[发明专利]增强指纹检测灵敏度的平板天线检测装置及其检测方法

说明书

本发明公开了一种增强指纹检测灵敏度的平板天线检测装置及其检测方法。本发明包括基底和位于基底上表面的梳状平板天线阵列结构，选取待检测目标物质其中一项特征吸收频率f₀；设计平板天线结构时将平板天线结构一阶和三阶等离子体谐振之间谷的频率f处于吸收频率f₀；将周期性矩形槽阵列的平板天线结构置于基底上表面，形成梳状平板天线阵列结构；将待检测物质加载在平板天线阵列结构中，检测并记录待检测物质在平板天线结构内的太赫兹反射谱；通过分析太赫兹反射谱的反射率判断目标物质是否存在。本发明既能保持太赫兹光谱检测的指纹识别特性，又能大幅度提高检测灵敏度，同时实现微米量级厚度目标物质的识别和测量。

技术领域

本发明涉及一种采用金属人工表面等离子体模式结构作为探测装置来实现高灵敏度太赫兹物质种类识别的定性分析方法，属于太赫兹检测应用技术领域。

背景技术

通过折射率测量可以实现物质的浓度、厚度等的定量测量，但不能实现物质种类的识别。由于绝大多数的生物分子的集体振动，分子间或分子内的转动产生谐振，其吸收特征频域位于太赫兹波段，因此可以通过对太赫兹波的吸收光谱“指纹”来实现对各种物质的种类识别，这是当前太赫兹应用中最具吸引力的地方。另外，太赫兹波具有低光子能量、弱辐射以及在绝大多数介质中透明等特点，从而使得太赫兹在安全检测及疾病诊断等具有得天独厚的优势。然而，由于绝大多数分子结构尺寸和吸收截面相比于太赫兹波长(30-3000μm)非常小，分子与太赫兹波的相互作用强度非常弱。为了获得明显的吸收效果往往需要较大体积或者较厚尺寸的样品。传统的以透射方式进行太赫兹指纹检测是将待检测物质碾压成粉末并压制成片状，结合太赫兹光谱仪系统对其进行透射谱观察。然而这种方式下常用的样品压片厚度高达几个毫米，这严重限制了太赫兹指纹检测的应用范围。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，利用人工表面等离子体结构在太赫兹波段的局域场增强效应，实现1微米量级的目标物质的识别和检测。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案包括如下步骤：

步骤1、平板天线检测装置包括基底和位于基底上表面的梳状平板天线阵列结构，设计用于检测的平板天线阵列结构；

步骤2、将待检测物质加载在平板天线阵列结构中，检测并记录待检测物质在平板天线结构内的太赫兹反射谱；

步骤3、通过分析太赫兹反射谱的反射率判断目标物质是否存在。

步骤1所述的平板天线阵列结构具体实现如下：

1-1.选取待检测目标物质其中一项特征：吸收频率f₀；

1-2.设计平板天线结构时将平板天线结构一阶和三阶等离子体谐振之间谷的频率f处于吸收频率f₀；

1-3.将周期性矩形槽阵列的平板天线结构置于基底上表面，形成梳状平板天线阵列结构；

所述基底材料为介质硅材料，优选为高阻硅材料。

所述的平板天线阵列结构，由三个周期性的矩形槽构成；该平板天线阵列结构沿X、Y方向的周期分别为P_x和P_y。入射电磁波为Z方向，入射电磁波的电场偏振方向为Y方向。其中矩形槽阵列方向为X方向，矩形槽开口方向为Y方向，以平板天线阵列结构高度方向为Z方向。L为平板天线阵列结构的长度，W为平板天线阵列结构的宽度，H为矩形槽的深度，w为矩形槽的宽度，p为矩形槽阵列的一个周期，t为平板天线阵列结构的厚度，各参数关系如下：

L＝3.5p,W＝1.2p,H＝p,w＝0.5p,P_x＝4p,P_y＝1.6p,p＝36.5μmand t＝0.3μm

步骤2所述具体实现如下：