CN110907391A - 一种具有周期性亚波长方形槽的微带线传感器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有周期性亚波长方形槽的微带线传感器件，在微带线中设置周期性亚波长长方形槽，当太赫兹波在微带线上传播时，利用THz激发方形槽金属膜中的自由电子产生表面等离子体共振，将样品放置在微带线上，所引起表面介电常数微小的变化，微小的变化都会使THz的强度和位置有明显的变化，因此通过增加周期性亚波长方形槽结构能够增加对生物样品检测的灵敏度；检测过程中无需任何标记物，且装置微型化；另外，还可以通过共振频率的变化来实时检测不同生物样品的反应过程。
Description
技术领域
本发明属于固态生物样品检测技术领域，具体涉及一种具有周期性亚波长方形槽的微带线传感器件。
背景技术
太赫兹波通常指的是频率在0.1THz～10THz(波长在3mm～30μm)范围内的电磁辐射(1THz＝1012Hz)。太赫兹波在诸多领域都有较为广泛的应用前景，如太赫兹通讯技术、建筑材料无损检测、人体成像设备等。
自由空间的太赫兹时域光谱系统可以对药品、半导体材料、生物分子等很多物质进行测量。然而自由空间的太赫兹时域光谱系统存在的一些局限，比如：系统尺寸大，频谱分辨率低以及所需样品量大等。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种具有周期性亚波长方形槽的微带线传感器件，可以提高对样品的检测精度。
一种具有周期性亚波长方形槽的微带线传感器件，从下到上依次包括高阻硅基底(1)、金属基底(2)、介质层(3)；介质层(3)的两端各设置一块低温砷化镓薄膜(6)，作为THz天线；两块低温砷化镓薄膜(6)之间的介质层(3)上铺设金属膜(5)，金属膜(5)两端各通过一根金属线(4)与本侧的低温砷化镓薄膜(6)连接，形成传输THz波的微带线；在金属膜(5)上沿THz波传输方向开设周期性的长方形槽(51)；长方形槽(51)的尺寸为亚波长范围。
较佳的，所述长方形槽(51)的尺寸为235μm×50μm。
较佳的，所述高阻硅基底(1)的电阻率不低于20Ω·m。
较佳的，所述金属线(4)和金属膜(5)材质采用金。
较佳的，所述高阻硅基底(1)尺寸为1.5cm×1cm厚度为500μm。
较佳的，所述介质层(3)的材料为聚酰亚胺，厚度为8μm。
较佳的，金属线(4)尺寸为1mm×30μm。
本发明具有如下有益效果：
本发明公开了一种具有周期性亚波长方形槽的微带线传感器件，在微带线中设置周期性亚波长长方形槽，当太赫兹波在微带线上传播时，利用THz激发方形槽金属膜中的自由电子产生表面等离子体共振，将样品放置在微带线上，所引起表面介电常数微小的变化，微小的变化都会使THz的强度和位置有明显的变化，因此通过增加周期性亚波长方形槽结构能够增加对生物样品检测的灵敏度；检测过程中无需任何标记物，且装置微型化；另外，还可以通过共振频率的变化来实时检测不同生物样品的反应过程。
附图说明
图1为本发明一种具有周期性亚波长方形槽的微带线传感器件侧视示意图；
图2为本发明一种具有周期性亚波长方形槽的微带线传感器件结构俯视示意图；
图3为本发明一种具有周期性亚波长方形槽的微带线传感器件仿真示意图；
图4为本发明一种具有周期性亚波长方形槽的微带线传感器件场分布示意图；
图5为本发明一种具有周期性亚波长方形槽的微带线传感器件的仿真结果。
其中，1-高阻硅基底，2-金属基底，3-介质层，4-金属线，5-金属膜，51-方形槽，6-低温砷化镓薄膜。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明所要解决的技术问题是提供一种可重复使用且灵敏度高的利用太赫兹波检测生物样品的器件。在传统微带线的基础上，在其一侧设置周期性方形槽，方形槽数量及尺寸可根据实际需求作出相对应的调整，使其对生物样品灵敏度最大。相对于自由空间时域光谱系统来说，该结构具有微型化的特点，甚至还可以实时监测生物样品反应的过程。
本发明解决上述技术问题采取的技术方案是：一种具有周期性亚波长方形槽的微带线传感器件，该器件从下到上依次包括高阻硅基底1、金属基底2、介质层3；介质层3的两端各设置一块低温砷化镓薄膜6，作为THz天线；两块低温砷化镓薄膜6之间的介质层3上铺设金属膜5，金属膜5两端各通过一根金属线4与本侧的低温砷化镓薄膜6连接，形成传输THz波的微带线。
本发明的改进之处在于，在金属膜5上沿THz传输方向开设周期性的长方形槽51；长方形槽51的尺寸为亚波长范围。
工作原理如下：
不加样品时，当800nm钛蓝宝石激光器其中一束泵浦光照射在低温砷化镓薄膜上时，此时产生太赫兹波，当太赫兹波在微带线上传输时，太赫兹波会激发周期性亚波长的方形槽金属膜中的自由电子，产生表面等离子体。通过改变周期性亚波长的方形槽金属膜的尺寸，可以使的表面等离子体与太赫兹波频率相等，发生共振。太赫兹波的大部分能量被表面等离子体波吸收，使得太赫兹波的能量急剧减少，导致所测得太赫兹波的峰值变小。
加样品时，附着在微带线和周期性金属槽上生物样品量的变化或者发生化学反应都会引起金属纳米粒子表面介电常数的变化，这种微弱的变化能够产生明显的波长位移，也就是共振频率蓝移或者红移；不同的生物样品的折射率和吸收系数有所差异，引起共振频率的变化，从而反映到光谱峰值位置和强度上。因此可以通过峰的位置和强度来确定生物样品的信息。这在一定程度上解决了微带线对生物样品敏感度低的问题，以便更好地研究生物样品的特性。
通过该光学系统，将其测量生物样品放在微带线上，得到其样品时域谱，然后进行傅里叶变化得到频域信息。通过分析图像，根据检测出共振角度和波长的变化，从而得出待测的分子的折射率等性质。
在检测后，先用镊子将大部分的生物样品去掉，剩下少量样品用氮气枪吹，然后用清水清洗器件后用热风吹干即可重复利用。
本实施例中的微带线器件，高阻硅基底电阻率不低于20Ω·m，金属线和方形槽金属膜材质采用金。高阻硅基底尺寸为1.5cm×1cm厚度为500μm，介质层3的材料为聚酰亚胺，厚度为8μm；金属基底2、金属线4及金属膜5这三部分材质均采用金。金属线4尺寸为1mm×30μm，长方形槽51的尺寸为235μm×50μm。
本发明采用HFSS软件进行模拟波在具有周期性亚波长方形槽的微带线传感器件上传播时波的传输损耗。首先，在HFSS软件中，建立微带线的结构如图3所示。给整个微带线结构加电磁场，本实施例中，金线4长为1mm，宽为30μm，厚为0.25μm；介质层3材质为聚酰亚胺，长为1mm，宽为500μm，厚为8μm；金基底2长为1mm，宽为500μm，厚为0.25μm；方形槽51数量为5个，长度均为235μm，宽度都为50μm，两端方形槽距两端距离为135μm，每两个相邻的方形槽之间的间隔为112μm。如图5所示，仿真结果显示在655GHz时，表面等离子体与太赫兹波发生共振。
本发明的微带线器件的制备过程为：
首先使用真空蒸镀机在1.5cm×1cm的高阻硅基底1上蒸镀20nm铬和250nm金。接着，用移液器将1ml的聚酰亚胺(黏度为600cp)，移至到1cm×1cm的已蒸镀有250nm厚金膜的高阻硅基底上。首先将滴有聚酰亚胺的硅片置于真空箱中进行抽真空，此步骤可排出聚酰亚胺溶液中的空气。其次，启动匀胶机，其中匀胶机第一转速设置为500r/min，时间为5s；第二转速设置为1000r/min时间为30s。将旋涂有聚酰亚胺薄膜的硅片放置在热板上烘干，时间为90s温度为80℃。接着，将整个片放置在烘干箱固化，时间为2小时，温度为200℃。将用13.57％盐酸腐蚀下来的低温砷化镓薄膜转移到涂有聚酰亚胺薄膜的硅片上。最后，本专利使用紫外光光刻技术，先在聚合物衬底平面上进行结构图形的刻画，再真空蒸镀20nm铬和250nm金，接着用去胶剂或丙酮溶液剥离，最后具有周期性亚波长方形槽的微带线结构显现出来。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种具有周期性亚波长方形槽的微带线传感器件，其特征在于，从下到上依次包括高阻硅基底(1)、金属基底(2)、介质层(3)；介质层(3)的两端各设置一块低温砷化镓薄膜(6)，作为THz天线；两块低温砷化镓薄膜(6)之间的介质层(3)上铺设金属膜(5)，金属膜(5)两端各通过一根金属线(4)与本侧的低温砷化镓薄膜(6)连接，形成传输THz波的微带线；在金属膜(5)上沿THz波传输方向开设周期性的长方形槽(51)；长方形槽(51)的尺寸为亚波长范围。
2.如权利要求1所述的一种具有周期性亚波长方形槽的微带线传感器件，其特征在于，所述长方形槽(51)的尺寸为235μm×50μm。
3.如权利要求1所述的一种具有周期性亚波长方形槽的微带线传感器件，其特征在于，所述高阻硅基底(1)的电阻率不低于20Ω·m。
4.如权利要求1所述的一种具有周期性亚波长方形槽的微带线传感器件，其特征在于，所述金属线(4)和金属膜(5)材质采用金。
5.如权利要求1所述的一种具有周期性亚波长方形槽的微带线传感器件，其特征在于，所述高阻硅基底(1)尺寸为1.5cm×1cm厚度为500μm。
6.如权利要求1所述的一种具有周期性亚波长方形槽的微带线传感器件，其特征在于，所述介质层(3)的材料为聚酰亚胺，厚度为8μm。
7.如权利要求1所述的一种具有周期性亚波长方形槽的微带线传感器件，其特征在于，金属线(4)尺寸为1mm×30μm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200324 |
|
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