一种基于石英衬底的金属超构表面双参数传感芯片制造技术

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。折射率的同时测量。折射率的同时测量。

【技术实现步骤摘要】
一种基于石英衬底的金属超构表面双参数传感芯片


[0001]本技术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


技术介绍

[0002]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。
[0003]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
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TCF
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MMF结构，光谱仪。利用镀有金膜的MMF
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TCF
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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。
[0004]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。

技术实现思路

[0005]本技术创新的设计一种金属超构表面双参数传感芯片，在0.3
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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。
[0006]为了完成上述目的，本技术提供了如下方案：
[0007]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。
[0008]本技术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。
[0009]本技术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。
[0010]与现有技术相比，本技术的特色与优势在于：
[0011]本技术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。
[0012]本技术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。
[0013]本技术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
[0014]图1是双参数传感芯片的示意图。
[0015]图2是双参数传感芯片的结构参数图。
[0016]图3是双参数传感芯片的透射光谱。
[0017]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。
[0018]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。
[0019]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。
[0020]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。
[0021]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
[0022]下面结合附图和具体实例，进一步阐述说明本技术。
[0023]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)。
[0024]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。
[0025]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。
[0026]下面以折射率和温度两个外界参数为例，说明本技术提出的双参数传感芯片的工作原理。
[0027]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：
[0028][0029]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：
[0030][0031]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K
n，1
、K
n，2
和温度灵敏度K本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：何美璇，郎婷婷，张锦晖，曹鹏帅，冯诗敏，覃海天，王辰波，魏虹莹，张欢城，张棋，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：新型
国别省市：