传感器器件的性能分析及优化

接下来对器件的传感特性进行研究,通过实验和模拟两种方法对不同膜厚时器件的传输特性进行分析,结果如图6.22所示,其中模拟使用的PVA材料参数为实验测量得到的数据。从图中可以明显看出,随着薄膜厚度的增加,谐振峰逐渐发生红移。图中0μm的曲线表示裸超材料的透过率谱,其谐振峰中心频率位于0.832 THz处。当薄膜厚度增加到7.8μm时,谐振峰的频率移动到0.769 THz处。在这个过程中,谐振频率的变化和薄膜厚度的增加量并非线性关系,而是呈现一种类似对数线型的变化规律。利用模拟方法依次求出0μm、1μm、2μm、…、16μm等17种薄膜厚度时谐振峰的位置,按照对数线型用这些数据拟合出薄膜厚度和谐振中心频率移动量之间的关系曲线,如图6.23(a)所示。图中的散点为实验测量数据,与拟合曲线吻合得非常好。这表明,对于不同厚度的薄膜样品,传感实验具有不同的灵敏度。定义传感的灵敏度为式中,S(t)是薄膜厚度为t时器件的传感灵敏度;f t-1和f t+1分别是薄膜厚度为t-1和t+1时谐振的频率位置,而Δt=2μm。利用模拟得到的数据,根据式(6.9)计算得到的器件对于不同厚度薄膜的传感灵敏度如图6.23(b)所示。从该图可以看出,薄膜厚度越小时,器件的传感灵敏度越高。当薄膜厚度为4μm时,传感的灵敏度可以达到9.4 GHz/μm,而这一厚度仅为0.8 THz处电磁波波长的1/90。此外,当薄膜厚度小于4μm时,传感器将会更加灵敏。而当薄膜厚度大于16μm时,谐振频移停滞在0.761 THz而不再红移,这表明薄膜厚度的增加不再影响器件的谐振频率,此时传感灵敏度也逐渐降低为0。另一个值得注意的现象是,随着膜厚的增大,谐振峰的强度将逐渐减小,如图6.22(b)所示。当薄膜厚度小于8μm时,谐振峰的强度始终大于20 dB,这一强度已经可以满足传感测量的要求。

图6.21　实验测量得到的PVA的折射率和吸收系数

(a)折射率;(b)吸收系数

图6.22　覆盖不同厚度PVA薄膜时样品的透射光谱[10]

(a)实验方法;(b)模拟方法

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图6.23　

(a)谐振峰频移量与PVA薄膜厚度的关系,其中散点为实验数据,曲线为按对数线型拟合得到的关系曲线;(b)不同薄膜厚度时传感的灵敏度[10]

为了进一步研究器件的传输机理,采用FDTD算法模拟得到了器件内的电场E x分量分布,如图6.24所示。图6.24(a)为裸超材料在0.832 THz处x-y平面内的场分布图,从图中可以明显地看出,THz波在金属开口的两侧激发了强烈的电偶极谐振。图6.24(b)~图6.24(f)给出了不同薄膜厚度时器件x-z切面内电场的归一化分布。切面的位置如图6.24(b)中插图中的虚线所示。由于发生了电偶极谐振,电磁波被强烈地局域在器件和空气的交界面处,其强度也获得了极大增强。而增强的谐振场沿着z方向具有一定的分布规律,其在离开交界面后将逐渐减弱。因此,PVA薄膜的引入将会对谐振产生一定的影响,从而导致了谐振峰频率的变化。不同厚度的薄膜产生的影响也不相同,更厚的膜将导致更多的谐振场分布在PVA材料中。而PVA的折射率比空气大,这相当于增加了谐振系统的光程,因此谐振峰将发生红移。此外,谐振场沿z方向的强度分布并非线性,而是指数线型。如图6.24(e)所示,在离开硅基底表面7.8μm处,场强下降为峰值的1/e。此时谐振场大部分都分布在PVA薄膜中,薄膜厚度的继续增加对谐振场的影响将逐步减弱。在图6.24(f)中,电偶极谐振场已经完全处于PVA薄膜中,因此谐振频率达到了最终值0.761 THz,不再随着薄膜厚度的增加而变化。综上,谐振的频移量和薄膜厚度呈现对数关系,最大的频移量为71 GHz。

图6.24　

(a)裸超材料样品在谐振频率处x y平面内的电场E x分量分布图;(b～f)不同薄膜厚度时x-z切面内的电场E x分量分布图,其中(b)中插图中的虚线为切面位置[10]

本节对超材料在THz波段的薄膜厚度传感特性进行了研究。首先通过实验和模拟的手段对双开口谐振环超材料的传输特性进行了研究,获得了器件在不同偏振THz波入射时的透过率谱,并选择电偶极谐振超材料结构进行了传感实验。利用旋涂法将PVA薄膜涂覆到超材料表面,并通过涂覆的层数来控制薄膜厚度。然后对器件的传感性能进行了测试,结果表明,当膜厚是THz波波长的1/90时,器件仍可以获得9.4 GHz/μm的传感灵敏度。此外,对传感灵敏度与频率的关系进行了分析,并通过器件表面电场分布变化对传感机理进行了研究。