一种高灵敏度悬浮太赫兹超材料传感器及其应用

本发明属于太赫兹传感器，具体是涉及到一种高灵敏度悬浮太赫兹超材料传感器及其应用。

背景技术：

1、太赫兹波是一种介于微波/毫米波与红外辐射之间的电磁波，其频率范围一般认为是在0.1-10thz，对应的波长为3mm-30μm。目前太赫兹技术已经成为了研究的热点，主要原因是太赫兹波具有光子能量低、穿透性强、脉冲时间短以及许多物质的指纹谱的独特性质。然而，大多数天然材料在太赫兹波段没有电磁响应，太赫兹器件存在着体积大、重量高、功能不完善等缺点，因此引入超材料结构与太赫兹技术相结合成为了太赫兹器件新的发展方向。

2、超材料是一种亚波长微结构单元的电磁结构，其尺寸尺度小于外部刺激的波长，具有自然界中不存在的特性；由于超材料对其周围介电环境的微小变化十分敏感，当周围介电环境发生变化，使得超材料结构的太赫兹波段谐振峰发生频移，这种现象促使了太赫兹超材料传感器的发展。

3、公开号为cn112014350b的中国专利公开了一种反射式太赫兹可调折射率传感器，通过加电来改变石墨烯的化学势，达到对石墨烯介电常数和电导率的调节，从而达到折射率传感器多谐振点切换的功能，其制备工艺相对复杂。

4、公开号为cn118258788a的中国专利申请公开了一种可调谐石墨烯超材料三频太赫兹折射率传感器，最高传感灵敏度可达1.38thz/riu，虽然传感器灵敏度高，但是石墨烯基底传感器的重复性和一致性难以保证，进而直接影响传感器的性能和可靠性。

5、公开号为cn215894384u的中国实用新型专利公开了一种基于太赫兹超材料的高灵敏度传感器，该传感器从底部向上依次包括石英衬底层、su-8光刻胶层、金属超材料层；所述su-8光刻胶层和金属超材料层周期性排列在所述石英衬底层上，金属超材料层的镂空图案为一个带交叉凹口的环形。当处于不同折射率环境时，透射谐振峰会产生漂移，以实现折射率传感，传感器的折射率灵敏度达到0.668thz/riu，虽然灵敏度有所提高，但在生物检测领域应用需要进一步提高其检测的灵敏度。

6、通常超材料传感器基底的固定折射率会影响传感器整体折射率灵敏度，底层基底对太赫兹超材料传感器传感能力的影响，已经成为近年来太赫兹传感器研究中需要解决的重要问题。因此，设计一种易于加工、尺寸小、成本低、高灵敏度的太赫兹超材料传感器具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是提供一种高灵敏度悬浮太赫兹超材料传感器及其应用，其结构简单，成本低，尺寸小，易于加工，能够提高太赫兹超材料传感器的灵敏度。

2、本发明的内容包括：一种高灵敏度悬浮太赫兹超材料传感器，包括n×m个周期性排列的单元结构，所述n，m为大于0的自然数，所述单元结构包括基底、介质支撑层以及设置在介质支撑层上的金属层；所述介质支撑层和金属层都为“v”字图形，所述“v”字图形为两个，口对口对称排列；所述“v”字图形的线宽为4-8μm，优选线宽为6μm，“v”字图形的两边线长为30-45μm，优选两边线长为40μm，“v”字图形的夹角角度为30°-50°，优选夹角角度为40°；“v”字图形的底部宽度为8-10μm，优选底部宽度为9μm；“v”字图形之间的间隔为4-8μm，优选间隔为6μm；所述介质支撑层为光刻胶，折射率为1.50-1.60，优选折射率为1.56；所述介质支撑层的厚度和所述金属层的厚度比为70-80:1，优选厚度比为75:1。

3、进一步的，所述基底的材料为砷化镓。

4、进一步的，所述基底的厚度为15μm，所述基底为矩形，边长分别为55μm和120μm。

5、进一步的，所述金属层的材料为金。

6、进一步的，所述n×m≥100。

7、本发明的另一目的，提供一种上述传感器的应用，所述高灵敏度悬浮太赫兹超材料传感器应用于生物医学检测领域。

8、本发明的有益效果：

9、(1)本发明的悬浮太赫兹超材料传感器，通过探索“v”字图形排列方式，“v”字图形的线宽、两边线长、夹角、底部宽度、图形之间的间隔，以及各层的材料、厚度比等数据，获得灵敏度极高的传感器，灵敏度达到828ghz/riu，远高于其它同类型的传感器；

10、(2)本发明单元结构的金属层为对称“v”字型结构，在电磁波的激发下，对称“v”字金属臂表面产生反向流动的表面电流，并沿金属臂振荡，是典型的偶极子谐振，在频率为1.964thz附近产生了一个谐振峰；

11、(3)本发明的悬浮太赫兹超材料传感器的基底材料采用砷化镓，其固定折射率对传感器整体折射率影响小，进而有利于进一步提高传感器的灵敏度；

12、(4)本发明的悬浮太赫兹超材料传感器采用现有成熟的光刻工艺，精度高、效率高，无需复杂的半导体工艺或深紫外光刻昂贵仪器，将大幅度降低制作难度和对仪器设备的要求，可以实现本项目传感器能大批量生产。

技术特征：

1.一种高灵敏度悬浮太赫兹超材料传感器，其特征是，包括n×m个周期性排列的单元结构，所述n，m为大于0的自然数，所述单元结构包括基底(1)、介质支撑层(2)以及设置在介质支撑层上的金属层(3)；所述介质支撑层(2)和金属层(3)都为“v”字图形，所述“v”字图形为两个，口对口对称排列；所述“v”字图形的线宽为4-8μm，“v”字图形的两边线长为30-45μm，“v”字图形的夹角角度为30°-50°，“v”字图形的底部宽度为8-10μm；“v”字图形之间的间隔为4-8μm；所述介质支撑层(2)为光刻胶，折射率为1.50-1.60，所述介质支撑层(2)的厚度和所述金属层(3)的厚度比为70-80:1。

2.如权利要求1所述的传感器，其特征是，所述基底(1)的材料为砷化镓。

3.如权利要求1所述的传感器，其特征是，所述基底(1)的厚度为15μm，所述基底(1)为矩形，边长分别为55μm和120μm。

4.如权利要求1所述的传感器，其特征是，所述介质支撑层(2)的折射率为1.56，所述介质支撑层(2)的厚度和所述金属层(3)的厚度比为75:1。

5.如权利要求1所述的传感器，其特征是，所述金属层(3)的材料为金。

6.如权利要求1所述的传感器，其特征是，所述“v”字图形的线宽为6μm，“v”字图形的两边线长为40μm。

7.如权利要求1所述的传感器，其特征是，所述“v”字图形的夹角角度为40°。

8.如权利要求1所述的传感器，其特征是，所述“v”字图形的底部宽度为9μm，“v”字图形之间的间隔为6μm。

9.如权利要求1-8任一项所述的传感器，其特征是，所述n×m≥100。

10.一种如权利要求1-9任一项所述的传感器的应用，其特征是，所述高灵敏度悬浮太赫兹超材料传感器应用于生物医学检测领域。

技术总结本发明公开了一种高灵敏度悬浮太赫兹超材料传感器及其应用，包括N×M个周期性排列的单元结构，所述单元结构包括基底、介质支撑层以及设置在介质支撑层上的金属层；所述介质支撑层和金属层都为“V”字图形，所述“V”字图形为两个，口对口对称排列；所述“V”字图形的线宽为4‑8μm，两边线长为30‑45μm，夹角角度为35°‑45°，底部宽度为8‑10μm；“V”字图形之间的间隔为4‑8μm；所述介质支撑层为光刻胶，折射率为1.50‑1.60，介质支撑层的厚度和金属层的厚度比为70‑80:1；本发明的传感器结构简单，成本低，尺寸小，易于加工，传感器的灵敏度高，应用于生物医学检测领域。技术研发人员：董健,刘文涛,罗衡,王蒙,肖程望受保护的技术使用者：中南大学技术研发日：技术公布日：2024/11/14