CN105796056A - 一种基于超材料的太赫兹医学成像仪及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于超材料的太赫兹医学成像仪及其制作方法，所述成像仪至少包括基于超材料的多频谱大阵列太赫兹探测器，所述太赫兹探测器包括：具有空腔的硅片基底；形成于所述硅片基底的正面的第一介质层；悬浮在所述空腔上的第二介质层和超材料太赫兹谐振子阵列；形成于所述第一介质层表面且与所述超材料太赫兹谐振子阵列电连的引线结构。本发明主要通过基于超材料的多频谱大阵列太赫兹探测器来探测从成像样品上反射或透射的太赫兹波，根据探测器的响应信号实现物体重构。该成像仪具有成像速度快，对生物体完全无害，分辨率高，能实现实时结构与功能成像，与现有的主流医学成像手段形成了良好的互补。

Description

一种基于超材料的太赫兹医学成像仪及其制作方法

技术领域

本发明涉及医学成像技术领域，特别是涉及一种基于超材料的太赫兹医学成像仪及其制作方法。

背景技术

现有的医学成像手段主要有CT扫描成像、磁共振成像和正电子发射断层扫描成像等，这些成像手段没有一种是绝对完美的，都有各自的弊端。如CT扫描成像使用X射线，对人体伤害大；磁共振成像价格昂贵，且不适用于带有金属物品的病人；正电子发射断层扫描成像价格昂贵，且使用放射性物质，对人体伤害很大。而太赫兹波光子能量很低，比X射线光子弱107-108倍，辐射到生物组织不会引起任何的组织电离，对人体完全无害；同时太赫兹波具有很强的穿透性，可以穿透衣服、纸张、陶瓷、塑料等材料；加之很多生物大分子在太赫兹频段有特定的“指纹”。因此我们可以利用太赫兹技术来实现生物结构和功能的成像，形成对现有医学成像手段的有效互补。

现有的太赫兹成像手段主要有基于THz-TDS的成像和基于红外的成像。基于THz-TDS成像的原理是通过THz-TDS获取成像样品的时域电场信号，再通过傅里叶变换得到电场的幅值和相位信息，进而还原出样品的形貌。这是一种逐点扫描成像的方法，成像速度较慢，对一个3cm×3cm的样品成像，为实现100um×100um的空间分辨率，大约需要30min。基于红外成像的太赫兹成像方法则是利用红外探测器在远红外区的“尾巴”对太赫兹波有一定的响应来实现的。但红外探测器对太赫兹波的吸收效率毕竟有限，因此响应很差。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于超材料的太赫兹医学成像仪及其制作方法，用于解决现有技术中医学成像手段不足的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于超材料的太赫兹医学成像仪，所述基于超材料的太赫兹医学成像仪至少包括基于超材料的多频谱大阵列太赫兹探测器，所述太赫兹探测器包括：

硅片基底，所述硅片基底具有空腔；

第一介质层，形成于所述硅片基底的正面；

悬浮薄膜结构，悬浮在所述空腔上，所述悬浮薄膜结构包括第二介质层和形成于所述第二介质层表面的超材料太赫兹谐振子阵列；

引线结构，形成于所述第一介质层表面且与所述超材料太赫兹谐振子阵列电连。

优选地，所述太赫兹探测器的频谱响应范围为0.1-10THz。

优选地，所述超材料太赫兹谐振子阵列中以太赫兹谐振子作为基本单元，所述太赫兹谐振子之间电气互连。

优选地，所述超材料太赫兹谐振子阵列选用具有热电阻效应的金属材料。

优选地，所述超材料太赫兹谐振子阵列的材料为铂、金、铜或者铬中的一种或多种的组合。

优选地，所述超材料太赫兹谐振子阵列的厚度为10～5000nm。

优选地，所述第一介质层和第二介质层之间设置有绝热槽。

优选地，所述第一介质层和第二介质层的厚度均为10～5000nm，预应力为0.1～500MPA。

优选地，在所述超材料太赫兹谐振子阵列及引线结构和介质层之间还有粘附层。

本发明还提供一种基于超材料的太赫兹医学成像仪的制作方法，所述制作方法至少包括基于超材料的多频谱大阵列太赫兹探测器的制作，所述基于超材料的多频谱大阵列太赫兹探测器的制作步骤为：

提供一硅片基底，在所述硅片基底的正面和背面生长介质层；

利用光刻刻蚀工艺，刻蚀所述硅片基底背面的介质层，形成暴露所述硅片基底背面的开口；

在所述硅片基底的正面形成金属超材料层，采用光刻刻蚀工艺图案化所述金属超材料层，形成超材料太赫兹谐振子阵列；

在所述硅片基底的正面形成引线结构材料层，采用光刻工艺图案化所述引线结构材料层，再采用剥离工艺或刻蚀工艺形成引线结构，所述引线结构与所述超材料太赫兹谐振子阵列电连；

采用光刻刻蚀工艺刻蚀正面介质层，形成暴露所述硅片基底正面的绝热槽，所述绝热槽将所述介质层划分为第一介质层和第二介质层，所述第一介质层表面为引线结构，所述第二介质层表面为超材料太赫兹谐振子阵列；

从所述硅片基底背面的所述开口或者从所述硅片基底正面的所述绝热槽释放结构，使所述第二介质层及其表面的所述超材料太赫兹谐振子阵列形成悬浮薄膜结构。

优选地，采用硅腐蚀液从所述硅片基底背面的所述开口或者从所述硅片基底正面的所述绝热槽释放结构，释放时间范围为1～48小时。

优选地，所述硅腐蚀液浓度为1～60wt％，温度为30～100℃，转子转速0～5000r/min。

优选地，从所述硅片基底背面的所述开口或者从所述硅片基底正面的所述绝热槽释放结构后，通过高挥发性吸水液体吸水晾干。

优选地，所述硅腐蚀液为TMAH、KOH或者EDP。

优选地，所述高挥发性吸水液体为无水甲醇或无水乙醇。

如上所述，本发明的基于超材料的太赫兹医学成像仪及其制作方法，具有以下有益效果：

1、太赫兹波是一种穿透性强、光子能量低的电磁波，可以穿透衣服、纸张、陶瓷、塑料等材料，辐射到生物体时对生物无害。

2、超材料是一种频率可调，电磁性质可控的人工复合结构，可以通过调节超材料的尺寸可以精密控制其谐振频率。

3、本发明提出的基于超材料的太赫兹医学彩色成像仪设计制作方法，可以根据所需匹配的频率点来设计太赫兹探测器，最终实现快速、清晰的彩色实时结构功能成像，可以极大程度地弥补现有医学成像手段的不足，极具现实意义。

附图说明

图1为本发明一个实例的单频带超材料太赫兹吸收阵列电磁仿真结果。

图2为本发明一个实例的三频带超材料太赫兹吸收阵列电磁仿真结果。

图3为本发明一个实例的单频带超材料太赫兹探测器单个像素示意图。

图4为本发明一个实例的三频带超材料太赫兹探测器单个像素示意图。

图5为本发明一个实例的单频带超材料太赫兹探测器单个像素对2.5THzQCL源不同输入功率下的响应曲线；左上角小图中实线与虚线分别表示单个像素在0.5Hz和0.8HzQCL源调制频率下的响应曲线。

图6a～图6g为本发明一个实例的基于超材料的多频谱大阵列太赫兹探测器的制作工艺流程。

图7为本发明一个实例的成像系统简易示意图。

元件标号说明

1硅片基底

101空腔

2介质层

201第一介质层

202第二介质层

3超材料太赫兹谐振子阵列

4引线结构

5太赫兹波

6成像样品

7太赫兹棱镜

8基于超材料的多频谱大阵列太赫兹探测器

9数字万用表

10PC端

11绝热槽

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅附图。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

本发明提供一种基于超材料的太赫兹医学成像仪，所述基于超材料的太赫兹医学成像仪主体部分为基于超材料的多频谱大阵列太赫兹探测器，如图6f和6g所示，所述太赫兹探测器包括：硅片基底1、第一介质层201、悬浮薄膜结构以及引线结构4。

所述硅片基底1可以是(100)晶向双抛硅片，在所述硅片基底1中具有空腔101。所述空腔101可以不贯通所述硅片基底1，也可以上下贯穿所述硅片基底1。

所述第一介质层201形成于所述硅片基底1正面(不包括空腔表面)。所述第一介质层201可以是二氧化硅或者氮化硅等，当然，也可以是其他合适的介质材料，在此不限。

所述悬浮薄膜结构悬浮在所述空腔101上，所述悬浮薄膜结构包括第二介质层202和形成于所述第二介质层202表面的超材料太赫兹谐振子阵列3。

所述第二介质层202作为超材料太赫兹谐振子阵列3的支撑层。所述第二介质层202可以是二氧化硅或者氮化硅等，当然，也可以是其他合适的介质材料，在此不限。所述第二介质层202与第一介质层201处于同一水平面上。所述第一介质层201和第二介质层202的厚度均为10～5000nm，预应力为0.1～500MPA。所述第一介质层201和第二介质层202由同一道工艺形成，厚度一致。需要说明的是，所述的“第一”和“第二”并不没有先后顺序之分，仅仅为了方便描述，用来区分不同位置的介质层。

所述超材料太赫兹谐振子阵列3中以太赫兹谐振子作为基本单元，所述太赫兹谐振子之间电气互连。通过制作不同结构的太赫兹谐振子，可以形成不同频谱的大阵列太赫兹探测器，例如，图3中显示的是单频谱大阵列太赫兹探测器，其单频带超材料太赫兹吸收阵列电磁仿真结果如图1所示，可以看到只有一个吸收峰。图4显示的是三频谱大阵列太赫兹探测器，其三频带超材料太赫兹吸收阵列电磁仿真结果，可以看到有三个吸收峰。另外，图5为单频带超材料太赫兹探测器单个像素对2.5THzQCL源不同输入功率下的响应曲线；图5中左上角小图中实线与虚线分别表示单个像素在0.5Hz和0.8HzQCL源调制频率下的响应曲线。

所述太赫兹探测器的频谱响应范围为0.1-10THz。所述超材料太赫兹谐振子阵列3选用具有热电阻效应的金属材料，通过热电阻材料对温度的高灵敏度和高线性度及超材料天然的频率可调性，可以探测从成像样品上反射或透射的太赫兹波，据此来重构样品图像。作为示例，所述超材料太赫兹谐振子阵列3的材料为铂、金、铜或者铬中的一种或多种的组合，当然，也可以是其他合适的热电阻材料，在此不作限制。本实施例中，所述超材料太赫兹谐振子阵列3的材料为铂/铬层。

另外，所述超材料太赫兹谐振子阵列3的厚度范围可以为10～5000nm，例如，可以是100nm、500nm、1000nm、1500nm、2000nm、2800nm、3500nm或者4000nm等等。本实施例中，所述超材料太赫兹谐振子阵列3的厚度暂选为2000nm。

作为优选的方案，所述第一介质层201和第二介质层202之间设置有绝热槽11。通过所述绝热槽11可以使所述悬浮薄膜结构绝热。所述绝热槽11的形状不限。

所述引线结构4形成于所述第一介质层201表面且与所述超材料太赫兹谐振子阵列3电连，用于引出所述超材料太赫兹谐振子阵列3的电性。

进一步地，为了更好的将所述超材料太赫兹谐振子阵列3和引线结构4附着在介质层2表面，在形成所述超材料太赫兹谐振子阵列3和引线结构4之前，在介质层2表面形成一层粘附层(未予以图示)。

本发明还提供一种基于超材料的太赫兹医学成像仪的制作方法，用于制作上述基于超材料的太赫兹医学成像仪，所述制作方法主要包括基于超材料的多频谱大阵列太赫兹探测器的制作，制作工艺流程如图6a～6g所示，步骤如下：

首先执行步骤一，如图6a所示，提供一硅片基底1，在所述硅片基底1的正面和背面生长介质层2。

具体地，本实施例中，采用(100)晶向双抛硅片，在硅片基底1正、背两面各低压化学气相淀积一层低应力氮化硅作为介质层2。

其次执行步骤二，如图6b所示，利用光刻刻蚀工艺，刻蚀所述硅片基底1背面的介质层2，形成暴露所述硅片基底背面的开口。

具体地，本实施例中，用光刻胶做掩膜，在硅片基底1的背面光刻出释放窗口，再用反应离子刻蚀工艺去掉多余的介质层氮化硅，进而形成暴露所述硅片基底1背面的开口，最后去掉光刻胶。

然后执行步骤三，如图6c所示，在所述硅片基底1的正面形成金属超材料层，采用光刻刻蚀工艺图案化所述金属超材料层，形成超材料太赫兹谐振子阵列3。

具体地，本实施例中，在硅片基底1的正面溅射Cr/Pt层，用光刻胶做掩膜，在硅片正面光刻出超材料太赫兹谐振子阵列3的图案，再用离子束刻蚀工艺去掉多余的Pt/Cr，去除光刻胶后，形成超材料太赫兹谐振子阵列3。

接着执行步骤四，如图6d所示，在所述硅片基底1的正面形成引线结构材料层，采用光刻工艺图案化所述引线结构材料层，再采用剥离工艺或者刻蚀工艺(干法刻蚀工或者湿法腐蚀)形成引线结构4，所述引线结构4与所述超材料太赫兹谐振子阵列3电连。

具体地，本实施例中，在硅片基底1的正面涂光刻胶，光刻显影，电子束蒸发 Cr/Au，采用剥离工艺形成所需的引线结构4，去除光刻胶。

接着执行步骤五，如图6e所示，采用光刻刻蚀工艺刻蚀正面介质层2，形成暴露所述硅片基底1正面的绝热槽11，所述绝热槽11将所述介质层2划分为第一介质层201和第二介质层202，所述第一介质层201表面为引线结构4，所述第二介质层202表面为超材料太赫兹谐振子阵列3。

具体地，本实施例中，用光刻胶做掩膜，在硅片基底1正面光刻出绝热槽的图案，用反应离子刻蚀工艺去掉多余的介质层氮化硅，形成暴露所述硅片基底1正面的绝热槽11。

需要说明的是，步骤三、步骤四和步骤五的顺序可以互换，不影响太赫兹探测器最终的制作结构。另外，步骤二也可以放在步骤五与步骤六之间。

最后执行步骤六，如图6f和6g所示，从所述硅片基底1背面的所述开口或者从所述硅片基底1正面的所述绝热槽11释放结构，使所述第二介质层202及其表面的所述超材料太赫兹谐振子阵列3形成悬浮薄膜结构。释放时间范围为1～48小时，硅腐蚀液浓度为1～60wt％，温度为30～100℃，转子转速0～5000r/min。所述硅腐蚀液为TMAH、KOH或者EDP等等，在此不限。

如图6f所示显示的是从所述硅片基底1背面的所述开口释放结构。此时释放形成的空腔101贯穿所述硅片基底1的正背面。本实施例中，先用夹具保护硅片基底1的正面，再用90℃、25wt％TMAH溶液从背面完全释放结构，释放时间15小时。

如图6g所示显示的是从所述硅片基底1正面的所述绝热槽11释放结构。此时释放形成的空腔101不贯穿所述硅片基底1，仅仅位于硅片基底1的正面。本实施例中，用90℃、25wt％TMAH溶液直接从正面完全释放结构，释放时间4小时。

从所述硅片基底1背面的所述开口或者从所述硅片基底1正面的所述绝热槽11释放结构后，用去离子水洗净，再通过高挥发性吸水液体吸水晾干，从而形成多频谱大阵列太赫兹探测器。所述高挥发性吸水液体可以是无水甲醇或无水乙醇等等。

本实施例以太赫兹脑组织实时成像仪为例进行说明。

首先利用上述方法制作一种基于超材料的太赫兹医学彩色成像仪，在利用该成像仪实现对人体脑组织的实时彩色功能成像。人脑是人体最复杂、最重要的一个部位，安全、精确、快速地对人脑组织实时成像，将为现代医学提供一种极其有价值的检验手段，对人类的健康有着极其重大的意义。

该成像仪的工作原理如下：用太赫兹时域光谱系统测试脑组织中相关部位的太赫兹吸收谱，建立频谱库。然后设计多频谱太赫兹探测器，使其响应谱匹配到频谱库中的相关谱值。而后利用探测器探测从脑组织反射或透射的太赫兹光，送到PC端进行功能成像。

具体如图7所示，为成像系统简易示意图。太赫兹波5入射到脑成像部位(成像样品6)，通过太赫兹棱镜7汇聚从成像样品6上反射的太赫兹波，之后利用本发明制作的基于超材料的多频谱大阵列太赫兹探测器8接收从成像样品6部位反射的太赫兹波，并把响应信号通过数字万用表9送到PC(个人电脑)端10，经PC处理后还原图像。

综上所述，本发明提供一种基于超材料的太赫兹医学成像仪及其制作方法，所述成像仪至少包括基于超材料的多频谱大阵列太赫兹探测器，所述太赫兹探测器包括：具有空腔的硅片基底；形成于所述硅片基底的正面的第一介质层；悬浮在所述空腔上的第二介质层和超材料太赫兹谐振子阵列；形成于所述第一介质层表面且与所述超材料太赫兹谐振子阵列电连的引线结构。本发明主要通过基于超材料的多频谱大阵列太赫兹探测器来探测从成像样品上反射或透射的太赫兹波，根据探测器的响应信号实现物体重构。该成像仪具有成像速度快，对生物体完全无害，分辨率高，能实现实时结构与功能成像，与现有的主流医学成像手段形成了良好的互补。

所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (15)

1.一种基于超材料的太赫兹医学成像仪，其特征在于，所述基于超材料的太赫兹医学成像仪至少包括基于超材料的多频谱大阵列太赫兹探测器，所述太赫兹探测器包括：

硅片基底，所述硅片基底具有空腔；

第一介质层，形成于所述硅片基底的正面；

悬浮薄膜结构，悬浮在所述空腔上，所述悬浮薄膜结构包括第二介质层和形成于所述第二介质层表面的超材料太赫兹谐振子阵列；

引线结构，形成于所述第一介质层表面且与所述超材料太赫兹谐振子阵列电连。

2.根据权利要求1所述的基于超材料的太赫兹医学成像仪，其特征在于：所述太赫兹探测器的频谱响应范围为0.1-10THz。

3.根据权利要求1所述的基于超材料的太赫兹医学成像仪，其特征在于：所述超材料太赫兹谐振子阵列中以太赫兹谐振子作为基本单元，所述太赫兹谐振子之间电气互连。

4.根据权利要求3所述的基于超材料的太赫兹医学成像仪，其特征在于：所述超材料太赫兹谐振子阵列选用具有热电阻效应的金属材料。

5.根据权利要求4所述的基于超材料的太赫兹医学成像仪，其特征在于：所述超材料太赫兹谐振子阵列的材料为铂、金、铜或者铬中的一种或多种的组合。

6.根据权利要求3所述的基于超材料的太赫兹医学成像仪，其特征在于：所述超材料太赫兹谐振子阵列的厚度为10～5000nm。

7.根据权利要求1所述的基于超材料的太赫兹医学成像仪，其特征在于：所述第一介质层和第二介质层之间设置有绝热槽。

8.根据权利要求1所述的基于超材料的太赫兹医学成像仪，其特征在于：所述第一介质层和第二介质层的厚度均为10～5000nm，预应力为0.1～500MPA。

9.根据权利要求1所述的基于超材料的太赫兹医学成像仪，其特征在于：在所述超材料太赫兹谐振子阵列及引线结构和介质层之间还有粘附层。

10.一种如权利要求1～9任一项所述基于超材料的太赫兹医学成像仪的制作方法，其特征在于，所述制作方法至少包括基于超材料的多频谱大阵列太赫兹探测器的制作，所述基于超材料的多频谱大阵列太赫兹探测器的制作步骤为：

提供一硅片基底，在所述硅片基底的正面和背面生长介质层；

利用光刻刻蚀工艺，刻蚀所述硅片基底背面的介质层，形成暴露所述硅片基底背面的开口；

在所述硅片基底的正面形成金属超材料层，采用光刻刻蚀工艺图案化所述金属超材料层，形成超材料太赫兹谐振子阵列；

在所述硅片基底的正面形成引线结构材料层，采用光刻工艺图案化所述引线结构材料层，再采用剥离工艺或刻蚀工艺形成引线结构，所述引线结构与所述超材料太赫兹谐振子阵列电连；

采用光刻刻蚀工艺刻蚀正面介质层，形成暴露所述硅片基底正面的绝热槽，所述绝热槽将所述介质层划分为第一介质层和第二介质层，所述第一介质层表面为引线结构，所述第二介质层表面为超材料太赫兹谐振子阵列；

从所述硅片基底背面的所述开口或者从所述硅片基底正面的所述绝热槽释放结构，使所述第二介质层及其表面的所述超材料太赫兹谐振子阵列形成悬浮薄膜结构。

11.根据权利要求10所述的基于超材料的太赫兹医学成像仪的制作方法，其特征在于：采用硅腐蚀液从所述硅片基底背面的所述开口或者从所述硅片基底正面的所述绝热槽释放结构，释放时间范围为1～48小时。

12.根据权利要求11所述的基于超材料的太赫兹医学成像仪的制作方法，其特征在于：所述硅腐蚀液浓度为1～60wt％，温度为30～100℃，转子转速0～5000r/min。

13.根据权利要求10所述的基于超材料的太赫兹医学成像仪的制作方法，其特征在于：从所述硅片基底背面的所述开口或者从所述硅片基底正面的所述绝热槽释放结构后，通过高挥发性吸水液体吸水晾干。

14.根据权利要求11或12所述的基于超材料的太赫兹医学成像仪的制作方法，其特征在于：所述硅腐蚀液为TMAH、KOH或者EDP。

15.根据权利要求13所述的基于超材料的太赫兹医学成像仪的制作方法，其特征在于：所述高挥发性吸水液体为无水甲醇或无水乙醇。