[发明专利]基于超表面与隧道磁电阻的太赫兹探测器及系统

权利要求书

1.一种基于超表面与隧道磁电阻的太赫兹探测器，其特征在于：包括吸波模块、形变模块、磁性探测模块、读出模块和基座，所述基座位于底部作为承载件，各模块设置于基座上；

太赫兹波照射到吸波模块上，通过吸波模块将太赫兹波的电磁能量转化为热能产生热功率；通过所述形变模块将吸波模块的热功率转化为空间位移；通过所述磁性探测模块将吸波模块的空间位移转化为磁电阻值；通过所述读出模块读出磁电阻变化值，完成探测功能。

2.根据权利要求1所述一种基于超表面与隧道磁电阻的太赫兹探测器，其特征在于：所述吸波模块采用电磁超表面结构。

3.根据权利要求2所述一种基于超表面与隧道磁电阻的太赫兹探测器，其特征在于：所述超表面结构是由若干方形超表面单元按照特定间距进行重复的二维平面周期性结构，方形超表面单元呈金属-介质-金属式的三明治型排布结构；其中，金属层为金，介质层为Si₃N₄，Si₃N₄在目标波段3.4THz处的相对介电常数为9.7。

4.根据权利要求1-3任一项所述一种基于超表面与隧道磁电阻的太赫兹探测器，其特征在于：所述形变模块包括支柱和悬臂梁；所述支柱固定于基座上，其顶端通过悬臂梁与吸波模块连接，将所述吸波模块平行悬置于基底正上方；

所述悬臂梁为双层结构，上层材料的膨胀系数大于下层材料的膨胀系数，受热后向热膨胀系数小的一侧发生弯曲，实现吸波模块的整体空间位移。

5.根据权利要求4所述一种基于超表面与隧道磁电阻的太赫兹探测器，其特征在于：两个所述支柱对称设置于基座上表面的一端，材料为Si₃N₄，用于支撑与隔热，能够降低热损耗与阵列内的热耦合；

所述悬臂梁上层材料为金，下层材料为Si₃N₄；两个所述悬臂梁对称设置于吸波模块的两侧，为L形板，其长臂的端部固定于支柱顶端，短臂的端部与吸波模块的一侧边缘固定连接；通过悬臂梁将吸波模块的热量转化为对应大小的形变量，最终实现了5.4m/W的末端形变响应；具体参数如下表：

其中，L₁为悬臂梁的长臂长度，L₂为吸波模块的边长，L₃为方形超表面单元的边长，L₄为支柱的高度，L₅为基底的高度，L₆为支柱的截面边长，L₇为悬臂梁的短臂长度，L₈为悬臂梁的的长臂宽度，L₉为悬臂梁的的短臂宽度；H₁为悬臂梁上层的厚度，H₂为悬臂梁下层的厚度，H₃为方形超表面单元介质层的厚度，H₄为方形超表面单元金属背板的厚度。

6.根据权利要求1所述一种基于超表面与隧道磁电阻的太赫兹探测器，其特征在于：所述磁性探测模块包括磁膜和TMR薄膜，所述磁膜贴附于吸波模块的背面，TMR薄膜贴附于基底上表面与磁膜正对；通过吸波模块的空间位移带动磁膜的位移，进而改变磁膜与TMR薄膜之间的距离；是的TMR薄膜的电阻值随着其周围空间中磁场变化而变化，将形变量最终转换为电阻值变化，完成磁性探测。

7.根据权利要求6所述一种基于超表面与隧道磁电阻的太赫兹探测器，其特征在于：所述磁膜的材料为铷铁硼，剩余磁通为1.45T；TMR薄膜为多层膜结构，在垂直方向上分为5层结构，从硅基底向上依次为3nm厚Cu层、15nm厚IrMn层、6nm厚CoFe层、3.5nm厚Cu层、8nm厚CoFe层，各层结构紧密接触。

8.根据权利要求6所述一种基于超表面与隧道磁电阻的太赫兹探测器，其特征在于：所述TMR薄膜的敏感磁场方向与形变模块中的悬臂方向一致，其灵敏度为0.6kΩ/Oe；结合磁膜的静磁场分布以及形变响应，得到所探测器的响应度为5.832kΩ/μW。