双轴机械可调谐太赫兹超材料技术简介

单轴机械可调谐太赫兹超材料只能对特定方向的拉伸形变进行传感测量,要想获知其他方向上的受力形变情况,就必须要增加超材料传感器的数量,而且传感器工作方向要沿着各个可能的受力方向放置。在基础力学中,常用到正交分解法分析受力情况,反之,若能够分别测量得到两个正交方向上的受力情况,经过合成就可以得到实际受力的大小和方向。因此在单轴机械可调谐太赫兹超材料研究基础上,有必要发展一种适用于测量两个正交方向上受力的传感器,即双轴机械可调谐太赫兹超材料。

双轴机械可调谐太赫兹超材料的基本谐振单元结构,可以看作是由两个相互正交的“I”形结构叠加而成的,如图6.35(a)和图6.35(b)所示。与单轴结构类似,在100μm厚的PDMS基底上蒸镀200 nm厚的金属谐振单元结构,再覆盖10μm厚的PDMS保护层。详细结构尺寸参数如下：a=78μm,s=47μm,e=9μm,g=3μm,w=5μm。图6.35(c)为三种谐振单元结构的模拟结果,由于构成狭缝区域的边缘长度s由48μm减小到47μm,与单轴结构(图中为蓝色实线)相比,双轴平行直线狭缝结构的谐振频率(图中为红色虚线)产生微小蓝移,证明了振荡有所减弱。当用交叉指狭缝结构取代了平行直线狭缝以后,谐振频率产生了较大红移(图中为绿色虚线)。

图6.35　双轴机械可调谐太赫兹超材料结构示意图及三种谐振单元结构的模拟结果[15]

当一束偏振方向与x、y轴成45°的线偏振的太赫兹波垂直入射时,由于入射太赫兹波电场的作用,在谐振单元结构中产生大量的表面感应电荷,电场能量强烈地耦合在结构单元之间的狭缝区域。谐振单元结构分别在x、y两个方向上做偶极振荡。若在x轴方向上施加外力,会导致垂直于x轴方向的狭缝宽度发生变化,此时x方向上的偶极振荡的谐振频率就会随着狭缝宽度的变化而平移;而由于垂直于y轴方向的狭缝宽度没有改变,对应的谐振频率保持不变。图6.36为CST Microwave Studio的模拟结果,在x和y方向上的初始谐振频率均为0.68 THz。当x方向应力作用时,垂直于x轴方向的狭缝宽度发生变化,随着狭缝宽度由3μm变到8μm,在x方向上的谐振频率从0.68 THz变到0.78 THz;而在y方向上的谐振频率几乎没有变化,即单一方向上的狭缝宽度变化并不影响垂直方向上振荡单元结构的谐振频率。所以,通过分别对两个方向上谐振频率的测量,可以获得两个独立方向上的受力形变信息。

图6.36　两个正交方向上超材料谐振频率随狭缝宽度的变化[15]

双轴机械可调谐太赫兹超材料的拉伸测量系统如图6.37所示,与单轴样品的测量系统相比,增加了两个太赫兹偏振片。如图6.37所示,平行于实验平台的方向为x方向,垂直于实验平台的方向为y方向。首先,调整太赫兹波发射源天线,使太赫兹波的偏振方向与x、y轴各成45°方向,并经过第一片太赫兹偏振片校对偏振方向,然后经树脂透镜聚焦于样品上。在实验中,太赫兹探测天线方向与发射天线保持相同。调整第二个太赫兹偏振片透振方向,分别测量x、y方向上的太赫兹时域波形,进而得到透射光谱。与单轴拉伸实验相似,共分十次对样品进行拉伸,每次拉伸形变增加1%。在每一次增加拉伸形变后,通过转动第二片太赫兹偏振片,分别对两个方向上的太赫兹时域谱进行扫描。

(www.xing528.com)

图6.37　双轴机械可调谐太赫兹超材料的拉伸测量系统[15]

实验测量结果如图6.38(a)所示,在没有施加拉伸形变情况下,两个正交方向上的谐振频率均约为0.70 THz。在施加沿x方向的拉伸外力以后,随着形变率由0达到10%,样品在x方向上的谐振频率向高频方向移动,到达0.74THz,最大移动了36 GHz,大约6%的频率带宽范围。而在y方向上,谐振频率几乎没有移动。如图6.39所示,谐振频率随形变率的变化近似为线性,响应敏感度近似为3 GHz/strain%。

图6.38　双轴机械可调谐太赫兹超材料拉伸透射光谱的实验结果[15]

(a)x轴方向;(b)y轴方向

图6.39　谐振频率随形变率的变化曲线[15]

本节研究了通过在弹性基底材料PDMS上制备超材料谐振单元结构,并利用交叉指狭缝结构代替平行直线狭缝结构,增加了超材料谐振频率的可调谐范围,提高了超材料对机械形变的传感灵敏度。在“I”形谐振结构的单轴机械可调谐太赫兹超材料的基础上,又设计制备了用于多方向受力形变传感的双轴机械可调谐太赫兹超材料,实现了在两个正交方向上机械形变对谐振频率的调谐,并且两个方向上的频率移动互不影响,同时具有良好的稳定性、连续性、可逆性和可重复性,为机械可调谐太赫兹超材料应用于应力传感、结构微形变监测提供了一种新的技术手段。