基于金属开口谐振环的超材料太赫兹传感器的优化设计与实现.pdf

华中科技大学硕士学位论文

摘要

太赫兹波具有低光子能量、大带宽以及独特的指纹谱识别能力等优势，在针对薄

膜材料以及生化分析物的无标记、无放大、快速和特异性传感领域具有重要的应用。

自然材料对太赫兹波的响应较弱，而金属超材料通过将强场局限在亚波长尺寸的空

间内，能够实现太赫兹波与物质的强相互作用。与现有成熟的电化学传感器相比，基

于金属超材料的太赫兹传感器在测量痕量分析物时的灵敏度和最低检测浓度仍有几

个数量级的差距。为此，本文通过理论分析与数值仿真，设计并实现了一种新型高灵

敏度金属超材料传感器，为太赫兹传感器的性能优化提供了新路径。

首先，本文介绍了太赫兹超材料传感器的基本理论分析方法，包括超材料单元的

等效媒介理论、等效电路模型以及介质微扰理论，并将理论分析与CSTMWS数值

仿真结果进行了比较，验证了理论分析方法的可靠性，最终用于超材料单元结构的设

计与优化以及传感性能的快速评估。

其次，针对两类典型金属开口谐振环（SRR和aDSRR）超材料，本文开展了超

材料结构参数与传感性能参数之间一般关系的系统和综合分析。通过CSTMWS数

值仿真了两种结构的透射频谱，分析了谐振机理，计算了不同结构参数对传感器的各

性能参数的定量影响。当均匀分析物的厚度为1μm时，SRR和aDSRR超材料传感

器的灵敏度分别为27.64GHz/RIU和27.82GHz/RIU，Q值分别为11.01和28.61，传

感灵敏值（FOM）分别为0.35和0.91。仿真结果表明，通过改变超材料的结构参数

可进一步优化传感器的性能。

最后，基于介质微扰理论和aDSRR超材料的仿真结果，本文设计出一种新型非

对称双C形超材料单元结构。通过电场和电流密度分布图分析了其谐振机理，计算

了不同的结构参数对此传感器灵敏度的影响，当分析物厚度为1μm时的灵敏度为

104.05GHz/RIU，比aDSRR传感器提高了46.8%。随后利用光刻和金属沉积工艺制

备了基于非对称双C形结构和aDSRR结构的传感器，利用频域光谱仪测量了放入不

同厚度的分析物（光刻胶）后结构的频率偏移量，并与仿真结果进行了对比。测量结

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果表明，当分析物厚度约为3μm时，非对称双C结构的频移量比aDSRR结构高38.9

GHz，相对增加量为67.4%。

关键词：太赫兹；超材料；传感器；金属谐振环；介质微扰理论

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Abstract

Terahertz(THz)waveshaveadvantagesoflowphotonenergy,largebandwidth,and

uniquefingerprintrecognitioncapabilities,andthereforetheywillfindimportant

applicationinthefieldoflabel-freeandamplification-free,fast,andspecificsensingofthin-

filmmaterialsandbiochemicalanalytes.Naturalexistingmaterialshaveaweakresponseto

THzwaves,whilemetallicmetamaterials(MMs)canachievestronginteractionsbetween

THzwavesandmatterbyconfiningstrongelectromagneticfieldstosub-wavelengthspaces.

Comparedwiththeexistingmatureelectroche