一種通過靜電驅動進行調節的太赫茲帶阻濾波器的制造方法
【專利摘要】本發明為一種通過靜電驅動進行調節的太赫茲帶阻濾波器，硅基底的通孔上為二維陣列，上方進入的太赫茲波穿過二維陣列得到濾波，從通孔射出。陣列單元包括倒梯形環結構和一字形結構，倒梯形環長底邊在上、短底邊在下，中空部位也為梯形，一字形與梯形環短底邊相對且平行；可動框架套在二維陣列外，框架左右連接靜電梳齒驅動器的活動梳齒，陣列中同一行的倒梯形環結構或一字形結構連接框架內側，框架前后側連接梳齒驅動器的活動梳齒。直流電壓驅動靜電梳齒驅動器和梳齒驅動器工作，帶動可動框架移動，倒梯形環結構和一字形結構相對運動，改變間距，調節本帶阻濾波器的透射功率和中心頻率，顯著提高了太赫茲帶阻濾波器的性能，并拓展其應用范圍。
【專利說明】
一種通過靜電驅動進行調節的太赫茲帶阻濾波器
技術領域
[0001]本發明涉及太赫茲技術領域，特別涉及一種通過靜電驅動進行調節的太赫茲帶阻濾波器。
【背景技術】
[0002]太赫茲波(Terahertz，簡稱THz)是指在微波和紅外光譜之間，頻率范圍為0.1THz至IJlOTHz的電磁波(ITHz = 112Hz)，在電磁波譜上位于超高頻率微波到遠紅外福射之間的特殊區域。太赫茲波具有非電離，安全性高和穿透性好的特性，不會破壞被探測物質的內部結構及本征屬性。廣泛用于機場、海關等地方的安全監測，在工業上用于探測集成電路焊接的損傷等。廣泛應用太赫茲技術的關鍵之一是如何操控太赫茲波。實際應用中，由于應用環境噪聲以及應用需要的限制等，需濾除不需要的頻率范圍和噪聲，提高系統的性能，如:很多結構復雜的高分子化學品，生物醫學制品，在某些特定波段具有指紋式的特征譜線，當待檢物質組分復雜，對太赫茲波吸收強度不一的情況下，用太赫茲濾波器來祛除不需要的雜質信號。因而太赫茲濾波器成為太赫茲技術廣泛應用中的重要元件。
[0003]目前，太赫茲帶阻濾波器還沒有成熟的商業化產品，已有文獻報道的太赫茲帶阻濾波器大多是在高阻硅基底上的制作具有頻率選擇作用的金屬圖案，這類濾波器制作完成后，只能阻止特定頻率或頻帶的太赫茲波，阻帶中心頻率位置不可調節，因而大大限制了器件的應用范圍。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是針對現有技術的不足，提出一種通過靜電驅動進行調節的太赫茲帶阻濾波器，其陣列中的倒梯形環結構或一字形結構與靜電梳齒驅動器連接，通過靜電驅動倒梯形環結構和一字形結構相對運動，進而對太赫茲帶阻濾波器的中心頻率位置和透射功率進行調節，從而大大拓展太赫茲帶阻濾波器的可適用范圍。
[0005]本發明為解決上述技術問題所采用的技術方案是:設計一種通過靜電驅動進行調節的太赫茲帶阻濾波器，主要包括硅基底和其上的二維陣列，硅基底上有通孔，通孔的中心與二維陣列的中心重合，通孔的最大線徑等于或大于二維陣列的最大邊長。太赫茲波從二維陣列上方進入，穿過二維陣列得到濾波，從通孔射出。二維陣列的邊長為入射太赫茲波束的直徑1.2?1.5倍。
[0006]所述二維陣列中的一個陣列單元包括一個倒梯形環結構和一個一字形結構，所述倒梯形環結構為一中空的倒梯形，即長底邊處于上方、短底邊處于下方的梯形，中空部位也為梯形，且中空部位與外輪廓的中心重合。一字形結構與倒梯形環結構的短底邊相對且平行。
[0007]倒梯形環結構和一字形結構均為硅主體，頂面為金屬層。多個陣列單元構成二維陣列，二維陣列中同一行的倒梯形環結構的長底邊相互連接，同一行的一字形結構相互連接。
[0008]本發明的太赫茲帶阻濾波器在硅基底上還有一個可動框架和多個靜電梳齒驅動器。可動框架為矩形框架，套在二維陣列外圍，多個靜電梳齒驅動器對稱地固定安裝于可動框架左右兩側的硅基底上，靜電梳齒驅動器的固定梳齒與硅基底之間有絕緣層;靜電梳齒驅動器的固定梳齒和活動梳齒交錯排列。可動框架左右兩側的靜電梳齒驅動器分為相同的上、下兩組，上組的靜電梳齒驅動器固定梳齒連接A錨點；活動梳齒經彈簧與B錨點相連接，活動梳齒與相鄰的可動框架外側相連，上組的各靜電梳齒驅動器的移動同步，且移動方向均與可動框架的左右側邊平行。下組的靜電梳齒驅動器固定梳齒連接C錨點；活動梳齒經彈簧與B錨點相連接，活動梳齒與相鄰的可動框架外側相連，下組的各靜電梳齒驅動器的移動同步、與上組的靜電梳齒驅動器移動方向相反。
[0009]在固定梳齒和活動梳齒之間施加直流驅動電壓，活動梳齒將移動，并帶動可動框架向一端移動。
[0010]當A、B錨點間施加直流驅動電壓，上組靜電梳齒驅動器的固定梳齒和活動梳齒之間為A、B錨點間的電壓，此時在C錨點加與B錨點相同的電壓，故左右側下組靜電梳齒驅動器和后側梳齒驅動器不工作。左右側上組靜電梳齒驅動器帶動可動框架向上運動。
[0011]反之，當C、B錨點間施加直流驅動電壓，在A錨點加與B錨點相同的電壓，左右側上組靜電梳齒驅動器和前側梳齒驅動器不工作，左右側下組靜電梳齒驅動器帶動可動框架向下運動。
[0012]所述可動框架的前、后側各連接相同的一個或多個梳齒驅動器，梳齒驅動器的固定梳齒與硅基底之間有絕緣層。可動框架的前側的梳齒驅動器固定梳齒連接A錨點，活動梳齒與可動框架前側連接，前側的梳齒驅動器的移動方向與可動框架左右兩側的上組靜電梳齒驅動器相同。可動框架的后側的梳齒驅動器固定梳齒連接C錨點，活動梳齒與可動框架后側連接，后側的梳齒驅動器的移動方向與可動框架左右兩側的下組靜電梳齒驅動器相同。
[0013]當A、B錨點間施加直流驅動電壓，前端梳齒驅動器活動梳齒連接的可動框架同時連接上組靜電梳齒驅動器的活動梳齒，故前端梳齒驅動器活動梳齒與B錨點的電壓相同，前端梳齒驅動器的固定梳齒和活動梳齒之間也為A、B錨點間的電壓，前側梳齒驅動器與左右兩側的上組靜電梳齒驅動器一起帶動可動框架向上運動。后側梳齒驅動器不工作。梳齒驅動器與靜電梳齒驅動器的區別為其活動梳齒不連接彈簧。
[0014]與之相似，當C、D錨點間施加直流驅動電壓，后側梳齒驅動器與左右兩側的下組靜電梳齒驅動器一起帶動可動框架向下運動。前側梳齒驅動器不工作
[0015]所述二維陣列中同一行相互連接的一字形結構的左右兩端的一字形結構的外端連接D錨點。二維陣列中同一行相互連接的倒梯形環結構的左右兩端梯形環結構的外端連接可動框架內側。或者，所述二維陣列中同一行相互連接的一字形結構的左右兩端的一字形結構的外端連接可動框架內側。二維陣列中同一行相互連接的倒梯形環結構的左右兩端梯形環結構的外端連接D錨點。
[0016]A、B、C和D錨點與硅基底固定連接，且與硅基底之間有絕緣層。
[0017]靜電梳齒驅動器驅動可動框架移動，可動框架帶動倒梯形環結構或者一字形結構運動，改變倒梯形環結構和一字形結構之間的間距，從而調節控制本帶阻濾波器的中心頻率。
[0018]所述倒梯形環結構的梯形短底邊最小為零，最長為與長底邊相等。即所述倒梯形環結構的梯形可為三角形或長方形。
[0019]所述倒梯形環結構的梯形為等腰梯形，二底角為15°?90°，長底邊與高的比值為(0.5?3)/1。
[0020]所述倒梯形環結構和一字形結構頂面的金屬層為金層、銀層、銅層和鋁層中的任一種，厚度為0.05?1.0微米。
[0021]所述絕緣層為氧化鋁層或者氧化硅層，厚度為0.5?3微米。
[0022]所述的倒梯形環結構、一字形結構、可動框架、靜電梳齒驅動器、折疊彈簧的材料均為厚度相同的硅，厚度為10?100微米。
[0023]所述二維陣列每個陣列單元的長或寬為60?300微米。所述每個陣列單元中的倒梯形環結構短底邊及兩腰的線寬度相同為s = 3?15微米。長底邊的線寬度為s微米?(s+15)微米，一字形結構的線寬度為6?20微米。
[0024]所述一字形結構頂側與倒梯形環結構短底邊底側之間的距離為二者的間距，二者的最小間距為3?10微米。
[0025]所述可動框架的線寬度為3?15微米。所述的靜電梳齒驅動器的固定梳齒和活動梳齒的數量各為5?50，梳齒長度為20?200微米，寬度為3?10微米，相鄰梳齒的間距為2?10微米。
[0026]與現有技術相比，本發明一種通過靜電驅動進行調節的太赫茲帶阻濾波器的優點為:靜電梳齒驅動器驅動可動框架，帶動倒梯形環結構或一字形結構運動，改變一字形結構和倒梯形環結構之間的間距，從而實現了太赫茲帶阻濾波器中心頻率和透射功率的動態調節控制，顯著提高了太赫茲帶阻濾波器的性能，并拓展其應用范圍。
【附圖說明】
[0027]圖1本通過靜電驅動進行調節的太赫茲帶阻濾波器實施例俯視示意圖；
[0028]圖2為圖1中A-A向剖視圖；
[0029]圖3為一個陣列單元結構的俯視示意圖；
[0030]圖4為圖3中B-B剖視圖。
[0031]圖5為太赫茲帶阻濾波器在間距d為O微米，0.1微米，0.5微米，I微米，2微米，3微米的透射功率曲線對比圖。
[0032]圖中:1、硅基底，2、倒梯形環結構，3、一字形結構，4、可動框架，5、靜電梳齒驅動器，6、A錨點，7、B錨點，8、C錨點，9、D錨點，10、梳齒驅動器，11、絕緣層，12、金屬層，13、通孔。
【具體實施方式】
[0033]下面結合附圖和具體實施例詳細介紹本發明一種通過靜電驅動進行調節的太赫茲帶阻濾波器。
[0034]本通過靜電驅動進行調節的太赫茲帶阻濾波器實施例如圖1和2所示，硅基底I上有二維陣列，一個可動框架4和多個靜電梳齒驅動器5。
[0035]本例二維陣列共有21 X 27個陣列單元，每個陣列單元為90微米X 70微米，二維陣列長寬邊長均為1890微米。本例入射太赫茲波束的直徑1500微米。本例硅基底I有正方形通孔13，通孔13的中心與二維陣列的中心重合，通孔13的邊長為2毫米。
[0036]太赫茲波從二維陣列上方進入，穿過二維陣列得到濾波，從通孔13射出，
[0037]—個陣列單元的結構如圖3和4所示，包括一個倒梯形環結構2和一個一字形結構3，倒梯形環結構2為一中空的倒梯形，即長底邊處于上方、短底邊處于下方的梯形，中空部位為與外輪廓相似的梯形，且中空部位與外輪廓的中心重合，一字形結構3與倒梯形環結構2的短底邊相對且平行。
[0038]本例倒梯形環結構2的梯形為等腰梯形，底角為37°，上方的長底邊為90微米，下方的短底邊為30微米，高度為40微米。倒梯形環結構2的各邊邊線寬度為5微米，長底邊線寬度為17微米，增加了12微米。一字形結構3的線寬度為12微米，長度為90微米。本例一字形結構3頂側與倒梯形環結構2短底邊底側之間的距離為二者的間距d，本例最小間距，S卩d的最小值為3微米。
[0039]本例倒梯形環結構2和一字形結構3硅主體的厚度為25微米，頂面的金屬層12為厚度0.65微米的金層。
[0040]在硅基底I上的可動框架4矩形框架，套在二維陣列外圍，12個靜電梳齒驅動器5對稱地固定安裝于可動框架4左右兩側的硅基底I上，靜電梳齒驅動器5的固定梳齒與硅基底I之間有絕緣層11;靜電梳齒驅動器5的固定梳齒和活動梳齒交錯排列。可動框架4左右兩側的12個靜電梳齒驅動器分為相同的上、下兩組，每組每側3個，上組的靜電梳齒驅動器固定梳齒連接A錨點6;活動梳齒經彈簧與B錨點7相連接，活動梳齒與相鄰的可動框架4外側相連，上組的各靜電梳齒驅動器5的移動同步，且移動方向均與可動框架4的左右側邊平行。下組的靜電梳齒驅動器5固定梳齒連接C錨點8;活動梳齒經彈簧與B錨點7相連接，活動梳齒與相鄰的可動框架4外側相連，下組的各靜電梳齒驅動器5的移動同步、與上組的上組的靜電梳齒驅動器5移動方向相反。
[0041]本例可動框架的前、后側各連接一個相同的梳齒驅動器10，梳齒驅動器10的固定梳齒與硅基底I之間有絕緣層11;可動框架4的前側的梳齒驅動器10固定梳齒連接A錨點6，活動梳齒與可動框架4前側連接，前側的梳齒驅動器10的移動方向與可動框架4左右兩側的上組靜電梳齒驅動器5相同。可動框架4的后側的梳齒驅動器10固定梳齒連接C錨點8，活動梳齒與可動框架4后側連接，后側的梳齒驅動器10的移動方向與可動框架4左右兩側的下組靜電梳齒驅動器5相同。
[0042]本例二維陣列中同一行相互連接的一字形結構3的左右兩端的一字形結構3的外端連接可動框架4內側。二維陣列中同一行相互連接的倒梯形環結構2的左右兩端倒梯形環結構2的外端連接D錨點9。
[0043 ]本例A錨點6、B錨點7、C錨點8和D錨點9與硅基底I固定連接，且與硅基底I之間有厚度I微米的氧化鋁絕緣層11，各錨點線寬度為20微米。
[0044]本例可動框架4、靜電梳齒驅動器5、梳齒驅動器10的材料都為硅，厚度為25微米。
[0045]本例可動框架4的線寬度為6微米。
[0046]本例28個靜電梳齒驅動器6相同，固定梳齒和活動梳齒的數量各為25，梳齒長度為30微米，寬度為3微米，相鄰梳齒的間距為4微米。
[0047]本例可動框架4前、后側梳齒驅動器的固定梳齒和活動梳齒的數量各為14，梳齒長度為30微米，寬度為3微米，相鄰梳齒的間距為4微米。
[0048]本例靜電梳齒驅動器6和梳齒驅動器10的固定梳齒與硅基底I之間有厚度I微米的氧化鋁絕緣層11。
[0049]實際應用中，通過增加與可動框架4連接的靜電梳齒驅動器5和梳齒驅動器10的數量，或者增加每個靜電梳齒驅動器5和梳齒驅動器10的梳齒數量，即可降低它們的驅動電壓。
[0050]本例只要在A錨點6和B錨點7之間施加一個直流驅動電壓、C錨點8施加與B錨點7相同的電壓，或者在C錨點8和B錨點7之間施加一個直流驅動電壓、A錨點6施加與B錨點7相同的電壓，就可以驅動各靜電梳齒驅動器5和梳齒驅動器10工作，驅動可動框架4移動，可動框架4帶動一字形結構3移動，調整倒梯形環結構2與一字形結構3之間的間距，從而實現對本帶阻濾波器中心頻率位置和透射功率的動態調節。
[0051]圖4所示為本通過靜電驅動進行調節的太赫茲帶阻濾波器實施例在間距d為O微米，0.1微米，0.5微米，I微米，2微米，3微米的透射功率曲線對比圖，圖中橫坐標為頻率f，單位為THz，縱坐標為透射功率T，單位為dB。圖4中可見隨著d的改變，本太赫茲帶阻濾波器的中心頻率和透射功率都有改變。
[0052]上述實施例，僅為對本發明的目的、技術方案和有益效果進一步詳細說明的具體個例，本發明并非限定于此。凡在本發明的公開的范圍之內所做的任何修改、等同替換、改進等，均包含在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種通過靜電驅動進行調節的太赫茲帶阻濾波器，主要包括硅基底(I)和其上的二維陣列，硅基底(I)上有通孔(13)，通孔(13)的中心與二維陣列的中心重合，通孔(13)的最大線徑等于或大于二維陣列的最大邊長;太赫茲波從二維陣列上方進入，穿過二維陣列得到濾波，從通孔(13)射出；二維陣列的邊長為入射太赫茲波束的直徑1.2?1.5倍;其特征在于: 所述二維陣列中的一個陣列單元包括一個倒梯形環結構(2)和一個一字形結構(3)，所述倒梯形環結構(2)為一中空的倒梯形，即長底邊處于上方、短底邊處于下方的梯形，中空部位也為梯形，且中空部位與外輪廓的中心重合;一字形結構(3)與倒梯形環結構(2)的短底邊相對且平行； 倒梯形環結構(2)和一字形結構(3)均為硅主體，頂面為金屬層(12); 多個陣列單元構成二維陣列，二維陣列中同一行的倒梯形環結構(2)的長底邊相互連接，同一行的一字形結構(3)相互連接； 所述硅基底(I)上還有一個可動框架(4)和多個靜電梳齒驅動器(5);可動框架(4)為矩形框架，套在二維陣列外圍，多個靜電梳齒驅動器(5)對稱地固定安裝于可動框架(4)左右兩側的硅基底(I)上，靜電梳齒驅動器(5)的固定梳齒與硅基底(I)之間有絕緣層(11);靜電梳齒驅動器(5)的固定梳齒和活動梳齒交錯排列;可動框架(4)左右兩側的靜電梳齒驅動器(5)分為相同的上、下兩組，上組的靜電梳齒驅動器(5)固定梳齒連接A錨點(6)，活動梳齒經彈簧與B錨點(7)相連接，活動梳齒與相鄰的可動框架(4)外側相連，上組的各靜電梳齒驅動器(5)的移動同步，且移動方向均與可動框架(4)的左右側邊平行；下組的靜電梳齒驅動器(5)固定梳齒連接C錨點(8);活動梳齒經彈簧與B錨點(7)相連接，活動梳齒與相鄰的可動框架(4)外側相連，下組的各靜電梳齒驅動器(5)的移動同步、與上組的靜電梳齒驅動器(5)移動方向相反； 所述二維陣列中同一行相互連接的一字形結構(3)的左右兩端的一字形結構(3)的外端連接D錨點(10)，二維陣列中同一行相互連接的倒梯形環結構(2)的左右兩端梯形環結構(2)的外端連接可動框架(4)內側;或者，所述二維陣列中同一行相互連接的一字形結構(3)的左右兩端的一字形結構(3)的外端連接可動框架(4)內側，二維陣列中同一行相互連接的倒梯形環結構(3)的左右兩端梯形環結構(3)的外端連接D錨點(10); 所述A錨點(6)、B錨點(7)、C錨點(8)和D錨點(9)與硅基底(I)固定連接，且與硅基底(I)之間有絕緣層(11)。2.根據權利要求1所述的通過靜電驅動進行調節的太赫茲帶阻濾波器，其特征在于: 所述可動框架4的前、后側各連接相同的一個或多個梳齒驅動器(10)，梳齒驅動器(10)的固定部分與硅基底(I)之間有絕緣層(11);可動框架(4)的前側的梳齒驅動器(10)固定梳齒連接A錨點(6)，活動梳齒與可動框架(4)前側連接，前側的梳齒驅動器(1)的移動方向與可動框架(4)左右兩側的上組靜電梳齒驅動器相同；可動框架(4)的后側的梳齒驅動器(10)固定梳齒連接C錨點(8)，活動梳齒與可動框架(4)后側連接，后側的梳齒驅動器(10)的移動方向與可動框架(4)左右兩側的下組靜電梳齒驅動器(5)相同。3.根據權利要求1或2所述的通過靜電驅動進行調節的太赫茲帶阻濾波器，其特征在于: 所述倒梯形環結構(2)的梯形為等腰梯形，二底角為15°?90°，長底邊與高的比值為(0.5?3)/l04.根據權利要求1或2所述的通過靜電驅動進行調節的太赫茲帶阻濾波器，其特征在于: 所述倒梯形環結構(2)和一字形結構(3)頂面的金屬層(12)為金層、銀層、銅層和鋁層中的任一種，厚度為0.05?1.0微米。5.根據權利要求1或2所述的通過靜電驅動進行調節的太赫茲帶阻濾波器，其特征在于: 所述絕緣層(11)為氧化鋁層或者氧化硅層，厚度為0.5?3微米。6.根據權利要求1或2所述的通過靜電驅動進行調節的太赫茲帶阻濾波器，其特征在于: 所述的倒梯形環結構(2)、一字形結構(3)、可動框架(I)、靜電梳齒驅動器(6)和梳齒驅動器(10)均為厚度相同的硅，厚度為10?100微米。7.根據權利要求1或2所述的通過靜電驅動進行調節的太赫茲帶阻濾波器，其特征在于: 所述二維陣列每個陣列單元的長或寬為60?300微米。8.根據權利要求7所述的通過靜電驅動進行調節的太赫茲帶阻濾波器，其特征在于: 所述每個陣列單元中的倒梯形環結構(2)的短底邊及兩腰的線寬度相同為s = 3?15微米，長底邊的線寬度為s微米?(s+15)微米;所述一字形結構(3)的線寬度為6?20微米。9.根據權利要求1或2所述的通過靜電驅動進行調節的太赫茲帶阻濾波器，其特征在于: 所述一字形結構(3)頂側與倒梯形環結構(2)短底邊底側之間的距離為二者的間距，二者的最小間距為3?1微米。10.根據權利要求1或2所述的通過靜電驅動進行調節的太赫茲帶阻濾波器，其特征在于: 所述可動框架(4)的線寬度為3?15微米。
【文檔編號】H01P1/20GK106058390SQ201610536610
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年7月8日
【發明人】胡放榮, 李鵬, 王志遠, 陳元枝, 王月娥, 陳濤, 牛軍浩, 殷賢華, 張文濤, 韓家廣
【申請人】桂林電子科技大學