，传统的红外微测辐射热计微桥结构无法对波长较长的太赫兹波进行谐振吸收，导致器件对目标辐射的吸收极低（<4%），难以提供较高的响应与灵敏度[16]。因此，需要增加太赫兹波吸收层。金属薄膜由于电阻损耗可以吸收太赫兹波，且具有低热容、高热导及与微桥结构的制备工艺兼容等优点，成为太赫兹微测辐射热计中吸收材料的首选[17-19]，表面修饰可进一步提高金属薄膜的有效吸收面积[20]，但金属薄膜吸收太赫兹波的理论上限仅50%[21]。将天线、超材料等吸波结构集成到微桥结构中可有效提高太赫兹微测辐射热计的吸收率。如图1-2（b）为法国CEA-Leti实验室制备的11μm高的介质谐振腔结?
电子科技大学硕士学位论文4常数和磁导率同时为负）[32]。如图1-3所示为基于与取值的材料分类。第一象限是自然界中常见的材料，介电常数和磁导率都为正，称之为右手材料；第二象限是介电常数为负和磁导率为正的单负材料，称之为电负材料；第四象限是介电常数为正和磁导率为负的单负材料，称之为磁负材料[33]。第三象限的材料介电常数和磁导率同时为负，表现出负折射率。由于电磁波的传播方向与电尝磁场符合左手螺旋的法则，故被称之为左手材料。图1-3基于e与u取值的材料分类本世纪初，美国的D.R.Smith等人设计形成如图1-4所示的结构。该结构将周期排列的金属细线与金属开口谐振环组合，使得结构在微波波段具有负折射率[34]。此后，研究者设计出各种新的超材料结构，使其在更高频率波段甚至于太赫兹波段的获得负折射率材料[35-37]。图1-4周期排列的金属细线与金属开口谐振环组合（引自文献[34]）
本文编号：2905994
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