一种基于温度不敏感的太赫兹波超材料的生物传感装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种基于温度不敏感的太赫兹波超材料的生物传感装置，包括：太赫兹源、准直系统、斩波器、迈克尔逊干涉系统、太赫兹传感系统和探测系统；其中太赫兹传感系统，具体包括自下而上依次设置的衬底层、超材料层；衬底层为0.65CaTiO

【技术实现步骤摘要】
一种基于温度不敏感的太赫兹波超材料的生物传感装置
本专利技术涉及生物检测领域，尤其涉及一种基于温度不敏感的太赫兹波超材料的生物传感装置。
技术介绍
随着太赫兹辐射产生和探测技术的发展，太赫兹波在传感检测方面的应用引起了极大的关注。太赫兹传感器在机场安检系统、材料检测、空间信号探测、航天航空和工农业生产等众多领域都有着广泛地应用。由于太赫兹PIT(等离子体诱导透明)结构具有窄的带宽和高Q值，因此基于超材料的太赫兹波传感器具有体积小、谐振特性、灵敏度高以及易于调节的优点，并得到实际广泛地研究。然而在实际应用中器件的工作温度以及基底材料的介电性能对调制器的调制特性存在很大的影响。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提供了一种基于温度不敏感的太赫兹波超材料的生物传感装置，基于0.65CaTiO3-0.35NdAlO3陶瓷的工作于太赫兹波段的太赫兹超材料进行研究，获得近零谐振频率温度系数的太赫兹生物组织传感装置。其目的在于，解决现有太赫兹波单谱传感器中存在的温度影响大、灵敏度低、光谱探测波长不能动态调谐等的技术问题。另外由于石墨烯本身为单分子层，能够和黏附在其表面的生物分子产生强烈的相互耦合作用，本专利石墨烯超材料直接和生物传感装置相连，致使太赫兹PIT的透明窗口可以利用外加电压的方式实现动态可调，因此石墨烯等离子体诱导透明结构在无标记生物传感上有大的应用空间。一种基于温度不敏感的太赫兹波超材料的生物传感装置，包括：太赫兹源、准直系统、斩波器、迈克尔逊干涉系统、太赫兹传感系统和探测系统；斩波器设置在准直系统和迈克尔逊干涉系统之间的光路上；所述太赫兹传感系统包括自下而上依次设置的衬底层、超材料层；其中，衬底层为0.65CaTiO3-0.35NdAlO3介电陶瓷，超材料层包括具有周期性微纳米结构的太赫兹PIT结构阵列和两个电极；两个电极分别位于超材料层的两侧，且两电极之间连接有可变电压源，用于提供电压；所述太赫兹PIT结构阵列包括多个石墨烯PIT单元；相邻两列石墨烯PIT单元连接到不同的电极；通过外加电压的改变，可以改变石墨烯内部载流子的浓度，从而可以在太赫兹传感装置中实现对生物样品的透明窗口进行动态调制；太赫兹源产生的太赫兹波经过准直系统准直后进入斩波器，斩波器将接收的太赫兹波周期性的送入迈克尔逊干涉系统，经迈克尔干涉系统产生的干涉光入射到太赫兹传感系统中的生物样品中，太赫兹传感系统中射出的带有生物样品信息的光信号被探测系统接收，实现对生物样品的光谱扫描。进一步地，每个石墨烯PIT单元包括五根石墨烯棒，分别为第一石墨烯棒、第二石墨烯棒、第三石墨烯棒、第四石墨烯棒和第五石墨烯棒；第二石墨烯棒、第三石墨烯棒、第四石墨烯棒和第五石墨烯棒组成互不相连的矩形结构：第二石墨烯棒和第三石墨烯棒为矩形结构的两条长边，第四石墨烯棒和第五石墨烯棒为矩形结构的两条短边，且第二石墨烯棒和第三石墨烯棒均不与第四石墨烯棒和第五石墨烯棒相连，以实现第二石墨烯棒、第三石墨烯棒与第四石墨烯棒和第五石墨烯棒之间的近场耦合；第二石墨烯棒与第四石墨烯棒的一端和第五石墨烯棒的一端之间的距离为d1，第三石墨烯棒与第四石墨烯棒的另一端与第五石墨烯棒的另一端之间的距离为d2；第一石墨烯棒垂直于第四石墨烯棒和第五石墨烯棒设置，且穿过第四石墨烯棒和第五石墨烯棒的中点，与第四石墨烯棒和第五石墨烯棒相连；其中，d1和d2均为预设值，且d1＝d2；同一列的石墨烯PIT单元的第一石墨烯棒串联之后连接到一端的电极。进一步地，每个石墨烯PIT单元的长a和宽b分别为100μm和110μm；石墨烯厚度为0.2μm、第一石墨烯棒至第五石墨烯棒的棒宽w均为10μm；第四石墨烯棒和第五石墨烯棒的棒长c为50μm，第二石墨烯棒和第三石墨烯棒的棒长d为90μm。进一步地，所述太赫兹源为中压汞灯(频率：0.05THz-20THz)；所述准直系统包括相对设置的第一抛物面镜OAP1和第二抛物面镜OAP2；所述迈克尔逊干涉系统包括：斩波器、分束器、用于扫描的电控一维平移台、位于电控一维平移台上的太赫兹扫描反射镜M1、固定反射镜M2；所述探测系统包括第三抛物面镜OAP3、Golay探测器、锁相放大器；斩波器设置在第二抛物面镜OAP2和分束器之间的光路上，斩波器、分束器和固定反射镜M2依次设置在同一光路上，太赫兹扫描反射镜M1设置在分束器的反射光路上，电控一维平移台可垂直上下移动，带动太赫兹扫描反射镜M1垂直上下移动，改变两路太赫兹波之间的光程；探测系统设置在太赫兹扫描反射镜M1相对于分束器的另一侧，第三抛物面镜OAP3与太赫兹扫描反射镜M1、分束器设置在同一光路上；所述锁相放大器，其参考信号通道连接与斩波器同频同相的信号，其测量信号通道连接探测器输出端，用于放大探测器输出的微弱电信号；中压汞灯产生的太赫兹波经第一抛物面镜OAP1和第二抛物面镜OAP2准直后射入斩波器；斩波器将接收的太赫兹波周期性地送入分束器；分束器将射入的太赫兹波分为扫描光和固定光两路，扫描光经太赫兹扫描反射镜M1反射后与固定反射镜M2反射回的固定光在分束器形成干涉光，干涉光入射到太赫兹传感系统上的生物样品中，太赫兹传感系统射出的携带有生物样品信息的光信号经第三抛物面镜OAP3射入Golay探测器，Golay探测器输出的探测信号传输至锁相放大器，锁相放大器对接收的探测信号进行锁相放大处理后产生输出信号。进一步地，所述太赫兹扫描反射镜M1和所述固定反射镜M2均为镀金高反镜。进一步地，所述一种基于温度不敏感的太赫兹波超材料的生物传感装置还包括控制进入干涉仪的光斑尺寸大小并且增加干涉对比度的孔径光阑；所述孔径光阑设置于所述准直系统与斩波器之间，用于遮挡太赫兹波束周边不均匀成份，实现对太赫兹波束的均匀化整形。进一步地，所述电控一维平移台由伺服电机驱动。进一步地，所述一种基于温度不敏感的太赫兹波超材料的生物传感装置还包括控制器和电脑；控制器分别与伺服电机和电脑电性连接，电脑通过控制器控制电控一维平移台垂直上下移动；电脑还与锁相放大器连接，接收锁相放大器的输出信号，实现被测生物样品的扫描，在电脑上完成生物样品的光谱分析。本专利技术提供的技术方案带来的有益效果是：本专利技术将太赫兹技术与PIT超材料结构相结合，提出了一种基于温度不敏感的太赫兹波超材料的生物传感装置。太赫兹传感系统的衬底层为具有低介电损耗、高品质因数和近零温度系数的0.65CaTiO3-0.35NdAlO3介电陶瓷，超材料层为具有周期性微纳米结构的太赫兹PIT(等离子体诱导透明)结构阵列；通过电压的改变，可以改变石墨烯内部载流子的浓度，从而可以实现对透射谱中的透明窗口进行动态调制。由于PIT结构具有窄的带宽和高Q值，故对于无标记生物传感具有很高的灵敏度。加之石墨烯本身为单分子层，能够和黏附在其表面的生物分子产生强烈的相互耦合作用，因此石墨烯等离子体诱导透明结构在无标记生物传感上有大的发展空间。因为电极直接和传感器相连，致使它的透明窗口和本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于温度不敏感的太赫兹波超材料的生物传感装置，其特征在于：包括：太赫兹源、准直系统、斩波器、迈克尔逊干涉系统、太赫兹传感系统和探测系统；斩波器设置在准直系统和迈克尔逊干涉系统之间的光路上；所述太赫兹传感系统包括自下而上依次设置的衬底层、超材料层；/n所述衬底层为0.65CaTiO

【技术特征摘要】
1.一种基于温度不敏感的太赫兹波超材料的生物传感装置，其特征在于：包括：太赫兹源、准直系统、斩波器、迈克尔逊干涉系统、太赫兹传感系统和探测系统；斩波器设置在准直系统和迈克尔逊干涉系统之间的光路上；所述太赫兹传感系统包括自下而上依次设置的衬底层、超材料层；
所述衬底层为0.65CaTiO3-0.35NdAlO3介电陶瓷，超材料层包括具有周期性微纳米结构的太赫兹PIT结构阵列和两个电极；两个电极分别位于超材料层的两侧，且两电极之间连接有可变电压源，用于提供可变电压；待测的生物样品涂敷在所述超材料层的表面；
所述太赫兹PIT结构阵列包括多个石墨烯PIT单元；相邻两列石墨烯PIT单元连接到不同的电极；通过外加电压的改变，改变石墨烯内部载流子的浓度，以在太赫兹传感装置中实现对生物样品的透明窗口进行动态调制；
太赫兹源产生的太赫兹波经过准直系统准直后进入斩波器，斩波器将接收的太赫兹波周期性的送入迈克尔逊干涉系统，经迈克尔干涉系统产生的干涉光入射到太赫兹传感系统中的生物样品中，太赫兹传感系统中射出的带有生物样品信息的光信号被探测系统接收，实现对生物样品的光谱扫描。


2.如权利要求1所述的一种基于温度不敏感的太赫兹波超材料的生物传感装置，其特征在于：每个石墨烯PIT单元包括五根石墨烯棒，分别为第一石墨烯棒、第二石墨烯棒、第三石墨烯棒、第四石墨烯棒和第五石墨烯棒；
第二石墨烯棒、第三石墨烯棒、第四石墨烯棒和第五石墨烯棒组成互不相连的矩形结构：第二石墨烯棒和第三石墨烯棒为矩形结构的两条长边，第四石墨烯棒和第五石墨烯棒为矩形结构的两条短边，且第二石墨烯棒和第三石墨烯棒均不与第四石墨烯棒和第五石墨烯棒相连，以实现第二石墨烯棒、第三石墨烯棒与第四石墨烯棒和第五石墨烯棒之间的近场耦合；
第二石墨烯棒与第四石墨烯棒的一端和第五石墨烯棒的一端之间的距离为d1，第三石墨烯棒与第四石墨烯棒的另一端与第五石墨烯棒的另一端之间的距离为d2；第一石墨烯棒垂直于第四石墨烯棒和第五石墨烯棒设置，且穿过第四石墨烯棒和第五石墨烯棒的中点，与第四石墨烯棒和第五石墨烯棒相连；其中，d1和d2均为预设值，且d1＝d2。


3.如权利要求2所述的一种基于温度不敏感的太赫兹波超材料的生物传感装置，其特征在于：同一列的石墨烯PIT单元的第一石墨烯棒串联之后连接到一端的电极。


4.如权利要求2所述的一种基于温度不敏感的太赫兹波超材料的生物传感装置，其特征在于：每个石墨烯PIT单元的长a和宽b分别为100μm和110μm；石墨烯厚度为0.2μm、第一石墨烯棒至第五石墨烯棒的棒宽w均为10μm；第四石墨烯棒和第五石墨烯棒的棒长c为50μm，第二石墨烯棒和第三石墨烯棒的棒长d为90μm。


5.如权利要求1所述的一种基于温度不敏感的太赫兹波超材料的生物传感装置，其特征在于：

【专利技术属性】
技术研发人员：李丹，
申请(专利权)人：湖北第二师范学院，
类型：发明
国别省市：湖北;42