基于多特征单元的太赫兹超结构传感器及其使用方法技术

本发明专利技术涉及太赫兹器件领域。目的是提供一种基于多特征单元的太赫兹超结构传感器及其用于物质分析的方法，该传感器及其物质分析方法能够不经过谐振频率调节，通过一次信号采集即实现对目标物的特异性灵敏检测，具有检测快速、操作方便、适用范围广等优点。技术方案是：一种基于多特征单元的太赫兹超结构传感器，其特征在于：该太赫兹超结构传感器包括平板基底和在平板基底表面呈周期性阵列分布的若干个组合超结构单元；每个组合超结构单元由X个不同特征单元以固定中心间距按方形阵列排布的方式构成；周期性阵列分布的组合超结构单元通过蒸镀或刻蚀的方式添加在平板基底表面。过蒸镀或刻蚀的方式添加在平板基底表面。过蒸镀或刻蚀的方式添加在平板基底表面。

【技术实现步骤摘要】
基于多特征单元的太赫兹超结构传感器及其使用方法


[0001]本专利技术涉及太赫兹器件领域，具体是一种基于多特征单元的太赫兹超结构传感器及其用于物质检测分析的方法。

技术介绍

[0002]太赫兹辐射是一种频率范围为0.1
‑
10THz的电磁波(1THz＝10
12
THz),在电磁波谱中介于微波和红外波之间，具有安全性、瞬态性、透视性、宽频带以及波谱分辨能力等诸多性质。特别地，许多生化分子间的弱相互作用力，如氢键、范德华力、分子内的低频集体振转模式以及晶体中晶格的低频振动通常都出现在太赫兹频段内。因此，利用太赫兹波为信号源进行物质的检测分析具有独特的优势，在生物科学、材料科学、医药学和食品科学等方面具有巨大的应用潜力。然而，由于太赫兹波光子能量低、波长长，直接进行物质检测存在背景信号干扰严重、检测灵敏度低等问题。
[0003]太赫兹超材料是一种工作在太赫兹频段、具有亚波长周期性阵列结构的人工电磁材料。利用太赫兹超材料所具有的伪表面等离激元效应能促进太赫兹波与目标物间相互作用，有效提升太赫兹波检测的灵敏度。目前，这种利用太赫兹超材料进行的检测主要是通过谐振峰的频移量来分析目标物的含量，属于折射率传感器，检测的特异性差。为了改善检测的特异性，研究发现当太赫兹超材料的谐振峰与目标物的特征吸收峰频率一致时，目标物对超材料谐振模式的调制效果会更加显著；但对于在一定频段内仅有单个或若干个离散谐振模式的太赫兹超材料，这种方法只适用于检测相匹配的目标物，适用性差。中国专利文献CN108493567B公开了一种基于超结构的可调太赫兹谐振腔及其用于物质分析的方法，使用时需要不断调节谐振腔的间距，从而在不同频率处构造出谐振峰，完成单个样品的检测，检测过程复杂、耗时。以上这些不足极大地限制了太赫兹超材料在太赫兹传感检测领域的应用。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题是克服上述
技术介绍
的不足，提供一种基于多特征单元的太赫兹超结构传感器及其用于物质分析的方法，该传感器及其物质分析方法能够不经过谐振频率调节，通过一次信号采集即实现对目标物的特异性灵敏检测，具有检测快速、操作方便、适用范围广等优点。
[0005]本专利技术采用了以下技术方案：
[0006]一种基于多特征单元的太赫兹超结构传感器，其特征在于：该太赫兹超结构传感器包括平板基底和在平板基底表面呈周期性阵列分布的若干个组合超结构单元；每个组合超结构单元由X个不同特征单元以固定中心间距按方形阵列排布的方式构成；周期性阵列分布的组合超结构单元通过蒸镀或刻蚀的方式添加在平板基底表面。
[0007]作为优选，所述平板基底在太赫兹频段具有较低折射率和较弱的吸收强度；所述组合超结构单元中的各个特征单元为具有亚波长特征尺寸的人工电磁介质。
[0008]作为优选，所述平板基底为石英片或高阻硅片。
[0009]所述不同特征单元，是指各特征单元的特征尺寸不同，包括宽度方向尺寸或/和长度方向尺寸。
[0010]每个组合超结构单元中的各个特征单元，按特征尺寸从小到大或从大到小规律变化的次序进行横向排列和纵向排列。
[0011]所述组合超结构单元中的各个特征单元在单独被太赫兹波激发时所产生的谐振模式相同，但谐振模式出现在不同太赫兹频率处，在太赫兹波谱中表现为统一出现谐振峰或统一出现谐振谷；而各个特征单元经组合后被太赫兹波激发时谐振模式间相对独立。
[0012]所述组合超结构单元中的各个特征单元受激产生的谐振峰或谐振谷均匀分布在一定太赫兹频段内，组合超结构单元中特征单元的数量X大于等于9；具体数量的确定可根据所采用的单个特征单元特征尺寸和所需太赫兹频段的宽度综合确定。
[0013]所述组合超结构单元中的特征单元受激产生的相邻两谐振峰或谐振谷间的频率间距小于等于谐振峰或谐振谷的半峰全宽的一半。
[0014]一种使用所述的基于多特征单元的太赫兹超结构传感器进行物质检测的方法，按以下步骤进行：
[0015]S1.测量在未添加任何物质时所述基于多特征单元的太赫兹超结构传感器的太赫兹透射脉冲信号并提取透射强度T0(f)；
[0016]S2.将待测物质添加在太赫兹超结构传感器具有组合超结构单元的表面；
[0017]S3.测量添加待测物质后所述基于多特征单元的太赫兹超结构传感器的太赫兹透射脉冲信号并提取透射强度T
s
(f)；
[0018]S4.根据公式：吸光度＝log[T0(f)/T
s
(f)]，获得待测物质的特征吸收谱，根据特征吸收谱中特征吸收峰出现的位置对待测物质进行定性分析，根据特征吸收峰强度对待测物质进行定量分析；
[0019]S5.对于因样品添加导致太赫兹透射信号频段发生平移的情况，可将透射信号频段进行修正后再进行S4步骤。
[0020]本专利技术具有的有益效果是：通过提供一种工作在太赫兹频段的新型结构组合模式，在一定太赫兹频段内构造出具有连续谐振模式的组合式超结构传感器，对待测样品进行一次信号采集(无需谐振频率调节)即可实现定性定量检测，兼具特异性和灵敏度的优势，具有检测快速、操作方便、适用范围广等特点。
附图说明
[0021]图1是本专利技术实施例的立体结构示意图(图中右侧虚线部位，是左侧基于多特征单元的太赫兹超结构传感器中的其中一个组合超结构单元B的主视放大示意图)。
[0022]图2是本专利技术实施例的工作状态示意图。
[0023]图3是三种适用于作为组合超结构单元中特征单元的图案。
[0024]图4是相同厚度的石英片和多特征单元组合成的太赫兹超结构的太赫兹透射谱。
[0025]图5是分别使用石英片和多特征单元组合成的太赫兹超结构对具有不同吸收峰的物质进行检测时的吸光度谱图。
[0026]图6是以图3中的a图为例，具有不同特征尺寸的16个特征单元单独进行太赫兹波
束照射时，各自的谐振响应频谱图。
[0027]图中：A、平板基底，B、组合超结构单元，C、太赫兹发射器，D、太赫兹探测器，E、太赫兹波束。
具体实施方式
[0028]以下结合附图所示实施例，对本专利技术作进一步说明，但本专利技术并不局限于以下实施例。
[0029]如图1所示的一种基于多特征单元的太赫兹超结构传感器，包括平板基底A 和在平板基底表面呈周期性阵列分布的若干个组合超结构单元B。
[0030]如图1、图2所示，每个组合超结构单元B由16(4
×
4排列)个不同特征单元以固定中心间距按方形阵列排布的方式构成；所述固定中心间距是指相邻特征单元中心的间距(包括横向排列的相邻特征单元中心的间距以及纵向排列的相邻特征单元中心的间距)相同；周期性阵列分布的组合超结构单元B可通过电子束蒸镀或等离子体刻蚀的方式添加在平板基底A表面。
[0031]如图1、图3所示，平板基底A可选用石英片(优选二氧化硅方片)或高阻硅片，厚度为500μm或1mm；每个组合超结构单元B中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多特征单元的太赫兹超结构传感器，其特征在于：该太赫兹超结构传感器包括平板基底和在平板基底表面呈周期性阵列分布的若干个组合超结构单元；每个组合超结构单元由X个不同特征单元以固定中心间距按方形阵列排布的方式构成；周期性阵列分布的组合超结构单元通过蒸镀或刻蚀的方式添加在平板基底表面。2.根据权利要求1所述的基于多特征单元的太赫兹超结构传感器，其特征在于：所述平板基底在太赫兹频段具有较低折射率和较弱的吸收强度，所述组合超结构单元中的各个特征单元为具有亚波长特征尺寸的人工电磁介质。3.根据权利要求2所述的基于多特征单元的太赫兹超结构传感器，其特征在于：所述平板基底为石英片或高阻硅片。4.根据权利要求3所述的基于多特征单元的太赫兹超结构传感器，其特征在于：所述不同特征单元，是指各特征单元的特征尺寸不同，包括宽度方向尺寸或/和长度方向尺寸。5.根据权利要求4所述的基于多特征单元的太赫兹超结构传感器，其特征在于：每个组合超结构单元中的各个特征单元，按特征尺寸从小到大或从大到小规律变化的次序进行横向排列和纵向排列。6.根据权利要求5所述的基于多特征单元的太赫兹超结构传感器，其特征在于：所述组合超结构单元中的各个特征单元在单独被太赫兹波激发时所产生的谐振模式相同，但谐振模式出现在不同太赫兹频率处，在太赫兹波谱中表现为统一出现谐振峰或统一出现谐振谷；而各个特征单元经组合后被太赫兹波激发时谐振模式间相对独...

【专利技术属性】
技术研发人员：王陈，陆华忠，黄宇新，徐赛，丘广俊，
申请(专利权)人：广东省农业科学院农产品公共监测中心，
类型：发明
国别省市：