[发明专利]太赫兹传感器及其使用方法

说明书

本发明公开了一种太赫兹传感器，其包括多个谐振单元排布的周期阵列，任一谐振单元包括从上到下依次叠置的金属谐振层、介质层和金属反射层，其中，所述金属谐振层包括同圆心的外圆环和内圆环，所述外圆环上设有第一开口，所述内圆环上设有第二开口，所述第一开口和所述第二开口沿径向连通。本发明是一种基于双开口金属环的太赫兹超材料传感器，可增强局域电磁场强度、增加太赫兹波与样品之间的相互作用，在对生物样品进行无标记检测时，本发明的太赫兹传感器结构具有完美吸收峰、Q值及灵敏度较高、谐振频率可调等优良性能指标。

技术领域

本发明涉及太赫兹检测技术领域。更具体地说，本发明涉及一种太赫兹传感器及其使用方法。

背景技术

太赫兹(Terahertz,THz)波是比微波频率高、比可见光频段低的一段电磁波，介于0.1～10THz(1THz＝10¹²Hz)频率范围内，波长为3～0.03mm。许多生物大分子的振动频率在太赫兹波段，其独特的指纹谱在识别在探测方面具有较强的优势。太赫兹波能够穿透许多非极性材料，探测物质内部信息，并且太赫兹波的光子能量仅有X射线的百万分之一，不会损伤被测物质的内部组成成分，可进行无损检测。目前，太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术在中草药、毒品、添加剂等鉴别方面取得一定的研究成果，成为物质分类识别的主要手段，得到广泛的应用。针对系统或环境等因素造成的光谱数据噪声大、信号弱等问题，许多学者通过机器学习、深度学习等方法建立模型进行定性定量分析，但对微量生物样品的检测及相似指纹谱之间的识别仍具有一定的挑战性。

随着微纳加工技术的发展，超材料(Metamaterial,MMs)的出现在一定程度上弥补了太赫兹时域光谱技术的硬性问题。超材料是一种人工设计的由周期性亚波长单元结构构成的电磁复合材料，具备天然材料不能实现的特殊物理性质，如负折射率、逆多普勒效应。太赫兹超材料生物传感器是一种无标记亲和型传感器，能够增强局域电磁场强度，并且对周围环境的介电常数变化极其敏感，为微量生物样品检测提供一种新思路。

现有的太赫兹传感器在光谱检测技术中普通存在检测灵敏度不高的问题。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。

本发明还有一个目的是提供一种太赫兹传感器机器使用方法，其克服了传统光谱检测方法检测灵敏度不高的技术问题，实现了微量或痕量生物样品的检测。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种太赫兹传感器，其包括多个谐振单元排布的周期阵列，任一谐振单元包括从上到下依次叠置的金属谐振层、介质层和金属反射层，其中，所述金属谐振层包括同圆心的外圆环和内圆环，所述外圆环上设有第一开口，所述内圆环上设有第二开口，所述第一开口和所述第二开口沿径向连通。

优选的是，所述的太赫兹传感器，所述介质层和所述金属反射层均为立方体结构，所述介质层和所述金属反射层的水平方向的截面为尺寸一致的正方形结构；所述介质层、所述金属反射层的水平方向的截面的中心均与所述内圆环的圆心重合。

优选的是，所述的太赫兹传感器，所述外圆环和所述内圆环竖直方向的厚度t均为0.2μm；所述外圆环的直径r₁为18～35μm，宽度w₁为1～4μm，第一开口的宽度g₁为1～10μm；所述内圆环的直径r₂为8～15μm，宽度w₂为1～4μm，第二开口的宽度g₂为1～10μm；

所述介质层和所述金属反射层的水平方向截面的正方形结构的边长为70～200μm；所述介质层的厚度h为10～50μm，所述金属反射层的厚度t₁为0.5μm。