一种基于可调谐元件的动态太赫兹超表面传感器

本发明涉及生物传感器及太赫兹电磁波领域，尤其是涉及一种基于可调谐元件的动态太赫兹超表面传感器。

背景技术：

1、太赫兹(thz)波段在电磁波谱中位于微波和红外光之间，频率范围为0.1thz到10thz之间。它包含了大量生物分子(如蛋白质、dna等)振动相关的光谱信息，为共振提供了良好的条件。此外，与其他光学技术(如紫外线、x射线等)相比，太赫兹波有着非电离性、无标记和低光子能量等优势，使其成为检测细胞和组织等生物材料的理想技术，且不受担心热波动或其他非线性副作用的影响，受到了广大研究者的重视。然而，由于生物分子在太赫兹波段的吸收截面过小，与电磁波的相互作用较弱，一些微型生物分子(例如病毒)产生的辐射影响几乎接近透明，使得光谱信号的变化微弱，给检测带来了很大难度。

2、为了提高生物传感器的检测灵敏度并扩大其检测范围，基于超表面的太赫兹检测技术已相继被开发。超材料和超表面是太赫兹技术中应用最广泛的提高探测灵敏度的方法，它通过人工设计的亚波长单元结构的周期性排列来增强电磁场的共振。太赫兹超表面器件的单或多共振频率主要取决于单元结构的独特几何形状和衬底折射率，该共振频率可能会由于样品沉积而发生红移或蓝移。超材料结构中局域增强的电场可以有效增加分子吸收截面，大幅度地提高生物检测的灵敏度。但是，传统的太赫兹超表面生物传感器一经加工，工作性质便已经确定，无法通过外界因素进行调谐，导致功能单一，无法适用于不同场景。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于可调谐元件的动态太赫兹超表面传感器，通过对超表面结构和材料的独特设计，利用太赫兹超表面的共振特性极大地增强了生物传感的灵敏度，并利用可调谐元件实现对传感的动态控制。。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、一种基于可调谐元件的动态太赫兹超表面传感器，包括周期性排列的多个单元结构，各所述单元结构包括电介质衬底以及设置于所述电介质衬底上的裂环谐振器，在所述裂环谐振器的间隙处设置有可调谐元件以实现开口的闭合或开启，该可调谐元件基于外界激励条件的变化自动实现不同状态的反复切换，进而改变整个传感器的谐振模式。

4、进一步地，多个所述单元结构沿电场和磁场方向周期性排列，周期长度为λ/10～λ，λ为太赫兹电磁波波长。

5、进一步地，所述电介质衬底的材料为绝缘体，例如二氧化硅、硅或氧化铝等。

6、进一步地，所述裂环谐振器为可导电金属谐振器。

7、进一步地，所述裂环谐振器的材料包括金、银、铜或铝等。

8、进一步地，所述裂环谐振器的间隙为微米级至纳米级尺寸的间隙。

9、进一步地，所述裂环谐振器的间隙尺寸为λ/10000～λ/30，λ为太赫兹电磁波波长。

10、进一步地，所述裂环谐振器为多开口结构。

11、进一步地，所述裂环谐振器为的开口数量≥3。

12、进一步地，所述可调谐元件包括相变材料元件、二维材料元件或mems元件。

13、进一步地，所述相变材料包括vo2、v2o3或gst等。

14、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

15、1、本发明所提出的基于可调谐元件的动态太赫兹超表面传感器首次将太赫兹超表面生物传感器与可调谐元件相结合，通过引入可调谐元件的方式，充分利用可调谐元件的调谐特性来实现超表面生物传感器的可调性和功能多样化。本发明通过独特的谐振环结构，使超表面传感器产生了巨大的场增强从而具有很高的灵敏度，间隙处的可调谐元件凭借其良好的相变特性保证了传感器的可调性。改变外界温度、电压或光照条件，在可调谐元件和超表面结构相互作用下，该生物传感器分别产生了两条谐振曲线，且两条谐振曲线均在目标太赫兹(示例为1thz)处产生了谐振峰，分别有很强的传输和反射来实现不同的功能，且可调谐元件的这种随温度、电压或光照发生的相变过程是可逆的。因此本发明中的超表面生物传感器可以通过改变外界激励条件来反复切换探测功能，在提升传感灵敏度的同时赋予了超表面生物传感器多样化的功能和灵活的调谐特性，有效改善超表面传感器调谐功能。

16、2、在产生谐振时，间隙处聚集的电场强度是衡量传感器性能的重要条件，一般来说，其他条件相同时，间隙处聚集的场强越大，传感器性能越好。由于超表面谐振器的间隙尺寸与传感灵敏度关系在一定范围内呈现负相关的关系，当传感器间隙不断缩小至纳米级别时，在间隙处会引起巨大的场增强，同时能够轻松捕获到同量级大小的微型生物分子，大大提升了超表面生物传感器的灵敏度，并将检测对象延伸到纳米量级的生物分子。本发明实现纳米间隙超表面结构，基于纳米量级的间隙尺寸展现出明显的优势，确保了较高的灵敏度。

技术特征：

1.一种基于可调谐元件的动态太赫兹超表面传感器，其特征在于，包括周期性排列的多个单元结构，各所述单元结构包括电介质衬底以及设置于所述电介质衬底上的裂环谐振器，在所述裂环谐振器的间隙处设置有可调谐元件以实现开口的闭合或开启，该可调谐元件基于外界激励条件的变化自动实现不同状态的反复切换，进而改变整个传感器的谐振模式。

2.根据权利要求1所述的基于可调谐元件的动态太赫兹超表面传感器，其特征在于，多个所述单元结构沿电场和磁场方向周期性排列，周期长度为λ/10～λ，λ为太赫兹电磁波波长。

3.根据权利要求1所述的基于可调谐元件的动态太赫兹超表面传感器，其特征在于，所述电介质衬底的材料包括二氧化硅、硅或氧化铝。

4.根据权利要求1所述的基于可调谐元件的动态太赫兹超表面传感器，其特征在于，所述裂环谐振器为可导电金属谐振器。

5.根据权利要求4所述的基于可调谐元件的动态太赫兹超表面传感器，其特征在于，所述裂环谐振器的材料包括金、银、铜或铝。

6.根据权利要求1所述的基于可调谐元件的动态太赫兹超表面传感器，其特征在于，所述裂环谐振器的间隙为微米级至纳米级尺寸的间隙。

7.根据权利要求6所述的基于可调谐元件的动态太赫兹超表面传感器，其特征在于，所述裂环谐振器的间隙尺寸为λ/10000～λ/30，λ为太赫兹电磁波波长。

8.根据权利要求1所述的基于可调谐元件的动态太赫兹超表面传感器，其特征在于，所述裂环谐振器为多开口结构。

9.根据权利要求1所述的基于可调谐元件的动态太赫兹超表面传感器，其特征在于，所述可调谐元件包括相变材料元件、二维材料元件或mems元件。

10.根据权利要求9所述的基于可调谐元件的动态太赫兹超表面传感器，其特征在于，所述相变材料包括vo2、v2o3或gst。

技术总结
本发明涉及一种基于可调谐元件的动态太赫兹超表面传感器，包括周期性排列的单元结构阵列，各所述单元结构包括电介质衬底以及设置于所述电介质衬底上的裂环谐振器，在所述裂环谐振器的间隙处设置有可调谐元件以实现开口的闭合或开启，该可调谐元件基于外界激励条件的变化自动实现不同状态的快速反复切换，进而改变整个传感器的谐振模式。与现有技术相比，本发明具有提升传感灵敏度的同时赋予了超表面生物传感器多样化的功能和灵活的调谐特性等优点。

技术研发人员：杨丰瑗,陈俞梓,王倩,王楠,毛金贤
受保护的技术使用者：上海大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/22