(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210971556.X (22)申请日 2022.08.12 (66)本国优先权数据 202210109565.8 2022.01.28 CN (71)申请人 泰山学院 地址 271000 山东省泰安市东 岳大街525号 (72)发明人 朱梅　陈君　张连　张喆　 (74)专利代理 机构 泰安市诚岳专利代理事务所 (特殊普通 合伙) 37267 专利代理师 张聪聪 (51)Int.Cl. G01N 21/3581(2014.01) G01N 21/3577(2014.01) G01N 21/01(2006.01) G02B 1/00(2006.01)G02B 5/28(2006.01) (54)发明名称 一种基于双层谐振结构的液体传感器和光 学开关 (57)摘要 本发明提供了一种基于双层谐振结构的液 体传感器和光学开关的设计方案。 器件由双层太 赫兹超材料器件构成， 以不完整开口谐振环为单 元结构， 可沿用传统的制备方案分别制成上下层 器件后， 再 组装制得。 器件上下层之间留有空腔， 便于液体的导入。 器件在低频和高频频段均有谐 振可用于检测层间液体， 检测折射率范围为1～ 2.1， 低频检测灵敏度恒为173.64GHz/RIU， 高频 检测灵敏度随折射率变化， 最大达652.28GHz/ RIU.器件也可以通过注水、 排水的方式， 实现对 1.01～1.26THz和1.34～1.49THz两个频段透射 率的交替高低切换， 透射率变化幅度最大达 75％。 与现有技术相比， 本发明一方面同时实现 了双频段的高灵敏传感应用， 另一方面又以简单 易行的控制方式， 实现了两个频段的光学开关功 能。 权利要求书1页 说明书5页 附图6页 CN 115326743 A 2022.11.11 CN 115326743 A 1.一种基于双层谐振结构的液体传感器和光学开关， 由双层太赫兹超材料器件构成， 其特征在于， 该器件由若干个单元结构组成， 每个单元结构在x和y方向均以一定的周期无 限重复形成阵列； 周期取值范围为6 5～100um； 所述每个单元结构由上层和下层组成， 上层和下层结构相同， 均由石英衬底和制备在 衬底表面的金属层构成， 该 金属层包括外围和与外围一体连接并向内延伸的一个突出部； 该突出部形状为T形， 沿其延伸方向该 金属层为轴对称图形； 上层金属层与下层金属层相对布置， 且上层金属层的外围与下层金属层的外围在x ‑y 平面的投影重合， 上层T形在下层上的投影与下层T形相对布置， 且T形顶部横向部分相对； 金属层其 余部分镂空， 可被液体填充； 上层与下层之间留有层间距， 层间可注入微流体， 流体将填充层间全部空间， 包括金属 层中的镂空部分。 2.如权利要求1所述的一种基于双层谐振结构的液体传感器和光学开关， 其特征在于， 所述层间距为上层衬底下表面到下层衬底上表面的距离， 距离范围为2 ～20um。 3.如权利要求1所述的一种基于双层谐振结构的液体传感器和光学开关， 其特征在于， 该金属层的厚度为0.1～1um； 外围为正方形， 边长l为60um， T形悬臂长度s为17.5um， 悬臂顶 部横向部分长度m为20um， 其 余线宽d为5um。 4.如权利要求3所述的一种基于双层谐振结构的液体传感器和光学开关， 其特征在于， 用作液体传感器时， 太赫兹光波从器件上层上方垂直入射， 入射偏振沿y方向， 入射光频率 范围为0.3～ 2.1THz。 5.如权利要求3所述的一种基于双层谐振结构的液体传感器和光学开关， 其特征在于， 用作光学开关时， 太赫兹光波从器件上层上方垂直入射， 入射偏振沿y方向， 入射光频率范 围为0.9～2.1THz。 6.如权利要求5所述的一种基于双层谐振结构的液体传感器和光学开关， 其特征在于， 通过在器件上 下层之间注水和排水实现特定频率处光学开关的功能。 7.如权利要求1所述的一种基于双层谐振结构的液体传感器和光学开关， 其特征在于， 在器件下层衬底的下表面处检测透射 光谱。 8.如权利要求1～7中任意一项所述的一种基于双层谐振结构的液体传感器和光学开 关， 其特征在于， 该石英衬底厚度范围为3 00～1000um。 9.如权利要求8所述的一种基于双层谐振结构的液体传感器和光学开关， 其特征在于， 所述金属为铝。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115326743 A 2一种基于双层谐振结构的液体传感器和光学开关 技术领域 [0001]本发明涉及 一种可用作液体传感器和光学开关的太赫兹超材料器件， 特别涉及一 种基于双 层谐振结构的液体传感器和光学开关。 背景技术 [0002]太赫兹超材料器件由制备在衬底上的金属图案阵列构成。 平面太赫兹超材料器件 制备简单， 在衬底上通过光刻 ‑蒸镀‑剥离的方法， 制备出金属图案 即可。 这些金属图案可以 与太赫兹光波发生相互作用， 在特定频率下形成谐振， 在透射光谱上以透射波谷的形式体 现出来。 开口谐振环是设计太赫兹超材料器件时最常见 的单元结构之一。 基于开口谐振环 的器件， 其LC谐振频率由公式 决定， 其中L和C  分别是器件中的等效电感和等效电 容。 [0003]太赫兹超材料器件可以用于检测表面物质， 因为谐振频率公式中的C 由谐振环开 口处的电容决定， 其值和开口处的介电常数呈正比。 因此， 若被检测物位于开口谐振环的开 口处， 就可以改变器件的等效电容， 引起光谱上谐振频率的变化。 但是平面超材料器件由于 形成电容的金属层非常薄， 且往往开口处下方就是介电常数较大 的衬底， 被检测物置于其 间所带来的电容的改变量甚微， 因此在光谱上引起的频移很小。 研究人员也为此做了一些 努力， 比如 【Optics  Express,27,  23164(2019)】 报道的， 将位于开口下方的衬底刻蚀掉， 使 得被检测物位于开口处时， 可以与原先开口附近的空气形成迥然对比， 引起较大 的谐振频 移。 然而这种方案不仅需要繁琐的制备工序， 其改善后的器件灵敏度也仅为71GHz/RIU。 值 得一提的是， 目前基于开口谐振环的太赫兹超材料物质检测传感器， 其灵敏度大都低于 100GHz/RIU。 如何进一 步提高这类 器件的检测灵敏度是一个亟 待解决的问题。 [0004]另一方面， 太赫兹超材料也可以用作光学开关。 光学开关指的是在某个频率或频 段， 通过控制方法， 显著改变光的强度。 体现在太赫兹超材料器件的光谱上， 就是在控制条 件下， 某一频率或频 段的透射 率或吸收率发生大幅 改变。 目前的控制手段主 要包括： [0005](1)使用相变材料如VO2构造超材料谐振单元， 再利用温度控制使其发生相变， 改 变器件光谱； [0006](2)使用二维材料如石墨烯构造超材料谐振单元， 通过电压控制改变其电导率， 造 成光谱改变； [0007](3)使用光敏半导体构造超材料谐振单元， 通过泵浦改变其电导率， 造成光谱改 变； [0008](4)制备器件结构易变的微机电系统(MEMS)， 利用电压控制改变器件结构的相对 位置， 从而造成光谱改变； [0009](5)使用柔 性材料制备器件， 通过器件形变， 改变 器件光谱。 [0010]这些方法均 有弊端。 相变材料、 二维材料、 光敏半导体价格较为昂贵， 集入器件中， 要对传统的单层器件制备手段加以革新， 加大制备难度； 电压控制， 需要给器件设计电极或说　明　书 1/5 页 3 CN 115326743 A 3