一种太赫兹超材料传感器

本发明属于太赫兹传感应用领域，更具体地，涉及一种太赫兹超材料传感器。

背景技术：

1、太赫兹波是频率在0.1-10thz范围内的电磁波，介于微波与红外之间。由于太赫兹波具有光子能量低、带宽大以及指纹谱识别能力，其在传感领域已经显示出独特的优势。但太赫兹波和自然材料的相互作用较弱，使得太赫兹传感器在检测微量物质时灵敏度较低，因而需借助新型的材料提高太赫兹传感器的灵敏度。金属超材料是一种人工设计与制备而成的亚波长周期性金属单元结构，能够将强电场局限在较小的空间区域，通过太赫兹波和物质(分析物)间的强相互作用引起谐振频率的变化，从而实现传感功能。基于超材料谐振结构的太赫兹传感器具有无需标记和放大、非破坏性、快速、特异性和高灵敏度的特点，可应用于生化分析物和薄膜的无损检测以及农业和食品安全等领域。

2、在太赫兹超材料传感器的金属表面放置不同的待测分析物后，传感器的谐振频率会发生不同程度的偏移，因此可通过结构的频率移动量反演计算出分析物的折射率或厚度等物理参数。目前，基于非对称双开口谐振环结构((asymmetric double split ringresonator,adsrr)的传感器谐振时的强电场主要集中在开口两侧的金属边缘，与分析物之间的有效强相互作用区域有限，灵敏度需要进一步提高。

3、因此，现有技术中的太赫兹超材料传感器存在微量物质传感时灵敏度低、品质因素(quality factor,q-factor)低等缺点。

技术实现思路

1、针对相关技术的缺陷，本发明的目的在于一种太赫兹超材料传感器，旨在解决现有技术中的太赫兹超材料传感器存在微量物质传感时灵敏度低、品质因素低的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种太赫兹超材料传感器，包括：介质基底，以及阵列排布在所述介质基底上的金属谐振单元；

3、所述金属谐振单元包括嵌套设置的第一u形金属结构和第二u形金属结构，两个u形金属结构的开口方向相反。

4、可选的，所述介质基底的材料为熔融石英、高阻硅、聚酰亚胺、聚甲基戊烷、聚乙烯或聚四氟乙烯；所述介质基底的相对介电常数的范围为1-20。

5、可选的，所述介质基底的厚度范围为0.1～2毫米。

6、可选的，所述金属谐振单元的材料为金、银、铜、铝、镍、铬或钛。

7、可选的，所述金属谐振单元的厚度为50～500纳米。

8、可选的，每个u形金属结构均包括一条底边和两条侧边，两个u形金属结构的侧边之间相互平行，底边之间相互平行；所述第一u形金属结构的两条侧边与所述第二u形结构的两条侧边的水平间距g1的范围为0.1～10微米。

9、可选的，所述第一u形金属结构的底边a1的范围为10～100微米，侧边b1的范围为10～100微米，线宽w1的范围为0.1～10微米。

10、可选的，所述第二u形金属结构的底边a2的范围为10～100微米，侧边b2的范围为10～100微米，线宽w2的范围为0.1～10微米。

11、可选的，所述第二u形金属结构的侧边与所述第一u形金属结构的底边的垂直距离g2的范围为0.1～10微米。

12、通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

13、1、本发明实施例提供了一种太赫兹超材料传感器，排布在介质基底上的金属谐振单元包括两个嵌套设置的u形金属结构，与传统的非对称双开口金属谐振环结构(adsrr)相比，嵌套双u形结构由于相互嵌套，两个u形金属结构的侧边之间相互作用，能够极大的增加谐振时强电场的横向区域面积，从而增强与分析物作用时的有效体积。在金属谐振单元的表面放置不同参数的待测分析物时，太赫兹波与不同待测分析物之间的强相互作用引起谐振频率发生不同程度的偏移，通过频率移动量反演计算出待测分析物的参数，例如待测分析物的折射率或厚度等物理参数。数值仿真和实验测量结果均表明，在覆盖相同分析物时，嵌套双u形结构的频移量大于adsrr结构的频移量，在微量物质检测时具有高灵敏度；同时，嵌套双u形结构的谐振模式为fano谐振，该谐振模式由结构的非对称性引起，具有高q值的特性。

14、2、本发明实施例提供了一种太赫兹超材料传感器，金属谐振单元中的嵌套双u谐振结构的图形简单，便于通过光刻和金属沉积工艺进行制备，易于大规模制造，成本低，制作周期短，在生化物质和薄膜材料的高灵敏度传感和无损检测领域具有广泛的应用前景。

技术特征：

1.一种太赫兹超材料传感器，其特征在于，包括：介质基底，以及阵列排布在所述介质基底上的金属谐振单元；

2.如权利要求1所述的太赫兹超材料传感器，其特征在于，所述介质基底的材料为熔融石英、高阻硅、聚酰亚胺、聚甲基戊烷、聚乙烯或聚四氟乙烯；所述介质基底的相对介电常数的范围为1-20。

3.如权利要求2所述的太赫兹超材料传感器，其特征在于，所述介质基底的厚度范围为0.1～2毫米。

4.如权利要求1所述的太赫兹超材料传感器，其特征在于，所述金属谐振单元的材料为金、银、铜、铝、镍、铬或钛。

5.如权利要求1所述的太赫兹超材料传感器，其特征在于，所述金属谐振单元的厚度为50～500纳米。

6.如权利要求1所述的太赫兹超材料传感器，其特征在于，每个u形金属结构均包括一条底边和两条侧边，两个u形金属结构的侧边之间相互平行，底边之间相互平行；所述第一u形金属结构的两条侧边与所述第二u形结构的两条侧边的水平间距g1的范围为0.1～10微米。

7.如权利要求1所述的太赫兹超材料传感器，其特征在于，所述第一u形金属结构的底边a1的范围为10～100微米，侧边b1的范围为10～100微米，线宽w1的范围为0.1～10微米。

8.如权利要求1所述的太赫兹超材料传感器，其特征在于，所述第二u形金属结构的底边a2的范围为10～100微米，侧边b2的范围为10～100微米，线宽w2的范围为0.1～10微米。

9.如权利要求6所述的太赫兹超材料传感器，其特征在于，所述第二u形金属结构的侧边与所述第一u形金属结构的底边的垂直距离g2的范围为0.1～10微米。

技术总结
本发明公开了一种太赫兹超材料传感器。太赫兹超材料传感器包括：介质基底，以及阵列排布在介质基底上的金属谐振单元；金属谐振单元包括两个嵌套设置的U形金属结构，第一U形金属结构和第二U形金属结构开口方向相反。金属谐振单元的表面放置待测分析物，太赫兹波与待测分析物相互作用产生谐振频率的偏移，从而反演计算得到待测分析物的折射率或厚度。解决现有技术中的太赫兹超材料传感器存在微量物质传感时灵敏度低、品质因素低的问题，实现了传感器在薄分析物下的高灵敏度和高Q值的特性。

技术研发人员：曹磊,贾姗姗
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/6