CN114527090A - 一种基于共面波导与谐振结构结合的太赫兹生物传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于共面波导与谐振结构结合的太赫兹生物传感器，包括谐振结构、介质基板和设于介质基板一端面上的共面波导，共面波导由中间的金属传输线和金属传输线两侧平行且间隔设置的金属接地线构成，金属传输线上蚀刻出至少一组谐振结构，每组所述谐振结构包括第一金属臂、第二金属臂和两个相对设置的尖端，其中一所述尖端生长在所述第一金属臂的末端，所述第二金属臂呈回形结构，另一所述尖端生长在所述第二金属臂上，两尖端之间形成公共电容间隙。本发明实现局域电场增强，增强了太赫兹波与生物样品间的相互作用，实现太赫兹范围内的高灵敏度生物检测。
Description
技术领域
本发明属于太赫兹生物传感技术领域，具体涉及一种基于共面波导与谐振结构结合的太赫兹生物传感器。
背景技术
太赫兹波是频率在0.1THz-10THz的电磁波，作为电磁波谱中的特殊位置，其相关技术研究是当前重要的交叉前沿领域。作为介于红外到微波的频段，太赫兹波具有很多优势，比如低能性、高透性、指纹谱特性。太赫兹波在与物质相互作用方面具有一些独特的性质，因此如何增强太赫兹波与被测物的相互作用，从而提高传感灵敏度，是推进太赫兹传感器实际应用的关键。
在太赫兹波段，许多物质有丰富的光谱信息，比如糖类、氨基酸、水和肽链等具有特征吸收特性，而DNA、蛋白质和RNA虽然在太赫兹波段没有特征吸收，但是它们的振动能级处于太赫兹波段，THz光谱对它们的构象变化十分敏感，因此可以利用物质本身在太赫兹波段的信息同时结合微纳结构这样可以更加准确地实现特定物质的探测与传感。
现有的生物传感器灵敏度较低，并且生物传感器容易对生物物质造成破坏，无法实现对生物样品的无损定量检测，不能很好的满足人们的使用需求。将平面传输线应用于太赫兹波段器件，可以有效减小体积，增加太赫兹系统的便携性，具有重要的科学价值和现实意义。但由于目前太赫兹测试设备的限制，往往难以直接测量太赫兹频段平面传输线的特性参数。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于共面波导与谐振结构结合的太赫兹生物传感器，实现局域电场增强，增强了太赫兹波与生物样品间的相互作用，实现太赫兹范围内的高灵敏度生物检测。
为达成上述目的，本发明的解决方案为：一种基于共面波导与谐振结构结合的太赫兹生物传感器，包括谐振结构、介质基板和设于介质基板一端面上的共面波导，共面波导由中间的金属传输线和金属传输线两侧平行且间隔设置的金属接地线构成，金属传输线上蚀刻出至少一组谐振结构，每组所述谐振结构包括第一金属臂、第二金属臂和两个相对设置的尖端，其中一所述尖端生长在所述第一金属臂的末端，所述第二金属臂呈回形结构，另一所述尖端生长在所述第二金属臂上，两尖端之间形成公共电容间隙。
进一步，所述第二金属臂和蚀刻宽度的宽度同为4um。
进一步，所述共面波导的总长度为300um，厚度为0.4um,金属传输线的宽度为36um，金属接地线的宽度为74um，金属传输线与金属接地线间的间距为8um。
进一步，所述公共电容间隙为2um。
进一步，所述尖端呈三角形，三角形的底边长度为4um，高度为5um。
进一步，所述介质基板材料为石英。
进一步，在所述介质基板两端设有与共面波导相连的输入端口和输出端口。
进一步，所述输入端口和输出端口的阻抗均为50欧姆。
采用上述方案后，本发明的增益效果在于：
本发明的一种基于共面波导与谐振结构结合的太赫兹生物传感器，通过将共面波导与谐振结构结合，实现太赫兹波在平面传输线低损耗传播，并与谐振结构产生强烈相互作用，从而提高检测灵敏度，并且实现对生物样品的无损定量检测。该传感器结构简单，方便制作，尺寸小，便于集成，在太赫兹波段有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明的立体结构示意图；
图2为本发明的侧面结构示意图；
图3为本发明共面波导上蚀刻单谐振结构示意图；
图4为本发明共面波导上蚀刻双谐振结构示意图；
图5为本发明谐振结构尖端电场分布图；
图6为本发明的透射光谱图；
标号说明：1、介质基板；2、共面波导；21、金属传输线；22、金属接地线；3、谐振结构；31、第一金属臂；32、第二金属臂；33、尖端；34、公共电容间隙；35、公共侧边。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明做详细的说明。
图1和图2所示为本发明提供的一种基于共面波导与谐振结构结合的太赫兹生物传感器，包括作为载体的介质基板1以及在介质基板1上端面设置的共面波导2和谐振结构3，共面波导2在高频段具有较低的辐射损耗和优异的高阶模抑制效果，共面波导2由中间的金属传输线21和金属传输线21两侧平行且间隔设置的金属接地线22构成。介质基板1优选为石英材料，具有色散小、损耗低、在高频段介电常数稳定的优点，介电常数为3.78，损耗正切角为0.0004。
如图1和图3所示，金属传输线21上蚀刻出至少一组谐振结构3，把谐振结构3与共面波导2置于介质基板1同一侧，减轻了加工制造的难度；每组所述谐振结构3包括第一金属臂31、第二金属臂32和两个相对设置的尖端33，其中一所述尖端33生长在所述第一金属臂31的末端，所述第二金属臂32呈回形结构，另一所述尖端33生长在所述第二金属臂32上，两尖端33之间形成公共电容间隙34。尖端33有局域电场增强效果，增强太赫兹波与被测生物样品间的相互作用，提高检测灵敏度。
在一实施例中，本发明各部件的优选下列尺寸参数进行设计：
介质基板1：长度A为300um，宽度B为200um,厚度为50um。
共面波导2：材料为金，总长度为300um，厚度为0.4um，金属传输线21的宽度为36um，金属接地线22的宽度为74um，金属传输线21与金属接地线22间的间距C为8um。太赫兹波沿共面波导2金属传输线21与金属接地线22间的蚀刻间隙传播，从而限制电场区域，选择最佳的间隙宽度，实现太赫兹波高效率传播并兼顾工艺可靠性。在所述介质基板1两端设有与共面波导2相连的输入端口和输出端口，所述输入端口和输出端口的阻抗均为50欧姆。
谐振结构3：整体长度D为182um，宽度E为16um。谐振结构3的蚀刻宽度F为4um，第二金属臂32的宽度G同为4um。谐振结构3两金属臂之间的距离H为12um，所述尖端33呈三角形，三角形的底边长度为4um，高度为5um，所述公共电容间隙J为2um。
图5所示为根据上述尺寸构造所制备的谐振结构3尖端33电场分布图(经红色过滤处理后)，在谐振结构3尖端33局域电场增强效果，使太赫兹波与被测生物样品间的相互作用增强，提高检测灵敏度。
图6所示为上述基于共面波导2与谐振结构3结合的太赫兹生物传感器的透射光谱图(S21参数)，其频率范围为0.2到1THz。通过对谐振结构3的设计优化，可以实现多个谐振峰，从而获得较大频率范围内的传感。
如图4所示，所述谐振结构3包括但不限于刻蚀在共面波导的金属传输线21上侧的单谐振结构3，还可以是关于中心金属传输线21轴对称的双谐振结构3，两个谐振结构3之间由一公共侧边35进行隔开。
本发明的工作原理为：太赫兹波由与共面波导耦合的探针或矩形波导传入共面波导的输入端口，使太赫兹波由空间传输转换为平面传播，之后太赫兹波沿共面波导中心金属线与接地线间的狭缝低损耗传输，当太赫兹波传输到谐振结构时，尖端产生强烈的电磁相互作用。当强电磁区域不放置被测样品时，谐振结构会导致太赫兹波产生特定的谐振频率参数。当在强电磁区域中放置低浓度被测生物样品时，太赫兹波与被测生物样品有强烈的相互作用，可以观察到透射光谱的显着变化，其中包含被测样品的相关信息，从而实现太赫兹范围内的高灵敏度生物检测。
此外，本发明的一种基于共面波导2与谐振结构3结合的太赫兹生物传感器有与微流通道和纳米孔结合的前景，可进一步实现单分子、病毒和DNA链等生物样品检测。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非对本案设计的限制，凡依本案的设计关键所做的等同变化，均落入本案的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于共面波导与谐振结构结合的太赫兹生物传感器，其特征在于，包括谐振结构、介质基板和设于介质基板一端面上的共面波导，共面波导由中间的金属传输线和金属传输线两侧平行且间隔设置的金属接地线构成，金属传输线上蚀刻出至少一组谐振结构，每组所述谐振结构包括第一金属臂、第二金属臂和两个相对设置的尖端，其中一所述尖端生长在所述第一金属臂的末端，所述第二金属臂呈回形结构，另一所述尖端生长在所述第二金属臂上，两尖端之间形成公共电容间隙。
2.如权利要求1所述的一种基于共面波导与谐振结构结合的太赫兹生物传感器，其特征在于：所述第二金属臂和蚀刻宽度的宽度同为4um。
3.如权利要求1所述的一种基于共面波导与谐振结构结合的太赫兹生物传感器，其特征在于：所述共面波导的总长度为300um，厚度为0.4um,金属传输线的宽度为36um，金属接地线的宽度为74um，金属传输线与金属接地线间的间距为8um。
4.如权利要求1所述的一种基于共面波导与谐振结构结合的太赫兹生物传感器，其特征在于：所述公共电容间隙为2um。
5.如权利要求1所述的一种基于共面波导与谐振结构结合的太赫兹生物传感器，其特征在于：所述尖端呈三角形，三角形的底边长度为4um，高度为5um。
6.如权利要求1所述的一种基于共面波导与谐振结构结合的太赫兹生物传感器，其特征在于：所述介质基板材料为石英。
7.如权利要求1所述的一种基于共面波导与谐振结构结合的太赫兹生物传感器，其特征在于：在所述介质基板两端设有与共面波导相连的输入端口和输出端口。
8.如权利要求7所述的一种基于共面波导与谐振结构结合的太赫兹生物传感器，其特征在于：所述输入端口和输出端口的阻抗均为50欧姆。
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