基于超材料的双调谐大角度滤波器单元、滤波器及透射型传感器

技术领域

本发明涉及电磁超材料技术领域，具体是基于超材料的双调谐大角度滤波器单元及其构成的滤波器及透射型传感器。

背景技术

超材料是指亚波长结构通过周期排列或非周期排列产生自然材料所没有的特性的一类材料的统称。这类材料的特性依赖人工结构，而不依赖材料本身，也就是说相同的材料通过设计不同的人工结构，其特性也随之变化。超材料的概念最早在1968年，当时由Veselago提出的电单负(负介电常数或者负磁导率)以及电双负材料(同时具备负介电常数和负磁导率)，后来人们把这类材料都归类到超材料里。但在当时这些概念的提出由于没有试验验证的条件一直备受质疑，直到1999年J.B.Pendry提出人工磁导体，随后D.R.Smith等人通过开口谐振环证明了负介电常数材料的存在，这才开始了超材料的蓬勃发展。超材料具备自然材料所没有的特性如负折射效应，逆多普勒效应，负电(磁)导率，完美成像，完美吸波等，成为材料学的一个重要的分支，在电磁隐身、电磁传感器、电磁滤波器等方面有潜在的应用。

滤波器(Filters)是一种能通过某一指定频率范围内的频率分量而阻断其他范围频率分量的器件，广泛应用于通信系统、信号处理等领域。近年来随着研究工作的展开，滤波器的实现方式丰富多样，如微带线、频率选择表面、超材料等。滤波器在通信系统中扮演者重要的角色，其工作性能影响整个系统的表现。因而是否具备高性能和可调谐的特点也成了衡量滤波器的重要技术指标。超材料的提出为实现高性能和可调谐的滤波器提供了一种可能。然而，电双控的多波段的超材料滤波器依然是个挑战。

液晶(Liquid Crystal)具有双折射和可调介电特性，可用于构建可调太赫兹器件。现有技术中已经报道了许多基于液晶的可调谐太赫兹毫米波器件。文献Appl.Phys.Lett.,2014,105提出了一款基于向列型液晶的可调谐超材料传感器，通过实验结果指出，将施加于向列型液晶层的交流偏置电压从0V变化至300V，可以有效地调节所提出的超材料器件的透射率。文献Appl.Phys.Lett.,2015,107:171109通过将向列型液晶层与二元硅纳米孔阵列结合，实现了一种基于法诺共振(Fano resonance)的高性能光学调制器。文献Sci Rep,2016,6:34536对基于液晶调谐元件的混合可重构三维超材料的电磁特性进行了研究，以构建在THz范围内工作的新型功能器件。文献Microwave&OpticalTechnology Letters,2018,60:672-679设计了一款基于液晶的电控可调谐双支路陷波滤波器，其中陷波频率分为50GHz和85GHz。通过在38μm厚的LC层上施加14V的交流偏置电压，阻带频率的可调谐值为3％。

石墨烯(Graphene)是一种新型的二维材料，其费米能级在不同的外加电压调控下会跟着变化，其电导率和介电常数也随之变化，是一种灵活的电调谐的二维材料。而且石墨烯的电导率和介电常数不随温度变化。

发明内容

本发明的目的是利用上述新材料，制作具有双调谐大角度滤波器特性的滤波器及透射型传感器，该滤波器及传感器具有大角度滤波和传感特性，同时具有双电压控制的特性。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案。

所述基于超材料的双调谐大角度滤波器单元包括基底层，基底层正面涂覆有介质层，所述基底层和介质层的横截面为长方形形状，长度为18-24μm，宽度为14-18μm；介质层上制作有两个平行于长方形宽边的石墨烯条，两个石墨烯条是尺寸相同的长方形，长度为9-12μm，宽度为0.8-3.2μm，两个石墨烯条间距为3-6μm并且不靠本单元结构的介质层的边沿。

具体的，所述基底层材料为液晶层，液晶层在外加电压控制后其介电常数变化范围为2.47-3.06；所述介质层材料为能够加工的介电常数不超过4的材料。

具体的，所述基底层的厚度为1-3μm，所述介质层的厚度为0.5-3μm。

具体的，所述介质层材料为聚酰亚胺。

具体的，所述石墨烯条与介质层边沿的距离不小于2.8μm。

具体的，所述石墨烯条为不超过4层的石墨烯。

当外加电磁波为横电波，从顶层的石墨烯条、介质层向基底层传输时，该单元结构会在一些特定频点产生滤波特性；当选择外加电磁波的入射角从0到89度变化，该单元结构产生的滤波特性变化明显。

外加电压能够分别独立的对基底层和石墨烯条的介电常数产生影响，进而对滤波器单元的透射率产生控制作用。

本发明还提出了一种滤波器，其包括一个或多个如上所述的基于超材料的双调谐大角度滤波器单元。

本发明还提出了一种透射型传感器，其包括一个或多个如上所述的基于超材料的双调谐大角度滤波器单元，当改变环境的折射率，所得到的透射窗口会发生改变，根据此特性作为折射率传感器使用。

本发明的优点是：通过两路电压分别控制液晶和石墨烯的参数均可以控制本发明的物理特性，具体来说通过外加电压控制液晶的介电常数和石墨烯的介电常数从而控制整个结构的传输频谱。本发明具有大角度滤波传感特性，同时还具有多波段滤波和传感的特点，适用于可调谐器件制备。

附图说明

图1是本发明单元结构的正面视图。

图2是本发明单元结构的剖面图。

图3是在实验中改变入射电磁波角度对本发明实施例结构透射率的影响。

图4是在实验中外加电压控制石墨烯对本发明实施例结构透射率的影响。

图5是在实验中外加电压控制液晶介电常数对本发明实施例结构透射率的影响。

图6是石墨烯条宽度变化对本发明实施例结构透射率的影响的实验数据图。

图7是石墨烯条长度变化对本发明实施例结构透射率的影响的实验数据图。

图8是介质层厚度变化对本发明实施例结构透射率的影响的实验数据图。

图9是本发明环境折射率变化对本发明实施例结构透射率的影响的实验数据图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1～2所示，本发明所述基于超材料的双调谐大角度滤波器单元结构包括基底层3，基底层3正面涂覆介质层3，介质层3上制作有石墨烯条1。在介质层2上的石墨烯条1为两个等长等宽且平行的长方形结构，所述基底层3和介质层2的横截面也为长方形形状，两个石墨烯条1平行于基底层3和介质层2的长方形宽边。

具体加工时，在制备好的基底层3和介质层2上通过掩膜制作两个上述石墨烯条，形成本发明所述单元结构。石墨烯条1与介质层2边沿不能紧挨，否则布局成阵列的时候，相邻单元的石墨烯条1将连为一体，破坏本发明的结构。从工艺角度考虑，石墨烯条1与介质层2边沿的距离不小于2.8μm。

其中，基底层3和介质层2长l的范围是18-24μm，宽h的范围是14-18μm，长和宽相等，即基底层3和介质层2为正方形也是可以的，此时频点会发生偏移，透射率会改变。

作为优选，基底层3的厚度t3为1-3μm，介质层2的厚度t2为0.5-3μm，石墨烯条1的长度l

所述基底层3的优选材料为液晶，液晶层在外加电压控制后其介电常数变化范围为2.47-3.06。介质层2的优选材料为聚酰亚胺，也可以用其它能够加工的介电常数不超过4的材料。石墨烯条1的优选材料为单层石墨烯，根据加工工艺，双层或者少层(小于或等于四层)的石墨烯也能产生类似的结果，因此也在本发明的保护范围之内。

图1，2所示的结构，当选择外加电磁波为横电波TE，从顶层的石墨烯条1、介质层2向基底层3传输时，该单元结构会在特定频点产生透射效果，实现滤波特性；当选择外加电磁波的入射角从0到89度变化，该单元结构滤波特性变化明显，随着入射角的增加产生的透射频点也随之增加，如图3所示。

将以上单元结构制作成阵列即可形成双调谐大角度滤波器及透射型传感器。

本发明设计的双调谐大角度滤波器单元、滤波器和透射型传感器结构具有双电压可调谐特性，即加载在液晶上电压和加载在石墨烯条上的电压均能够独立的同时调节本结构对电磁波的响应特性。主要由于本发明的结构中存在两种对电压敏感的材料：液晶和石墨烯材料，在实验过程中设置两个电压相互独立，就可以分别实现对传感器的调控作用，如图3，4所示。

由于顶层的石墨烯材料的电导率对受电压调节，因此当加载在石墨烯条1上的电压发生变化时，相应的谐振频点也随之变化，所得到的透射窗口会发生改变，因此可以调节透射频谱，如图4所示。即外加电压对本发明产生调谐作用。底层的液晶层也具有类似的情况，当加载在液晶上的电压较低时，此时液晶介电常数为2.47，当电压值增加，介电常数也随之增加，在本发明中电压增加到特定值时，液晶介电常数增加至3.06，相应的，本发明的透射频谱也随之变化，如图5所示。因此，本发明具有双电压可调谐特性。同时，在研究的频段范围内，中频和高频段的谐振频点Q值大，如图9所示，因此可以作为透射型传感器来应用。

为进一步展示本发明的特点，以下是本发明所述结构的实验数据。实验中所采用材料的单元结构的参数如下：基底层3材料为液晶，厚度为1.6μm，介质层2的厚度为1μm。基底层3和介质层2为长度是18μm，宽度是15μm的长方形。介质层2材料为聚酰亚胺。石墨烯条1为单层石墨烯，长度为10μm，宽度为2.4μm，两个石墨烯条1的间距为3μm。

实验1

如图3所示，在入射电磁波选择横电波入射的条件下，当改变电磁波的入射角从0至89度变化时，该结构的透射频谱发生较大的变化，当垂直入射(入射角为0)时，只在低频段产生一个谐振频点，此时表现为一带阻滤波器，随着入射角增加，在高频段产生新的谐振频点，且频点随入射角增加而产生红移。随着入射角增加至80度后低频段谐振频点也随之消失，高频段产生多个谐振频点，当入射角增加至70度后，产生了带通滤波的特性。

实验2

如图4所示，入射电磁波选择横电波，改变外加电压使得石墨烯的化学电位势μc分别为0.1eV至0.8eV增加时，该结构的透射频谱产生变化。当电压增加，谐振频点产生蓝移，而且高频段的谐振频点的Q值随之减小。

如图5所示，外加电压使石墨烯的化学势在0.1eV，入射角在70度时，改变加载在液晶上的电压，使液晶的介电常数EPS分别为2.47,2.62,2.77,2.91,3.06时，高频段的谐振频点位置不变，透射率随着电压增加而减小。中频和低频段的谐振频点产生小范围的红移现象。因此综合图4和5能够发现，外加电压能够分别对液晶和石墨烯的介电常数产生影响，进而对本发明的透射率产生控制作用，即本发明具有电双控的滤波和传感特性。

实验3

如图9所示，常温下，加载在石墨烯条上的电压使得μc为0.1eV，加载在液晶上电压使得液晶介电常数为2.47时，将本发明分别放在折射率n为1，1.1，1.18，1.27，1.34和1.41的环境中通过检测得到：

当选择折射率为1的环境中时，谐振频点分别为5.44，8.36，10.48，11.58THz；

当选择折射率为1.1的环境中时，谐振频点分别为5.27，7.74，9.89，10.68THz；

当选择折射率为1.18的环境中时，谐振频点分别为5.06，7.28，9.42，10.3THz；

当选择折射率为1.27的环境中时，谐振频点分别为4.9，6.89，9.08，10.1THz；

当选择折射率为1.34的环境中时，谐振频点分别为4.59，6.51，8.76，9.33THz；

当选择折射率为1.41的环境中时，谐振频点分别为4.06，6.23，8.49,8.97THz。

因此，可以通过改变本发明的背景环境参数，控制谐振频点的位置，实现电双控的传感特性，该特性可用于环境(包括液态环境，如水，油等)检测。

综上可以看到，本发明能产生电双控的透射特性，同时由于谐振频点的高Q值，可以作为电压传感器使用；同时，本发明对电磁波入射角敏感，因而可以作为角度传感器使用；本发明具有折射率传感特性，因此还可作为透射型传感器使用。本发明调谐方便，结构简单，非常适合微型化器件制备。