CN214583376U - 一种基于石英衬底的金属超构表面双参数传感芯片 - Google Patents
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Abstract
一种基于石英衬底的金属超构表面双参数传感芯片，该双参数传感芯片由石英衬底和其上的环形金阵列组成，环形金的形状为零型。该传感芯片的透射光谱有两个共振峰，外界环境的温度和折射率变化会引起峰值频率偏移。根据灵敏度矩阵公式，通过检测峰值频率的偏移量，就可以计算得到温度和折射率的改变量，从而实现对待测物折射率和温度的实时监测，两个峰的折射率灵敏度分别为67.9GHz/RIU和142.76GHz/RIU，温度灵敏度分别为6.35MHz/K和7.14MHz/K。该传感芯片具有体积小、灵敏度高、易于制造等优点，具有广阔的应用前景。实现了太赫兹波段温度和折射率的同时测量。
Description
技术领域
本实用新型涉及了一种基于石英衬底的金属超构表面双参数传感芯片，属于太赫兹波段传感技术领域。
背景技术
超构表面是一种人工设计制作的亚波长周期性谐振结构材料，通常由小于作用光波长的周期性单元结构组成，可以获得自然界介质所没有的特性，在负折射率、隐身衣、传感、滤波器件等领域具有非常重要的应用。太赫兹是一种介于红外与微波频段之间的电磁波，因为电磁波不会对物质的原子、分子结构造成改变，这一非电离特性使太赫兹波在亲和型的生物传感上有大的应用潜力。
随着科学技术的发展，现如今已经有了多种能够实现双参数传感的方法。 2017年11月17日，中国计量大学提出了申请号为201721536441.9的“一种基于表面等离子体共振的折射率温度双参数传感器”，包括：宽带光源，镀有金膜的MMF-TCF-MMF结构，光谱仪。利用镀有金膜的MMF-TCF-MMF结构作为系统的传感区结构，信号光经过传感区时发生SPR效应和MZ干涉，通过SPR 光谱的损耗加深和展宽程度得到折射率参数，通过MZ干涉谱的干涉谷波长变化标定温度的变化，可以实现基于SPR效应的折射率温度双参数测量传感。但该传感器没有较高的灵敏度，无法给出精确的测量结果。而目前的超构表面传感器在检测过程中都只关注了一个因素的变化，而忽略其他环境因素的影响。所以，探究其在双参数传感应用方面的可行性以及传感性能是必要的。
折射率和温度的测量在化学、工业、生物传感、环境检测等各个领域都是必不可少的。但是在实际检测过程中，目标参数的监测会受到很多背景因素的干扰，造成各种误差、误报、甚至假阳性结果。因此，同时测量包括目标参量和相关影响因素的变化对于传感应用来说是非常重要的。目前已有各种传感器能够对它们进行分开检测，比如光纤传感器，热电偶等。但是若能同时实现两种物理量的实时高灵敏度检测，将会在实际应用中更有价值。
实用新型内容
本实用新型创新的设计一种金属超构表面双参数传感芯片，在0.3-1.3THz 实现了折射率和温度的同时测量。在检测过程中考虑了折射率和温度的同时影响，使检测结果更为精准。
为了完成上述目的，本实用新型提供了如下方案：
一种基于石英衬底的金属超构表面双参数传感芯片，其特征在于：所述的传感芯片的结构由上到下分别为金属超表面层(1)，石英衬底层(2)，上层的金属超表面层(1)是由零型的金属圆环单元结构通过周期性排列组成的，下层是长方形的石英衬底层(2)；当太赫兹波垂直入射到芯片时，由于该芯片的透射谱上有两个不同的谐振峰，通过分析两个谐振峰的频移量，就可以同时得到折射率和温度的变化量。
本实用新型所述的双参数传感芯片，其特征在于：所述的基于石英衬底的金属超构表面双参数传感芯片，其衬底的材料为石英，在温度为300K时，折射率为1.95，厚度为30μm，每个单元结构的长周期尺寸和短周期尺寸分别为200μm 和140μm，金属阵列的材料为金，形状为零型，每个零形金属环的外椭圆的长轴长为360μm，短轴长为240μm，内椭圆的长轴长为320μm，短轴长为80μm，厚度为0.2μm。
本实用新型所述的双参数传感芯片，其特征在于：所述的双参数传感芯片的工作频率为0.3THz到1.2THz，所适用的温度范围为290K到440K，适用的折射率范围为2到2.2。
与现有技术相比，本实用新型的特色与优势在于：
本实用新型是基于石英衬底的金属超构表面来实现两种外界参数的同时测量，两个频偏对折射率的灵敏度分别为67.9GHz/RIU和142.76GHz/RIU，对温度的灵敏度分别为6.35MHz/K和7.14MHz/K。
本实用新型是基于石英衬底的金属超构表面来实现两种外界参数的同时测量，该传感芯片具有体积小、灵敏度高、易于制造等优点，在物理、生物、化学等领域具有广阔的应用前景。
本实用新型是基于石英衬底的金属超构表面来实现两种外界参数的同时测量，它实现太赫兹波段温度和折射率的同时测量，因为可以通过改变结构参数来改变峰值的位置，所以该传感芯片的工作频段不受限制，局限性较小。
附图说明
图1是双参数传感芯片的示意图。
图2是双参数传感芯片的结构参数图。
图3是双参数传感芯片的透射光谱。
图4是在频率为0.4868Thz和1.0976Thz时的双参数传感芯片的电场图。
图5是在实施例中的双参数传感芯片对不同折射率溶液的透射光谱图。
图6是折射率变化与谐振频率偏移量的关系曲线的线性拟合。
图7是实施例中的双参数传感芯片对不同温度变化的透射光谱图。
图8是温度变化与谐振频率偏移量的关系曲线的线性拟合。
具体实施方式
下面结合附图和具体实例，进一步阐述说明本实用新型。
如图1所示设计了一种基于石英衬底的金属超构表面双参数传感芯片，其结构由上到下分别为金属超表面层(1)，石英衬底层(2)，上层的金属超表面层(1)是由零型的金属圆环单元结构通过周期性排列组成的，下层是长方形的石英衬底层(2)。
如图2所示，每个单元结构的周期尺寸Px和Py分别为140μm和200μm。石英的厚度为30μm，在温度为300K时，折射率为1.95。而金属阵列的材料为金，形状为零型，每个零形金属环的外椭圆L1和L2的长度分别为180μm和 120μm，内椭圆L3和L4的长度分别为160μm和40μm，厚度为0.2μm。
如图3所示为金属零型圆环，以Px和Py分别为140μm和200μm的周期排列在石英衬底(折射率为1.95)上形成的超构表面的透射光谱图，从图3中可以看出在0.4868Thz和1.0976Thz附近，透射率接近于0，并且结合图4，即在共振频率为0.4868太赫兹和1.0976太赫兹时的电场图，我们可以看出在这两个频率附近有明显的电响应，形成了两个谐振峰。
下面以折射率和温度两个外界参数为例，说明本实用新型提出的双参数传感芯片的工作原理。
在实际的测量过程中，折射率的变化以及温度的变化都会引起谐振峰频率的偏移，即：
其中i表示透射光谱中的谐振峰1或谐振峰2，公式(1)经过逆运算以后，即为：
先标定某参考状态下(一定温度和折射率)的两个谐振峰频率的位置，再测出两个谐振峰频率分别随着单一参数(折射率或者温度)的变化关系，即求出折射率灵敏度Kn，1、Kn，2和温度灵敏度KT，1、KT，2，最后浸入某种待测样品中，测量两个谐振峰频率的偏移量Δf1和Δf2，由公式(2)可以求得折射率和温度的变化量，对比一开始标定的折射率和温度参考值，就可以得到当前的折射率和温度。
下面结合具体的实施例加以说明。
实施例：
如图1所示设计了一种基于石英衬底的金属超构表面双参数传感芯片，结合图2可以看出，金属环阵列周期性的排列在石英衬底上，其衬底的材料为石英，在温度为300K时，折射率为1.95，厚度为30μm，每个单元结构的周期尺寸Px和Py分别为140μm和200μm。而金属阵列的材料为金，形状为零型，每个零形金属环的外椭圆L1和L2的长度分别为180μm和120μm，内椭圆L3和 L4的长度分别为160μm和40μm，厚度为0.2μm。
一束电磁波正入射到双参数传感芯片上，电场方向平行于x方向，磁场方向平行于y方向，透射光被光谱仪接收并显示出光谱图，如图3所示。
在传感芯片的表面加入具有不同的折射率的溶液，折射率范围为2到2.2之间，并且溶液完全浸没传感芯片，控制温度维持在300K，由此得到不同折射率下的传感芯片的透射光谱，如图5所示，当折射率发生改变时，峰值波长也在发生改变，并且随着折射率的增大，峰值波长向长波方向移动。我们将不同折射率对应的峰值频率的偏移进行线性拟合，如图6所示，第一个和第二个谐振峰对于折射率变化的灵敏度分别为-67.9GHz/RIU和-142.76GHz/RIU，线性度分别为 0.9999和0.9998，具有良好的线性关系。
在传感芯片的表面加入纯水(在THz波段的折射率为2)，将环境的温度从 290K升高至440K，查阅文献可知，水的折射率随温度的升高而降低，其热光系数为-1.02×10-4/K，而传感芯片的折射率和几何参数也会受到温度的影响，基底的热膨胀系数和热光系数分别为2.59×10-6/K和1.84×10-4/K，同时，通过计算不同温度下的Drude模型参数和结构参数，可以得出温度变化对金的影响。将温度从290K升高至440K，可以得到超表面在不同温度下的透射光谱图，如图7 所示，两个谐振峰都随温度的变化而发生偏移。如图8所示，将不同温度和对应的峰值频率的偏移进行线性拟合，计算得到第一个谐振峰和第二个谐振峰的温度灵敏度分别为13.28MHz/K和21.7MHz/K，线性度分别为0.98和0.97，线性度良好。值得注意的是这里获得的温度灵敏度是不仅是温度的独立变化而来的，而且包含了环境的热光效应引起的频移，所以实际的温度灵敏度的计算公式为
其中，i代表为第几个偏振峰，KT，i是所需要的实际的温度灵敏度，
是通过线性拟合而得到的系数，根据公式3可以得到实际的温度灵敏度为6.35MHz/K 和7.14MHz/K，将以上的结果带入公式(2)可以得到：
公式(4)即为实施例中所述的检测芯片的折射率、温度双参数同时测量的灵敏度矩阵。
Claims (3)
1.一种基于石英衬底的金属超构表面双参数传感芯片，其特征在于：所述的传感芯片的结构由上到下分别为金属超表面层(1)，石英衬底层(2)，上层的金属超表面层(1)是由零型的金属圆环单元结构通过周期性排列组成的，下层是长方形的石英衬底层(2)。
2.根据权利要求1所述的双参数传感芯片，其特征在于：所述的基于石英衬底的金属超构表面双参数传感芯片，其衬底的材料为石英，在温度为300K时，折射率为1.95，厚度为30μm；每个单元结构的长周期尺寸和短周期尺寸分别为200μm和140μm；金属阵列的材料为金，形状为零型，每个零形金属环的外椭圆的长轴长为360μm，短轴长为240μm，内椭圆的长轴长为320μm，短轴长为80μm，厚度为0.2μm。
3.根据权利要求1所述的双参数传感芯片，其特征在于：所述的基于石英衬底的金属超构表面双参数传感芯片的工作频率为0.3THz到1.2THz，所适用的温度范围为290K到440K，适用的折射率范围为2到2.2。
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