CN114428066A - 一种基于elc谐振器和微孔的太赫兹生物传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于ELC谐振器和微孔的太赫兹生物传感器，包括传输单元和检测单元；所述传输单元包括介质基板和设于介质基板一端面上的共面波导，共面波导由中间的金属传输线和金属传输线两侧平行且间隔设置的金属接地线构成，所述介质基板和共面波导同轴开设贯穿的微孔；所述检测单元包括ELC谐振器，所述ELC谐振器设于介质基板相对共面波导的另一端面上，所述ELC谐振器为具有公共电容间隙的两回路构成的ELC谐振环，该公共电容间隙与所述微孔重合。本发明实现在共面波导上对太赫兹波的低损耗传输、局域场增强以及对生物分子检测的集成化。
Description
技术领域
本发明属于太赫兹生物传感技术领域，具体涉及一种基于ELC谐振器和微孔的太赫兹生物传感器。
背景技术
太赫兹波是频率在0.1～10THz，对应波长为30μm～3mm的电磁波，作为介于红外到微波的频段，太赫兹波具有很多优势，比如能量低、传透性好、大带宽等。尤其是很多生物大分子的旋转、平移和转换频率在太赫兹频段，具有特征的“指纹效应”，因此促进了太赫兹传感检测这一新兴技术的发展。
目前大多数太赫兹物质检测与分析都基于太赫兹时域光谱系统来实现，通过对在时域中测到的含被测样品信息的太赫兹脉冲信号进行傅里叶变换得到物质的透射或反射光谱。由于这种技术是基于物质的吸收特性，因此需要大量的样品才能获得可分辨的信号，同时光谱分辨率和空间分辨率较低,检测准确度和精确度不高，并且太赫兹在空间传输损耗较大，另外实验装置体积庞大,集成度和便携性差,在许多实际应用中实用性不高。如何增强太赫兹波与被测物间的相互作用，提高传感灵敏度，是推进太赫兹传感器实际应用的关键。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于ELC谐振器和微孔的太赫兹生物传感器，实现在共面波导上对太赫兹波的低损耗传输、局域场增强以及对生物分子检测的集成化。
为达成上述目的，本发明的解决方案为：一种基于ELC谐振器和微孔的太赫兹生物传感器，包括传输单元和检测单元；
所述传输单元包括介质基板和设于介质基板一端面上的共面波导，共面波导由中间的金属传输线和金属传输线两侧平行且间隔设置的金属接地线构成，所述介质基板和共面波导同轴开设贯穿的微孔；
所述检测单元包括ELC谐振器，所述ELC谐振器设于介质基板相对共面波导的另一端面上，所述ELC谐振器为具有公共电容间隙的两回路构成的ELC谐振环，该公共电容间隙与所述微孔重合。
进一步，所述ELC谐振器呈闭合的环形框条，环形框条内侧边连接有相对的两金属臂，两金属臂之间形成公共电容间隙，两金属臂的端部均呈“T”字型。
进一步，所述环形框条的边长为73um，所述金属臂和环形框条的宽度为8um，厚度为1.5um。
进一步，所述介质基板的长度为600um，宽度为400um,厚度为10um。
进一步，所述公共电容间隙的宽度为8um，所述微孔的直径为8um。
进一步，所述介质基板的材料为Arlon Diclad 880。
进一步，在所述介质基板两端设有与共面波导相连的输入端口和输出端口。
进一步，所述输入端口和输出端口的阻抗均为50欧姆。
进一步，所述共面波导的总长度为600um，厚度为1.5um,金属传输线的宽度为34um，金属接地线的宽度为181um，金属传输线与金属接地线间的间距为2um。
采用上述方案后，本发明的增益效果在于：
本发明将加载有ELC谐振器的共面波导与微孔结合，通过对共面波导结构设计和优化，实现太赫兹信号在共面波导上以平面波形式低损耗、高效率传输，并在ELC谐振器结构的公共电容间隙内与微孔产生局域电场增强效果，提高检测区域灵敏度。传感器的原理基于透射光谱中的谐振峰频移，当不同折射率生物分子过孔时，引起共振频率的变化，表现出较高的灵敏度，为低浓度生物分子的高灵敏度检测提供理论基础和传感手段。本发明基于ELC谐振器和微孔的太赫兹生物传感器具有检测灵敏度高、样品微量化的特点，同时该传感器具有集成度高、小型化的优点，在太赫兹传感领域有较高的应用前景。
附图说明
图1为本发明的立体结构示意图；
图2为本发明共面波导的结构示意图；
图3为本发明的ELC谐振器结构图；
图4为本发明的生物分子流动的示意图；
图5为本发明的电场分布图；
图6为本发明的透射光谱图；
标号说明：1、介质基板；11、微孔；2、共面波导；21、金属传输线；22、金属接地线；3、ELC谐振器；31、环形框条；32、金属臂；33、公共电容间隙。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明做详细的说明。
本发明提供一种基于ELC谐振器和微孔的太赫兹生物传感器，如图1和图2所示，包括传输单元和检测单元；
所述传输单元包括介质基板1和固接(具体可以是电镀)于介质基板1下端面上的共面波导2，共面波导2由中间的金属传输线21和金属传输线21两侧平行且间隔设置的金属接地线22构成，所述介质基板1和共面波导2同轴开设贯穿的微孔11；
所述检测单元包括ELC谐振器3，以介质基板1作为传感器的载体，所述ELC谐振器3固接于介质基板1的上端面上，所述ELC谐振器3为具有公共电容间隙33的两回路构成的ELC谐振环，该公共电容间隙33与所述微孔11重合。
如图3所示，所述ELC谐振环呈闭合的环形框条31，环形框条31内侧边连接有相对的两金属臂32，两金属臂32之间形成公共电容间隙33，两金属臂32的端部均呈“T”字型。
在一实施例中，本发明各部件的优选下列尺寸参数进行设计：
ELC谐振器3：所述环形框条31的边长W为73um，所述金属臂32和环形框条31的宽度d为8um，厚度为1.5um；所述公共电容间隙的宽度g为8um，所述金属臂32两侧至环形框条31的距离Lg为16um，通过对ELC谐振器33尺寸参数的调整优化，使透射参数谐振峰出现在特定频段，并增强了局域电场，提高检测区域灵敏度。
介质基板1：介质基板1材质设置为Arlon Diclad 880，其相对介电常数εr为2.2，如图2所示，介质基板1长度为600um，宽度为400um，厚度为10um。
共面波导2：金属传输线21的宽度为34um，金属接地线22的宽度为181um，金属传输线21与金属接地线22间的间隔距离为2um，共面波导2的总长度为600um，厚度为1.5um,金属材料为金。在位于介质基板1中心位置同轴钻有微孔11，微孔11的直径与公共电容间隙的宽度g同为8um。在所述介质基板1两端设有与共面波导2相连的输入端口和输出端口，输入端口和输出端口的阻抗均为50欧姆。
将平面传输线应用于太赫兹波段器件，可以有效减小太赫兹系统的体积，增加其便携性，具有重要的科学价值和实际意义。共面波导是一种高频传输线，相较于微带线电场和磁场都是散射的情况，共面波导能量主要集中于两个带隙中，有低阻抗和低色散，因此其能量损耗非常低。其次，共面波导所有接地线都在表面，容易制作，方便在介质基板上打孔，易于与其他元件连接，并且它有更小的尺寸和更高的集成度。从结构上讲，此ELC谐振器结构简单且高度对称。从性质上讲，此ELC谐振器相较于其他形状的谐振器更易实现结构小型化并有良好的谐振特性，有利于提高传感器性能。所选特定设计出的ELC谐振器有较好的局域电场增强效果，能量集中均衡而且能满足透射参数谐振峰出现在所需的太赫兹频段。
利用电磁仿真软件CST MICROWAVE STUDIO 2018对本发明生物传感器结构的太赫兹电场分布和透射特性进行仿真。如图5所示，在ELC谐振器3公共电容间隙33和微孔11附近产生局部电场增强，使感应区域的灵敏度增加。如图4所示，在微孔11上下两端分别设置溶液池，并在两个溶液池之间施加偏置电压，当电压源打开时，两个溶液池内的生物分子在微孔11中流动，使微孔11内电阻升高，引起瞬间电压变化形成脉冲信号，实现生物分子检测和表征。其中最大可达到的电场强度受结构形状的影响，特别是受到公共电容间隙大小的影响。图6表示为样品折射率变化对传感器谐振特性的影响。模拟了在微孔11中设置大小不同折射率粒子的透射光谱，如图6所示，当样品粒子直径固定为6um,折射率从1-5以1的步长增加时，谐振峰出现红移现象即向低频运动。图5为ELC谐振器3结构电场分布图(经红色过滤处理后)。
本发明的工作过程为:首先将生物传感器置于基于太赫兹矢量网络分析仪(VNA)的传感系统中，然后，矢量网络分析仪发出电磁波信号，通过倍频模块将信号提高到相应的太赫兹频段，使矢量网络分析仪能够在此波导的整个频率范围内进行测量，太赫兹波在共面波导2上进行低损耗传输，接着，ELC谐振器3被太赫兹波激励后，公共电容间隙33强烈耦合电场，驱动整个ELC谐振器3，实现局部电场增强。当生物分子通过微孔11时得到生物分子相关信息，最后将带有信息的太赫兹波通过输出端口传到矢量网络分析仪得到生物分子的传输特性。
本发明所述共面波导2的制造方法，按照以下步骤实现:选择厚度为10um,介电常数为2.2的Arlon Diclad 880材料(聚四氟乙烯，一种微波电路用材料，具有良好的高频特性，在固态材料中，其损耗和介电常数是最好的)，使用无水乙醇和丙酮对Arlon Diclad880材料进行清洗并烘干,之后将清洗烘干后的Arlon Diclad 880材料放置到磁控溅射设备的真空室中，用夹具装夹在样品架上,在磁控溅射设备的真空室开始放电后，用放电的等离子体对Arlon Diclad 880材料轰击,然后在Arlon Diclad 880材料上溅射上1.5um厚的金薄膜，沉积完成后用等离子体再对Arlon Diclad 880材料进行轰击。然后将沉积了金薄膜的Arlon Diclad 880材料放置于甩膜机上，旋涂2-4um厚的正性光刻胶,之后放置于烘胶台上烘烤再降至室温，之后放置于光刻机上,用共面波导2掩模版进行紫外光曝光后取出。紧接着将曝光后的Arlon Diclad 880材料放入正性光刻胶显影液中进行显影，待图形显示出来后从显影液中取出,用去离子水冲洗干净并烘干。将显影后的Arlon Diclad 880材料放入腐蚀液中加热至60-80℃进行腐蚀，将腐蚀出共面波导2图形的Arlon Diclad 880材料取出,用去离子水冲洗干净并烘干。最后将腐蚀出共面波导2图形的Arlon Diclad 880材料放入丙酮中,将Arlon Diclad 880表面的正性光刻胶去掉,之后用去离子水冲洗并烘干，得到共面波导2。Arlon Diclad 880是玻璃纤维/PTFE编织复合材料，具有低介电常数和高尺寸稳定性。
本发明拟采用ArF准分子激光器使用激光在介质基板1上制造微孔11。这种方法能够钻出孔径范围从100nm到几微米的可调孔径。对于本发明，激光钻孔优选的直径约为8um。
本发明拟采用微纳加工技术，在介质基板1上实现ELC谐振器3结构的制造。考虑由于基底材料电参数、金属材料导电率、加工精度和测量设备精度等带来的测量误差，并结合测试结果对本发明的传感器进行优化有望进一步提高传感器的性能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非对本案设计的限制，凡依本案的设计关键所做的等同变化，均落入本案的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于ELC谐振器和微孔的太赫兹生物传感器，其特征在于，包括传输单元和检测单元；
所述传输单元包括介质基板和设于介质基板一端面上的共面波导，共面波导由中间的金属传输线和金属传输线两侧平行且间隔设置的金属接地线构成，所述介质基板和共面波导同轴开设贯穿的微孔；
所述检测单元包括ELC谐振器，所述ELC谐振器设于介质基板相对共面波导的另一端面上，所述ELC谐振器为具有公共电容间隙的两回路构成的ELC谐振环，该公共电容间隙与所述微孔重合。
2.如权利要求1所述的一种基于ELC谐振器和微孔的太赫兹生物传感器，其特征在于：所述ELC谐振器呈闭合的环形框条，环形框条内侧边连接有相对的两金属臂，两金属臂之间形成公共电容间隙，两金属臂的端部均呈“T”字型。
3.如权利要求2所述的一种基于ELC谐振器和微孔的太赫兹生物传感器，其特征在于：所述环形框条的边长为73um，所述金属臂和环形框条的宽度为8um，厚度为1.5um。
4.如权利要求1所述的一种基于ELC谐振器和微孔的太赫兹生物传感器，其特征在于：所述介质基板的长度为600um，宽度为400um,厚度为10um。
5.如权利要求1所述的一种基于ELC谐振器和微孔的太赫兹生物传感器，其特征在于：所述公共电容间隙的宽度为8um，所述微孔的直径为8um。
6.如权利要求1所述的一种基于ELC谐振器和微孔的太赫兹生物传感器，其特征在于：所述介质基板的材料为Arlon Diclad 880。
7.如权利要求1所述的一种基于ELC谐振器和微孔的太赫兹生物传感器，其特征在于：在所述介质基板两端设有与共面波导相连的输入端口和输出端口。
8.如权利要求7所述的一种基于ELC谐振器和微孔的太赫兹生物传感器，其特征在于：所述输入端口和输出端口的阻抗均为50欧姆。
9.如权利要求1所述的一种基于ELC谐振器和微孔的太赫兹生物传感器，其特征在于：所述共面波导的总长度为600um，厚度为1.5um,金属传输线的宽度为34um，金属接地线的宽度为181um，金属传输线与金属接地线间的间距为2um。
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|---|---|
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