一种基于太赫兹超材料的高灵敏度传感器的制作方法

1.本实用新型涉及一种基于太赫兹超材料的高灵敏度传感器,属于太赫兹传感领域。


背景技术：

2.太赫兹波是指频率在0.1～30thz范围内的电磁波，介于微波与红外波之间。其低光子能量、强穿透力、生物分子指纹谱特性等独特性质在物质检测、生物医学等方面受到了广泛关注。超材料是一种由周期性排列的亚波长器件组成的可人工设计的电磁材料，它通过改变单元结构的几何形状和方向来改变其电磁特性，为设计各种人工电磁器件提供了更多可能性,不仅可以减小光学元件的体积，还可以实现许多有趣的特性，例如人工磁性、负折射率、电磁感应透明等。由于超材料对周围环境的介电特性的改变很敏感，当外界环境介电特性发生改变时，太赫兹波通过超材料后的谐振特性也会随之发生改变，因此通过测量改变的数值，可以实现对超材料周围物质的传感检测和鉴别。
3.随着太赫兹超材料传感器的不断创新与进步，国内外研究人员围绕着超材料传感器的各个方面，如何有效地提高了传感器灵敏度是目前超材料传感器发展面临的难题之一。目前常见的太赫兹超材料传感器的灵敏度普遍较低，难以满足化学、生物灵敏检测等需求。如2021年7月20公开的公开号为cn113138176a的发明专利提出了“一种太赫兹超材料传感器及其应用”，其传感器单元结构包括柔性基底与设置在柔性基底上的非对称开口环结构，用于对乳制品中抗生素的残留检测，但是它仍然存在灵敏度较低的问题，因此设计一种具有高灵敏度的新型结构太赫兹超材料传感器具有很大的意义。


技术实现要素：

4.为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：所述一种基于太赫兹超材料的高灵敏度传感器，其特征在于：从底部向上依次包括石英衬底层(1)、su-8光刻胶层(2)、金属超材料层(3)；所述su-8光刻胶层(2)和金属超材料层(3)周期性排列在所述石英衬底层(1)上；当处于不同折射率环境时，透射谐振峰会产生漂移，以此实现折射率传感。
5.本实用新型所述的一种基于太赫兹超材料的高灵敏度传感器，其特征在于：太赫兹超材料传感器的单元结构周期为80μm，所述石英衬底层(1)的相对介电常数为4.41，所述su-8光刻胶层(2)的介电常数为2.723，所述金属超材料层(3)的材料为铝，其电导率为3.56
×
107s/m。
6.本实用新型所述的一种基于太赫兹超材料的高灵敏度传感器，其特征在于：所述石英衬底层(1)厚度为1000μm；所述su-8光刻胶层(2)为中层交叉圆环，其厚度为30μm；所述金属超材料层(3)厚度为200nm，圆环外半径为37μm，内半径为29μm，环交叉宽度为8μm，中心点宽度为15μm。
7.本实用新型所述的一种基于太赫兹超材料的高灵敏度传感器，其特征在于：该传感器的工作频率在0.4-1.6thz，并且传感器的折射率灵敏度达到0.668thz/riu，实现太赫
兹波段内的高灵敏传感。
8.本实用新型提出的一种基于太赫兹超材料的高灵敏度传感器，具有以下优点：
9.1.所述一种基于太赫兹超材料的高灵敏度传感器，可以达到0.668thz/riu的折射率灵敏度，远高于其他同类型传感器。
10.2.所述一种基于太赫兹超材料的高灵敏度传感器，采用石英、su-8光刻胶、金属铝三种常见材料，具有结构简单、制作成本低的优点。
11.3.所述一种基于太赫兹超材料的高灵敏度传感器，su-8光刻胶作为中层材料，具有良好的力学性、抗化学腐蚀、热稳定性的优点。
12.4.所述一种基于太赫兹超材料的高灵敏度传感器，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，这些都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，与相关企业进行合作逐步推向市场。
附图说明
13.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
14.图1为本实用新型的单元结构尺寸示意图；
15.图2为本实用新型的周期排列示意图；
16.图3为本实用新型的周期排列侧视图；
17.图4为在0.4thz-1.6thz频率范围内不同折射率下的透射系数仿真图；
18.图5为透射系数谐振频率与外界折射率关系图；
具体实施方式
19.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
20.为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
21.本实用新型提供一种基于太赫兹超材料的高灵敏度传感器。
22.如图1所示，为传感器单元结构尺寸示意图，石英衬底层1的周期长度l为80μm，厚度h为1000μm，su-8光刻胶层2的中层交叉圆环的厚度h为30μm，金属超材料层3的厚度t为200nm，圆环外半径r1为37μm，内半径r2为29μm，环交叉宽度w为8μm，中心点宽度b为15μm。
23.如图2-3所示，为单元结构的周期排列示意图，每个单元结构紧密排列。
24.图4-5为本实用新型的透射系数图和数据拟合图，如图4所示为该传感器在不同折射率下的透射系数，其谐振峰发生偏移；如图5所示为该传感器的谐振频率和折射率线性拟合图，拟合优度达到0.97788,折射率灵敏度高达0.668thz/riu。
25.以上所述的实施例仅是对本实用新型的优选方式进行描述，并非对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本实用新型权利要求书确定的保护范围内。


技术特征：
1.一种基于太赫兹超材料的高灵敏度传感器，其特征在于：从底部向上依次包括石英衬底层(1)、su-8光刻胶层(2)、金属超材料层(3)；所述su-8光刻胶层(2)和金属超材料层(3)周期性排列在所述石英衬底层(1)上；当处于不同折射率环境时，透射谐振峰会产生漂移，以此实现折射率传感。2.根据权利要求1所述的一种基于太赫兹超材料的高灵敏度传感器，其特征在于：太赫兹超材料传感器的单元结构周期为80μm，所述石英衬底层(1)的相对介电常数为4.41，所述su-8光刻胶层(2)的介电常数为2.723，所述金属超材料层(3)的材料为铝，其电导率为3.56
×
107s/m。3.根据权利要求1所述的一种基于太赫兹超材料的高灵敏度传感器，其特征在于：所述石英衬底层(1)厚度为1000μm；所述su-8光刻胶层(2)为中层交叉圆环，其厚度为30μm；所述金属超材料层(3)厚度为200nm，圆环外半径为37μm，内半径为29μm，环交叉宽度为8μm，中心点宽度为15μm。4.根据权利要求1所述的一种基于太赫兹超材料的高灵敏度传感器，其特征在于：该传感器的工作频率在0.4-1.6thz，并且传感器的折射率灵敏度达到0.668thz/riu，实现太赫兹波段内的高灵敏传感。

技术总结
本实用新型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。本实用新型可以实现折射率传感，具有高灵敏度，并且结构简单，容易加工。容易加工。容易加工。


技术研发人员：宁俭华 郎婷婷 余振宇 姜蓬波 刘宇秋 孔文霞
受保护的技术使用者：中国计量大学
技术研发日：2021.09.24
技术公布日：2022/2/22