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摘 要：近年来，太赫兹技术不断发展，已经成为各国必须加以重视的领域，与其相关的功能器件也层出不穷。本文设计了一种太赫兹波段下的超材料传感器，通过对超材料结构参数的改变，进而研究其传感性能。该设计提供了一种新的太赫兹波段传感器的设计思路，具有较大潜在应用价值。
关键词：太赫茲；超材料；传感器
中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）35-0251-01
1 前 言
随着新科技浪潮的兴起，世界已经开始进入到信息化时代，IT技术、生命科学和纳米材料学作为三大支柱型科技，引领了未来发展的主要方向。在科技发展的进程中，对于信息的掌握和利用必然被放在首位，传感器是在此过程中获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。因此，传感器作为一种光电器件，近几年得到了广泛研究，其中包括了超材料传感器。超材料传感器是一种灵敏度高、可以突破传统的传感器分辨率极限的无标记检测器件[1～4]。本文借助超材料的思想，设计了一种可以工作在太赫兹波段传感器。
2 结构设计与实验方法
该传感器的设计尺寸示意图如图1所示。图1表示传感器的其中一个单元，由天蓝色基底和黄色的金属结构构成。基底选择Mylar材料，其厚度为22m，单元尺寸为336m×208m，如图1（a）。Mylar材料像透明塑料薄膜一般，同时也能透过太赫兹，因此用这种材料作为基底不会影响其余结构的响应。Mylar基底上覆盖着双U形金属结构，该金属结构由铝通过传统蒸镀工艺得到，其厚度为0.4m，包括两个尺寸相同，反向对称的U形结构，U形结构的长为152m，宽为80m，线宽为18m，如图1（b）。
在样品的测量中，我们采用了基于光电导天线的8-F共焦式宽带太赫兹时域频谱系统（THz-TDS），该系统的太赫兹束腰直径约3.5mm，我们把样品放在束腰处，并且让太赫兹垂直入射到样品上，在样品的另一侧探测太赫兹的透射谱。
3 结 果
如图2中的曲线所示，当传感器结构中的X为156m时，在0.38～0.47THz之间出现了一个带宽接近0.1THz的宽带谐振谱。显然，要用这样的宽带谐振谱去实现传感功能是不行的，因为我们希望设计的传感器对被感知物越灵敏越好，而从以往的研究文献中，科研工作者已经提出要提高传感器的灵敏度，需要得到窄带谐振谱，即谐振的Q值越高，传感器的灵敏度越高[5～6]。为了提高传感器的灵敏度，我们改变X取值，使其从52～182m变化，分别用X2～X7表示，这样，我们一共加工了6个样品。从图2可以看出，当X取值越大，谐振越往低频移动，当X7=182m时，谐振蓝移到了0.31THz处，谐振谷也尖锐了很多，说明Q值增大了。因此，增大X的尺寸，可以增加传感器灵敏度。
4 结 论
我们利用双U形结构设计了一种在Mylar基底上新型太赫兹传感器，通过增大U形结构中的X的长度，发现传感器的谐振更尖锐。该发现为实现灵敏度更高的传感器提供了新方案。
参考文献
[1]C.Janke，M.Frst，M.Nagel，et al.Asynchronous optical sampling for high-speed characterization of integrated resonant terahertz sensors，Optics Letters，2005，30（11）：1405～1407.
[2]X.M.Zheng，A.Sinyukov，L.M.Hayden.Broadband and gap-free response of a terahertz system based on a poled polymer emitter-sensor pair，Applied Physics Letters，2005，87：081115.
[3]N.Liu，M.Mesch，T.Weiss，et al.Infrared perfect absorber and its application as plasmonic sensor，Nano Lett，2010，10：2342～2348.
[4]G.H Li，X.S.Chen，O.P.Li，et al.A novel plasmonic resonance sensor based on an infrared perfect absorber，Journal of Physics D：Applied Physics，2012，45：205102.
[5]J.F.O’Hara，R.Singh，I.Brener，et al.Thin-film sensing with planar terahertz metamaterials：sensitivity and limitations，Optics Express，2008，16（3）： 1786～1795.
[6]F.Alves，D.Grbovic，B.Kearney，et al.Bi-material terahertz sensors using metamaterial structures，Optics Express，2013，21（11）：13256～13271.
收稿日期：2018-11-6
作者简介：刘诗琪（1997-），男，汉族，山西朔州人，学生，本科在读，研究方向为太赫兹传感器。
关键词：太赫茲；超材料；传感器
中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）35-0251-01
1 前 言
随着新科技浪潮的兴起，世界已经开始进入到信息化时代，IT技术、生命科学和纳米材料学作为三大支柱型科技，引领了未来发展的主要方向。在科技发展的进程中，对于信息的掌握和利用必然被放在首位，传感器是在此过程中获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。因此，传感器作为一种光电器件，近几年得到了广泛研究，其中包括了超材料传感器。超材料传感器是一种灵敏度高、可以突破传统的传感器分辨率极限的无标记检测器件[1～4]。本文借助超材料的思想，设计了一种可以工作在太赫兹波段传感器。
2 结构设计与实验方法
该传感器的设计尺寸示意图如图1所示。图1表示传感器的其中一个单元，由天蓝色基底和黄色的金属结构构成。基底选择Mylar材料，其厚度为22m，单元尺寸为336m×208m，如图1（a）。Mylar材料像透明塑料薄膜一般，同时也能透过太赫兹，因此用这种材料作为基底不会影响其余结构的响应。Mylar基底上覆盖着双U形金属结构，该金属结构由铝通过传统蒸镀工艺得到，其厚度为0.4m，包括两个尺寸相同，反向对称的U形结构，U形结构的长为152m，宽为80m，线宽为18m，如图1（b）。
在样品的测量中，我们采用了基于光电导天线的8-F共焦式宽带太赫兹时域频谱系统（THz-TDS），该系统的太赫兹束腰直径约3.5mm，我们把样品放在束腰处，并且让太赫兹垂直入射到样品上，在样品的另一侧探测太赫兹的透射谱。
3 结 果
如图2中的曲线所示，当传感器结构中的X为156m时，在0.38～0.47THz之间出现了一个带宽接近0.1THz的宽带谐振谱。显然，要用这样的宽带谐振谱去实现传感功能是不行的，因为我们希望设计的传感器对被感知物越灵敏越好，而从以往的研究文献中，科研工作者已经提出要提高传感器的灵敏度，需要得到窄带谐振谱，即谐振的Q值越高，传感器的灵敏度越高[5～6]。为了提高传感器的灵敏度，我们改变X取值，使其从52～182m变化，分别用X2～X7表示，这样，我们一共加工了6个样品。从图2可以看出，当X取值越大，谐振越往低频移动，当X7=182m时，谐振蓝移到了0.31THz处，谐振谷也尖锐了很多，说明Q值增大了。因此，增大X的尺寸，可以增加传感器灵敏度。
4 结 论
我们利用双U形结构设计了一种在Mylar基底上新型太赫兹传感器，通过增大U形结构中的X的长度，发现传感器的谐振更尖锐。该发现为实现灵敏度更高的传感器提供了新方案。
参考文献
[1]C.Janke，M.Frst，M.Nagel，et al.Asynchronous optical sampling for high-speed characterization of integrated resonant terahertz sensors，Optics Letters，2005，30（11）：1405～1407.
[2]X.M.Zheng，A.Sinyukov，L.M.Hayden.Broadband and gap-free response of a terahertz system based on a poled polymer emitter-sensor pair，Applied Physics Letters，2005，87：081115.
[3]N.Liu，M.Mesch，T.Weiss，et al.Infrared perfect absorber and its application as plasmonic sensor，Nano Lett，2010，10：2342～2348.
[4]G.H Li，X.S.Chen，O.P.Li，et al.A novel plasmonic resonance sensor based on an infrared perfect absorber，Journal of Physics D：Applied Physics，2012，45：205102.
[5]J.F.O’Hara，R.Singh，I.Brener，et al.Thin-film sensing with planar terahertz metamaterials：sensitivity and limitations，Optics Express，2008，16（3）： 1786～1795.
[6]F.Alves，D.Grbovic，B.Kearney，et al.Bi-material terahertz sensors using metamaterial structures，Optics Express，2013，21（11）：13256～13271.
收稿日期：2018-11-6
作者简介：刘诗琪（1997-），男，汉族，山西朔州人，学生，本科在读，研究方向为太赫兹传感器。