CN215678089U - 一种太赫兹波段超材料传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于太赫兹超材料传感器技术领域,具体是一种基于聚酰亚胺基底和表面金属结构的高灵敏度的太赫兹波段超材料传感器。当太赫兹光波垂直入射到超材料传感器芯片上时,该传感器在1.05THz处会产生一个灵敏度约为200GHz/RIU,Q值约为30的谐振峰。该传感器利用透射率谱中谐振频率在单位折射率变化内频移的量来衡量传感器的灵敏度,实现了0.85THz~1.05THz频率范围内的高灵敏度传感。所述超材料灵敏度高、结构简单,易于加工,有望应用于生物代谢、食品安全检测、药品定性与定量检测等方面。
Description
技术领域
本实用新型属于太赫兹超材料传感器技术,具体是一种基于聚酰亚胺基底和表面金属结构的高灵敏度的太赫兹波段超材料传感器。
背景技术
太赫兹波通常是指频率范围在0.1到10THz之间的电磁波。其长波段与毫米波相重合,而短波段则与红外线有交叠。进入21世纪以来,随着半导体工艺和激光技术的日益成熟,稳定可靠的太赫兹光源被成功设计出来了,太赫兹技术也得到了迅速发展。
自然界中许多大分子的振动能级、超导体的能隙、半导体的等离子频率都在太赫兹波段,而且太赫兹波的低能量特性能够激发出生物分子的集体振荡模式,增强生物探测分子的灵敏度,因而太赫兹波在传感探测领域有着巨大的应用前景。但是,目前的太赫兹波传感技术在应用中往往会受到一些限制。例如在测量中我们往往需要要求被测样品量足够多,纯度足够高,以便获得可分辨的信号,这就导致当实际可用于生物化学测试的样品量较少时,实验探测就很难保证较高的灵敏度。为了更好地完成对微量样品的检测,我们需要通过一些方法来对太赫兹波进行局域的增强,以提高检测灵敏度。
为此,使用超材料结合原有的太赫兹时域光谱技术来提高检测灵敏度的方法受到了人们的关注。超材料是一种人工设计的新型电磁材料,其一般由亚波长尺寸的周期阵列单元构成,拥有许多不同于自然界中的常规材料的超常物理特性。通过设计不同的结构,我们可以获得不同灵敏度,不同透射峰的超材料。
目前,国内外太赫兹波段超材料传感器对于某些微量物质或微小浓度的检测灵敏度还不够高。并且不同种类的超材料在加工上的难易程度也有很大差别。因此如何设计出结构简单、易于制造、传感效果优异的传感器,是研究人员需要解决的问题。
发明内容
本实用新型创新的设计了一种用于太赫兹波段的超材料传感器,该传感器尺寸小、灵敏度高且易于加工。
本实用新型的目的是这样实现的:所述超材料传感器由金属层(1)和基底层(2)两部分组成,其中金属层(1)为中心对称的两个“C”型结构(A)和(B)构成的单元结构阵列,阵列按正方晶格排列。在太赫兹波的激励下,金属层结构(1)表面产生强烈的等离子体共振效应,在谐振点附近产生了尖锐的吸收峰。该传感器利用透射率谱中谐振频率在单位折射率变化内频移的量来衡量传感器的灵敏度,实现了0.85THz~1.05THz频率范围内的高灵敏度传感。
所述每个传感器单元的横剖面都为正方形,其边长P为160微米。
所述每个传感器单元的“C”型结构大小完全一致,且每个传感器单元的两个“C”型结构为中心对称。
所述每个传感器单元的“C”型结构大小为:上边长a为120微米,下边长d为85微米,左边宽b为85微米,右边宽c为15微米,两个“C”型结构间距e为20微米,间距f为20微米。
所述基底层(2)材料为聚酰亚胺,其厚度为50微米~100微米,其介电常数为3.5。
所述金属“C”型结构由金属铝制成,其厚度为0.2微米,其电导率为3.56×107S/m。
所述传感器单元阵列的个数不少于10×10个。
本实用新型与现有技术相比,其显著有点为:
1.本实用新型提出的太赫兹波段超材料传感器是一种新型结构设计,其结构简单,易于加工,易于重复使用。
2.本实用新型提出的太赫兹波段超材料传感器在0.85THz~1.05THz频率范围内可以实现高品质的传感,灵敏度高,有利于在多个种类的样品检测中得到应用,并且在使用过程中不会对样品有损害。
3.本实用新型提出的太赫兹波段超材料传感器由金属铝和聚酰亚胺基底制成,其原材料好获得,比以往贵金属材料能降低加工成本,易于大量使用。
附图说明
图1为本实用新型三维结构示意图。
图2为本实用新型单元结构三维图。
图3为本实用新型单元结构俯视图。
图4为本实用新型在太赫兹波垂直入射时的透射谱仿真结果图。
图5为本实用新型的折射率传感透射谱图。
图6为本实用新型谐振频谱与折射率的关系图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式,进一步阐述说明本实用新型。
如图1所示为本实用新型的三维结构示意图,所提出的超材料传感器由多个单元结构周期性排列组成,其中在x方向和y方向均为周期型排列,且数量不少于10×10个,并大于入射太赫兹波的光斑大小。
如图2的单元结构三维图和图3新型单元结构俯视图所示,本实用新型单元结构金属层(1)由两个大小完全一致且中心对称的“C”型结构组成,在太赫兹波的激励下,金属层结构(1)表面产生强烈的等离子体共振效应,在谐振点附近产生了尖锐的吸收峰。该传感器利用透射率谱中谐振频率在单位折射率变化内频移的量来衡量传感器的灵敏度,实现了0.85THz~1.05THz频率范围内的高灵敏度传感。
当多个传感器单元沿x、y方向连续排列设置时,各个基底(2)连为一体,而表面金属结构层之间相互隔离,使得各个传感单元独立工作。
所述每个传感器单元的横剖面都为正方形,其边长P为160微米。
所述每个传感器单元的“C”型结构大小完全一致,且每个传感器单元的两个“C”型结构为中心对称。
所述每个传感器单元的“C”型结构大小为:上边长a为120微米,下边长d为85微米,左边宽b为85微米,右边宽c为15微米,两个“C”型结构间距e为20微米,间距f为20微米。
所述基底层(2)材料为聚酰亚胺,厚度为50微米~100微米,介电常数为3.5。
所述金属“C”型结构由金属铝制成,其厚度为0.2微米,其电导率为3.56×107S/m。
作为实施例,当入射太赫兹波垂直入射时,所获得的透射谱如图4所示,该仿真结果由CST电磁仿真软件计算得到,从图中可以看到,当没有任何物质附着在超材料传感器表面时,其谐振频率为1.04THz,也就是在1.04THz时达到了接近90%的吸收。
图5为当传感器表面添加一层厚度为20微米的待测物且待测物的折射率为1到2时,太赫兹波分别透过传感器所得到的透射谱图。从图中可以得到,随着待测物折射率逐渐增大,其吸收谱开始有明显的红移,且其移动的量与折射率变化呈良好的线性相关关系。这表明我们可以利用本实用新型所提出的超材料结构来对物质进行定量的检测和不同类物质的定性区分。并且,由于吸收谱谐振频率的移动是线性的,这表明本实用新型的所提出的传感器具有良好的传感性能和灵敏度。在实际应用中,可以通过在传感器表面滴加待测物质或粉末来达到需要的传感检测效果。
图6为本实用新型谐振频谱与折射率的关系图。由图可知,超材料的谐振频率与待测物折射率呈现出良好的线性关系。传感器的传感性能用折射率灵敏度(S)表征,表示单位折射率内的谐振峰频率的变化量,其值为S=Δf/Δn,单位为GHz/RIU,其中,Δf为频率的变化量,Δn为折射率变化量,RIU为Refractive Index Unit。本实用新型所提出的太赫兹波段超材料传感器在0.85THz~1.05THz频率范围内的灵敏度为170GHz/RIU,这较以往的传感器已经有了一些提升,能够用于生物学化学医学中所需的生物或药物的传感。
本实用新型已经通过上述实施例进行了说明,但应当理解的是上述实施例仅是用于本实用新型创新性实用性的举例和说明,而不是局限于所描述的实施例范围内,本实用新型的保护范围由权利要求书所描述的范围界定。
Claims (7)
1.一种太赫兹波段超材料传感器,其特征在于:所述超材料传感器由金属层(1)和基底层(2)两部分组成,其中金属层(1)为中心对称的两个“C”型结构(A)和(B)构成的单元结构阵列,阵列按正方晶格排列。
2.根据权利要求1所述的一种太赫兹波段超材料传感器,其特征在于:所述每个传感器单元的横剖面都为正方形,其边长P为160微米。
3.根据权利要求1所述的一种太赫兹波段超材料传感器,其特征在于:所述每个传感器单元的“C”型结构大小完全一致,且每个传感器单元的两个“C”型结构为中心对称。
4.根据权利要求1所述的一种太赫兹波段超材料传感器,其特征在于:所述每个传感器单元的“C”型结构大小为:上边长a为120微米,下边长d为85微米,左边宽b为85微米,右边宽c为15微米,两个“C”型结构间距e为20微米,间距f为20微米。
5.根据权利要求1所述的一种太赫兹波段超材料传感器,其特征在于:所述基底层材料为聚酰亚胺,其厚度为50微米~100微米,其介电常数为3.5。
6.根据权利要求1所述的一种太赫兹波段超材料传感器,其特征在于:所述金属“C”型结构由金属铝制成,其厚度为0.2微米,其电导率为3.56×107S/m。
7.根据权利要求1所述的一种太赫兹波段超材料传感器,其特征在于:所述传感器单元阵列的个数不少于10×10个。
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