一种太赫兹全金属超材料传感器

1.本实用新型涉及太赫兹波技术领域，特别是涉及一种太赫兹全金属超材料传感器。


背景技术：

2.超材料指的是一类具有特殊性质的人造材料，这些材料是自然界没有的。其特点是具有天然材料无法获得的物理性质，如负折射率、完美吸收等。因为其中的微结构，大小尺度小于它作用的波长，因此得以对波施加影响。
3.而超材料传感器也在最近几年被大家广泛研究。例如，2020年12月25日授权的授权号为cn212228734u的实用新型专利提出了“一种太赫兹超材料传感器”，此实用新型利用柔性基底与设置在柔性基底上的非对称开口环结构，以实现对奶粉中的抗生素含量进行检测，但是该结构的开口环结构制作较为复杂，且成本较高；又如2021年3月19日公开的公开号为cn112525852a的发明专利提出了“一种基于开口谐振环结构的太赫兹生物传感器”，该发明专利在结构的内部设置有开口谐振环，且开口谐振环的内部设置有顶层金属结构，以实现生物传感器的效果。但是该结构不仅有复杂的结构，难以加工，其折射率灵敏度还较低，无法满足大范围的高精度场景的应用。
4.大多数超材料传感器具有结构复杂、制作难度大、成本高的缺点，很大程度上限制了其应用范围。因此设计一种结构简单，材料廉价且灵敏度较高的超材料传感器具有很大的意义。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的是提供一种太赫兹全金属超材料传感器，以解决上述现有技术存在的问题，在金属基底上设置金属超材料层，可以实现较窄的吸收峰，并实现折射率传感的效果，该结构简单，容易加工，灵敏度较高。
6.为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：本实用新型公开了一种太赫兹全金属超材料传感器，包括单元结构；所述单元结构包括金属基底与设置在金属基底上的金属超材料层结构；所述单元结构周期性排列。
7.本实用新型的技术原理是：因为物体的吸收率、透射率以及反射率之和为1，而本实用新型的金属衬底厚度远远大于电磁波趋肤深度，导致透射率为0，故吸收率为1-反射率。当电磁波入射到超材料传感器表面上，会产生强烈的表面等离子体共振效应。根据仿真结果得到的反射率，通过计算得到吸收率，可知此时传感器会有明显的吸收峰。当改变外界折射率后，吸收峰的频率会有显著的偏移。根据频率和折射率的关系曲线，可以从频率推导出此时的折射率，从而达到折射率传感的效果。
8.优选的，金属衬底层(1)的厚度h为200纳米，周期p为150微米；金属超材料层(2)的厚度t为10微米，边长w为75微米；金属衬底层(1)和金属超材料层(2)均为方形结构，材质为不锈钢，电导率均为1.4*107s/m。
9.优选的，传感器结构工作波段为2～3thz，等离子体共振吸收峰位于2.82 thz。
10.本实用新型公开了以下技术效果：
11.1.该传感器通过在金属基底上设置金属超材料层，可以实现较窄的吸收峰，并实现折射率传感的效果，同时具有较高的灵敏度。
12.2.该传感器所用的材料为不锈钢材料，价格便宜。
13.3.该传感器采用三维周期性结构，结构简单紧凑，便于大规模集成生产。
附图说明
14.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
15.图1为本实用新型的三维单元结构示意图；
16.图2为本实用新型的周期排列结构示意图；
17.图3为本实用新型的折射率传感吸收谱图；
18.图4为本实用新型的吸收峰频率与折射率关系图；
19.其中，1为金属衬底层；2为金属超材料层。
具体实施方式
20.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
21.为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
22.参照图1，周期p为150微米。金属衬底层1的厚度h为200纳米，周期p 为150微米；金属超材料层2的厚度t为10微米，边长w为75微米。
23.参照图2，每一个金属超材料层2在金属衬底层1上周期性排列，形成全金属超材料传感器。
24.参照图3，可以看到，在不同折射率环境下，该结构的吸收峰会有明显的偏移，随着折射率的增加，吸收峰向低频方向移动。当折射率从1变化到1.3时，吸收峰移动了0.65thz。
25.参照图4，吸收峰频率与折射率关系图，可以看出此传感器具有较高的灵敏度，为2.16thz/riu。
26.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“里”、“中间”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
27.以上所述的实施例仅是对本实用新型的优选方式进行描述，并非对本实用新型的
范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本实用新型权利要求书确定的保护范围内。


技术特征：
1.一种太赫兹全金属超材料传感器，其特征在于：从底部向上依次包括金属衬底层(1)、金属超材料层(2)；所述金属超材料层(2)周期性排列在所述金属衬底层(1)上；金属衬底层(1)的厚度h为200纳米，周期p为150微米；金属超材料层(2)的厚度t为10微米，边长w为75微米；金属衬底层(1)和金属超材料层(2)均为方形结构，材质为不锈钢，电导率均为1.4*107s/m。2.根据权利要求1所述的一种太赫兹全金属超材料传感器，其特征在于：传感器结构工作波段为2～3thz，等离子体共振吸收峰位于2.82thz。

技术总结
本实用新型公开了一种太赫兹全金属超材料传感器，以周期性的单元结构构成；所述单元结构包括金属基底与设置在金属基底上的金属超材料层结构。当太赫兹波垂直入射时，会产生强烈的表面等离子体共振效应，形成明显的吸收峰。此时改变外界折射率，该吸收峰的频率会有显著偏移。根据折射率变化以及吸收峰频率偏移的关系，以实现一定范围内高灵敏度的折射率传感。本实用新型具有高折射率灵敏度，结构简单，成本较低等优点。成本较低等优点。成本较低等优点。


技术研发人员：余振宇 郎婷婷 张锦晖
受保护的技术使用者：中国计量大学
技术研发日：2021.05.11
技术公布日：2022/2/22