CN109187420A - 增强指纹检测灵敏度的平板天线检测装置及其检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种增强指纹检测灵敏度的平板天线检测装置及其检测方法。本发明包括基底和位于基底上表面的梳状平板天线阵列结构,选取待检测目标物质其中一项特征吸收频率f0;设计平板天线结构时将平板天线结构一阶和三阶等离子体谐振之间谷的频率f处于吸收频率f0;将周期性矩形槽阵列的平板天线结构置于基底上表面,形成梳状平板天线阵列结构;将待检测物质加载在平板天线阵列结构中,检测并记录待检测物质在平板天线结构内的太赫兹反射谱;通过分析太赫兹反射谱的反射率判断目标物质是否存在。本发明既能保持太赫兹光谱检测的指纹识别特性,又能大幅度提高检测灵敏度,同时实现微米量级厚度目标物质的识别和测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种采用金属人工表面等离子体模式结构作为探测装置来实现高灵敏度太赫兹物质种类识别的定性分析方法,属于太赫兹检测应用技术领域。
背景技术
通过折射率测量可以实现物质的浓度、厚度等的定量测量,但不能实现物质种类的识别。由于绝大多数的生物分子的集体振动,分子间或分子内的转动产生谐振,其吸收特征频域位于太赫兹波段,因此可以通过对太赫兹波的吸收光谱“指纹”来实现对各种物质的种类识别,这是当前太赫兹应用中最具吸引力的地方。另外,太赫兹波具有低光子能量、弱辐射以及在绝大多数介质中透明等特点,从而使得太赫兹在安全检测及疾病诊断等具有得天独厚的优势。然而,由于绝大多数分子结构尺寸和吸收截面相比于太赫兹波长(30-3000μm)非常小,分子与太赫兹波的相互作用强度非常弱。为了获得明显的吸收效果往往需要较大体积或者较厚尺寸的样品。传统的以透射方式进行太赫兹指纹检测是将待检测物质碾压成粉末并压制成片状,结合太赫兹光谱仪系统对其进行透射谱观察。然而这种方式下常用的样品压片厚度高达几个毫米,这严重限制了太赫兹指纹检测的应用范围。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足,利用人工表面等离子体结构在太赫兹波段的局域场增强效应,实现1微米量级的目标物质的识别和检测。
为实现上述目的,本发明所采取的技术方案包括如下步骤:
步骤1、平板天线检测装置包括基底和位于基底上表面的梳状平板天线阵列结构,设计用于检测的平板天线阵列结构;
步骤2、将待检测物质加载在平板天线阵列结构中,检测并记录待检测物质在平板天线结构内的太赫兹反射谱;
步骤3、通过分析太赫兹反射谱的反射率判断目标物质是否存在。
步骤1所述的平板天线阵列结构具体实现如下:
1-1.选取待检测目标物质其中一项特征:吸收频率f0;
1-2.设计平板天线结构时将平板天线结构一阶和三阶等离子体谐振之间谷的频率f处于吸收频率f0;
1-3.将周期性矩形槽阵列的平板天线结构置于基底上表面,形成梳状平板天线阵列结构;
所述基底材料为介质硅材料,优选为高阻硅材料。
所述的平板天线阵列结构,由三个周期性的矩形槽构成;该平板天线阵列结构沿X、Y方向的周期分别为Px和Py。入射电磁波为Z方向,入射电磁波的电场偏振方向为Y方向。其中矩形槽阵列方向为X方向,矩形槽开口方向为Y方向,以平板天线阵列结构高度方向为Z方向。L为平板天线阵列结构的长度,W为平板天线阵列结构的宽度,H为矩形槽的深度,w为矩形槽的宽度,p为矩形槽阵列的一个周期,t为平板天线阵列结构的厚度,各参数关系如下:
L=3.5p,W=1.2p,H=p,w=0.5p,Px=4p,Py=1.6p,p=36.5μmand t=0.3μm
步骤2所述具体实现如下:
检测并记录平板天线阵列结构在检测待检测物质前后的太赫兹反射谱的反射率;
步骤3所述中,当太赫兹反射谱的两个等离子体模式之间的谷出现凸起的特征峰时,说明目标物质存在;当该谷处反射谱无明显凸起时候,说明待检测物质并非目标物质;通过计算特征峰反射谱峰值在加载该平板天线结构前后的变化程度计算可以定量分析该结构对指纹检测灵敏度增强程度;通过对特征峰反射谱峰值处反射率的拟合,本发明能够实现对一定范围厚度的待检测物进行定量分析检测。
本发明工作过程如下:
首先,将平板天线阵列结构的矩形槽以及上面一定厚度的空气层作为指纹检测的加载区域,太赫兹波在基底底部入射,由于亚波长的结构特性,产生人工表面等离子体共振模式。
其次,再通过计算特征峰反射谱峰值在加载该平板天线结构前后的变化程度计算可以定量分析该结构对指纹检测灵敏度增强程度。
本发明有益效果如下:
本方法采用的检测装置具有强约束和场增强能力以及Q值较高等特征,结合太赫兹反射谱进行分析,可以实现微米量级厚度待检测物质的特征指纹检测,具有检测灵敏度高及指纹信号增强效果明显等特点。
与传统的指纹检测方法相比,本发明既能保持太赫兹光谱检测的指纹识别特性,又能大幅度提高检测灵敏度,同时实现微米量级厚度目标物质的识别和测量,适用于不同目标物质、不同探测灵敏度及不同探测范围的高灵敏度指纹检测。
附图说明
图1为本发明平板天线检测装置示意图;
图2(a)为该平板天线阵列结构的反射谱;
图2(b)为该平板天线的场分布情况(电场的x分量)。
图3(a)实线为只有硅基底时的反射谱,虚线为在硅基底上加了1μm乳糖后的发射谱;
图3(b)为未加载(实线)和加载(虚线)该平板天线结构对1μm乳糖指纹特征峰的检测效果对比。
图4(a)是该平板天线检测装置对于0.9~1.1微米乳糖的定量检测的反射谱;
图4(b)是用E指数对于本发明加载0.9~1.1微米乳糖后反射谱峰值处的反射率的拟合。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施并结合附图,对本发明的技术方案作进一步的描述,但本发明并不限于这些实施例。
本发明为一种基于平板天线等离子体模式的太赫兹指纹检测灵敏度增强方法,其特征在于,由以下的步骤组成:
步骤1、首先选取目标物质其中一项特征吸收频率f0,然后设计平板天线结构,该平板天线结构一阶和三阶等离子体谐振之间的谷频率处于f0附近;
步骤2、将少量待检测物质加载在平板天线结构中,测量并记录待检测物质在平板天线结构位于f0附近的太赫兹反射谱;
步骤3、通过比较加载有待检测物质的平板天线结构反射谱的变化来识别目标物质的有无,具体为当太赫兹反射谱的两个等离子体模式之间的谷出现凸起的特征峰时,说明目标物质存在;当该谷处无明显凸起时候,说明待检测物质并非目标物质;通过计算特征峰反射谱峰值在加载该平板天线结构前后的变化程度计算可以定量分析该结构对指纹检测灵敏度增强程度;通过对特征峰反射谱峰值处反射率的拟合,该装置可以实现对一定范围厚度的待检测物质的定量分析检测。
本发明中的平板天线阵列结构的三维阵列结构如附图1所示。由于目标物质在特征频率处吸收较弱,太赫兹波通过较薄目标物质后的衰减较弱,在反射谱中难以被识别。但把目标物质放置在强场增强、谐振频率对应于目标物质特征吸收频率的人工表面等离子体结构上时,由于人工表面等离子体结构的强场增强能力,大大提高了目标物质和太赫兹波之间的相互作用,使得等离子体谐振峰在物质特征吸收频率处产生了一个明显的凸起。基于上述人工表面等离子体结构的场增强原理,本实施例结合附图以一种金属平板天线结构为例,阐述对α-乳糖的识别及定量分析过程,并对本发明指纹检测方法进行进一步详述:
附图1出示了本发明采用的平板天线阵列结构。右图是单个梳状天线的放大图。由图1所示,该平板天线检测器装置包括基底和位于基底上表面的梳状平板天线阵列结构。该平板天线由一块矩形金属平板上刻蚀三个周期性的矩形槽而得到。该平板天线单元沿X、Y方向的周期分别为Px和Py。入射电磁波为Z方向,入射电磁波的电场偏振方向为Y方向。其中,以槽阵列方向为X方向,以槽开口方向为Y方向,以平板天线单元高度方向为Z方向。L为平板天线的长度,W为平板天线的宽度,H为槽的深度,w为槽的宽度,p为该槽阵列的一个周期,t为平板天线的厚度。在本发明中,基底由介质硅材料制作,平板天线由金属铜构成。
实施例:
以下以具体的实施例来说明本发明的技术效果。将本发明的平板天线装置工作于太赫兹波段,电磁波为正入射,线偏光入射。基底的材料为硅,介电常数为3.418;平板天线的材料为金属铜,电导率设为5.8×107S/m。
平板天线单元沿X方向的周期长度Px和沿Y方向的周期长度Py分别为146纳米和58.4纳米,入射电磁波为Z方向,入射电磁波的电场偏振方向为Y方向。其中,平板天线的长度L为127.75微米,平板天线的宽度W为43.8微米,槽的深度H为36.5微米,槽的宽度w为18.25微米,槽阵列周期p为36.5微米,平板天线的厚度t为300纳米。
通过有限元计算得到平板天线结构在0.1~1THz范围内的反射谱,其曲线如图2(a)图所示。由于两个等离子体模式之间的耦合作用,在中间产生了一个品质因数较高的谷。同时我们计算了在该谷处的电场分布情况和表面电流情况,如图2(b)所示。从图中我们可以看到电场主要集中在天线的槽内,说明该结构有很强的场约束能力,同时在图中我们可以看到该结构能实现很强的场增强效应(对比于入射的电场强度1V/m)。此外,我们可以看到相邻槽的表面电流的方向是相反的(黑色箭头方向表示表面电流方向),这表明该结构对于入射电磁波有着较小辐射损耗的特点。这些结构特点表明本发明所设计的平板天线装置非常适合于在太赫兹波段高灵敏度的物质检测。
在本发明中,通过在太赫兹波段对于乳糖特征峰的检测来说明我们的装置对于指纹检测灵敏度的增强效果。在仿真中,乳糖的相对介电常数利用洛伦兹-谐振子(Lorentzian oscillators)模型进行表征:
其中,ε∞是非共振的背景相对介电常数,ωp和γp分别是本征吸收谐振的角频率和阻尼率,Δεp是振荡强度因子。为了简单计算,仅考虑乳糖在0.529THz处的吸收,为了更好地符合实验测量值其洛伦兹模型参数为:ε∞=3.145,γp=1.59*1011rad/s,Δεp=0.052(A.Roggenbuck,et all,Coherent broadband continuous-wave terahertzspectroscopy on solid-state samples,New J.Phys.Vol.12,no.4,pp.043017,2010)。
当直接在硅基底上加1μm乳糖时,可以看到由于乳糖的吸收,反射谱在乳糖特征峰0.529THz处产生了一个峰,如图3(a)中点线所示。作为比较我们同时计算了没有加乳糖直接一个硅基底的反射谱如图3(a)实线所示,可以看到加上1μm乳糖后反射谱变化不明显,只变化了0.7%。我们调节天线结构的参数,使其谷的工作频率在乳糖特征峰0.529THz左右。同样地,在平板天线装置上覆盖1μm厚度的乳糖,计算其反射谱可以看到一个小凸起,如图3(b)红色点线所示,这是由于乳糖的吸收引起的。同时我们计算了天线结构没加乳糖之前的反射谱情况(为了更好比较,反射谱移动了去匹配乳糖的特征吸收峰),如图3(b)黑色实线所示。可以看到反射谱的变化非常明显,在乳糖特征峰处反射谱大小变化了9.8%。也就是说加上我们设计的天线阵列装置,对乳糖反射谱线变化的检测效果提高了13倍。接下来我们对本发明的定量检测进行说明。我们分别计算了0.9~1.1微米厚度乳糖加载到该装置上的反射谱情况,如图4(a)所示。插入图是特征吸收峰处的放大图。可以看到本发明装置对测试样品量的变化非常敏感,即使0.05微米厚度乳糖变化我们也可以从反射谱线中区分出来。图4(b)中红点表示不同厚度特征吸收峰处的反射值,黑色虚线表示的是用E指数增的曲线拟合得到的,可以看到随着乳糖厚度的增加,对乳糖的吸收增强,峰值处的反射率也提高了。用我们的E指数增的曲线能很好拟合乳糖厚度和峰值处反射率变化情况(99%拟合度),说明我们可以通过峰值处的反射率对乳糖厚度进行一个定量检测。
本发明能对待检测物质进行定性定量分析,并且有很高的检测灵敏度,有着很大的应用前景。
Claims (7)
1.增强指纹检测灵敏度的平板天线检测装置,其特征在于包括基底和位于基底上表面的梳状平板天线阵列结构,设计用于检测的平板天线阵列结构;所述基底材料为介质硅材料;
所述的平板天线阵列结构,由三个周期性的矩形槽构成;该平板天线阵列结构沿X、Y方向的周期分别为Px和Py;入射电磁波为Z方向,入射电磁波的电场偏振方向为Y方向;其中矩形槽阵列方向为X方向,矩形槽开口方向为Y方向,以平板天线阵列结构高度方向为Z方向;L为平板天线阵列结构的长度,W为平板天线阵列结构的宽度,H为矩形槽的深度,w为矩形槽的宽度,p为矩形槽阵列的一个周期,t为平板天线阵列结构的厚度,各参数关系如下:
L=3.5p,W=1.2p,H=p,w=0.5p,Px=4p,Py=1.6p,p=36.5μm and t=0.3μm。
2.根据权利要求1所述的增强指纹检测灵敏度的平板天线检测装置,其特征在于基底材料为高阻硅材料。
3.增强指纹检测灵敏度的平板天线检测装置的检测方法,其特征在于包括如下步骤:
步骤1、平板天线检测装置包括基底和位于基底上表面的梳状平板天线阵列结构,用于检测的平板天线阵列结构具体实现如下:
1-1.选取待检测目标物质其中一项特征:吸收频率f0;
1-2.设计平板天线结构时将平板天线结构一阶和三阶等离子体谐振之间谷的频率f处于吸收频率f0;
1-3.将周期性矩形槽阵列的平板天线结构置于基底上表面,形成梳状平板天线阵列结构;
所述基底材料为介质硅材料;
步骤2、将待检测物质加载在平板天线阵列结构中,检测并记录待检测物质在平板天线结构内的太赫兹反射谱;
步骤3、通过分析太赫兹反射谱的反射率判断目标物质是否存在。
4.根据权利要求3所述的增强指纹检测灵敏度的平板天线检测装置,其特征在于基底材料为高阻硅材料。
5.根据权利要求4所述的增强指纹检测灵敏度的平板天线检测装置的检测方法,其特征在于所述的平板天线阵列结构,由三个周期性的矩形槽刻蚀而成;该平板天线阵列结构沿X、Y方向的周期分别为Px和Py;入射电磁波为Z方向,入射电磁波的电场偏振方向为Y方向;其中矩形槽阵列方向为X方向,矩形槽开口方向为Y方向,以平板天线阵列结构高度方向为Z方向;L为平板天线阵列结构的长度,W为平板天线阵列结构的宽度,H为矩形槽的深度,w为矩形槽的宽度,p为矩形槽阵列的一个周期,t为平板天线阵列结构的厚度,各参数关系如下:
L=3.5p,W=1.2p,H=p,w=0.5p,Px=4p,Py=1.6p,p=36.5μm and t=0.3μm。
6.根据权利要求5所述的增强指纹检测灵敏度的平板天线检测装置的检测方法,其特征在于步骤2所述具体实现如下:
检测并记录平板天线阵列结构在检测待检测物质前后的太赫兹反射谱的反射率。
7.根据权利要求6所述的增强指纹检测灵敏度的平板天线检测装置的检测方法,其特征在于步骤3所述中,当太赫兹反射谱的两个等离子体模式之间的谷出现凸起的特征峰时,说明目标物质存在;当该谷处反射谱无明显凸起时候,说明待检测物质并非目标物质;通过计算特征峰反射谱峰值在加载该平板天线结构前后的变化程度计算可以定量分析该结构对指纹检测灵敏度增强程度;通过对特征峰反射谱峰值处反射率的拟合,该装置可以实现对一定范围厚度的待检测物质进行定量分析检测。
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CN110701993A (zh) * | 2019-09-29 | 2020-01-17 | 广州佳昕机电科技有限公司 | 一种智能卡的天线埋深检测装置及检测方法 |
CN113466170A (zh) * | 2021-05-18 | 2021-10-01 | 中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院 | 一种基于多类型共振太赫兹超表面的多目标探测器 |
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2018
- 2018-09-03 CN CN201811020552.3A patent/CN109187420A/zh active Pending
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN110701993A (zh) * | 2019-09-29 | 2020-01-17 | 广州佳昕机电科技有限公司 | 一种智能卡的天线埋深检测装置及检测方法 |
CN113466170A (zh) * | 2021-05-18 | 2021-10-01 | 中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院 | 一种基于多类型共振太赫兹超表面的多目标探测器 |
CN113466170B (zh) * | 2021-05-18 | 2024-05-24 | 中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院 | 一种基于多类型共振太赫兹超表面的多目标探测器 |
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