一种用于中药检测的太赫兹芯片及制备方法

技术领域

本发明涉及太赫兹检测设备领域，更具体地，涉及一种用于中药检测的太赫兹芯片及制备方法。

背景技术

太赫兹波是指频率在0.1-10THz，波长为0.03-3mm的电磁辐射，其波段位于微波与红外之间，是宏观电子学和微观光子学之间的过渡区域。由于太赫兹波在电磁波谱中处于的特殊位置，使其具有区别于微波和红外的独特性质。具体表现为在太赫兹波段中，光子的能量约为1-10meV。因而在对生物组织进行检测的过程中不会产生有害的电离辐射。而且相较于可见光与红外光谱，太赫兹波的穿透能力更强，且不易受瑞利散射的影响，可用于中药的研究。其自身具有的相干性能够直接得到所测物质的振幅和相位信息，从而计算出所测物质的折射率与吸收系数等特征参数。这使得中药中的许多生物大分子的振动和转动频率在太赫兹频段中都有特殊的响应和相互作用，因此利用太赫兹检测能有效识别中药之间中存在的微小差异。

虽然太赫兹检测能识别物质的微小差异，但由于太赫兹检测的频率跨度大，造成吸收峰密集分布，将有用的具有重要差异性的波峰隐藏在大量的数据中，造成提取难度大的问题。在实际使用的过程中，吸收峰过于密集会导致整体分析时间长，数据计算量大，对设备和使用环境具有很大的制约影。而且使用过程中，特别是针对中药检测时，中药的有效物质本身的重要频率还容易受到检测环境，检测条件，样品浓度，设备波动，以及混合成分的干扰和影响。特别在贵重中药的辨别时，由于一次取样小，或存在性质或组成结构较为近似的混淆物，甚至是有共同特征的中药检测中，如果直接样品进行太赫兹波的检测，很难获得频率上的表征，以至于阻碍有效数据的获取，现有需要一种新技术以优化太赫兹检测，以增强检测的灵敏度和获取辨识度更高的图谱。

发明内容

本发明旨在克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种用于中药检测的太赫兹芯片及制备方法，用于解决现有将太赫兹检测技术用于中药检测过程中分辨难和灵敏度不足的问题。

本发明采取的技术方案是，一种用于中药检测的太赫兹芯片，包括：高阻硅片；共振结构，所述共振结构阵列排布于所述高阻硅片上；

所述共振结构包括：金属材质的基层和立体层，所述基层设置在所述立体层与所述高阻硅片之间；

所述立体层包括：周向设置的多个箭头结构，以及与所述箭头结构相连的环结构；

所述立体层的厚度为0.8μm至1.1μm，且在所述箭头结构和所述环结构之间形成以基层的外露面为底面的立体微空间。

所述环结构呈中空的正方形，所述箭头结构设置在所述环结构内，所述箭头结构为四个且在所述环结构内呈中心对称排布；

所述箭头结构包括头端和尾端；所述尾端均与所述环结构相连，所述头端均指向所述环结构的中心。

所述头端呈等腰直角三角形，所述尾端呈矩形，头端的斜边与尾端的短边重合且中心相连，头端的直角指向环结构的中心。

所述斜边的长度为7μm±0.35μm，相邻两头端之间的距离为1μm±0.05μm；

环结构的外框与内框之间的距离与所述短边的长度相等且为3.5μm±0.3μm；

所述外框的一边长为24μm±0.5μm。

所述高阻硅片的尺寸为：长8±0.5mm，宽8±0.5mm，高0.5±0.05mm；

所述立体层为金质，所述基层为钛质，所述立体层的厚度为所述基层厚度的450倍至550倍；

相邻两共振结构之间的距离为6μm±0.3μm。

进一步，提供一种太赫兹芯片的制备方法，用于制造所述的一种用于中药检测的太赫兹芯片，包括以下步骤：

S1.清洗高阻硅片；

S2.对高阻硅片的表面进行涂胶和固化处理，形成覆胶层；

S3.对覆胶层进行光刻处理，形成所需图案；

S4.在所需图案上镀上基层；

S5.在基层上镀上立体层；

S6.去除残余覆胶层后清洗芯片。

步骤S1中，对高阻硅片进行清洗包括：

S11.采用丙酮溶液浸泡配合超声波振动，对高阻硅片清洗5min以上；

S12.采用异丙醇溶液浸泡配合超声波振动，对高阻硅片清洗5min以上；

S13.采用离子水将高阻硅片冲洗干净。

步骤S2中，对高阻硅片的表面进行涂胶，具体为：

采用正胶工艺，采用3500转至4500转的涂胶速度，25s至35秒的涂胶时间为，在高阻硅片的表面涂上厚度为1.3μm±0.2μm的胶层。

步骤S6具体为：

将镀上立体层的高阻硅片浸泡于丙酮溶液中，持续至少12h；待残余覆胶层完全剥离后依次进行：丙酮溶液清洗，异丙醇溶液清洗和去离子水冲洗。

所述基层通过电子束蒸发镀于所需图案上；所述立体层通过真空蒸镀镀于基层上。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：提供一种具有立体式微结构的太赫兹芯片，利用非平面式的共振结构设计，形成了与被测物质的多面接触，从而在太赫兹检测的过程中，增强局域场的作用。太赫兹芯片所形成的立体微空间能作为被测物质的载体，并与被测物质形成良好的相互作用，提高检测灵敏度，使图谱更容易整理和分辨。而更重要的，采用太赫兹芯片后，能在太赫兹检测中产生谐振峰的识别折射率和周围介质发生变化，通过对芯片加样前后的对比，获取谐振峰的偏移量，以此作为物质特征的表征和识别。另一方面提供一种太赫兹芯片的制备方法，该方法能制备出频率稳定的太赫兹芯片，提高芯片的稳定性，保证芯片的谐振峰偏移量。

附图说明

图1为本发明中太赫兹芯片的结构示意图及局部放大图。

图2为本发明中太赫兹芯片共振结构的示意图。

图3为本发明中太赫兹芯片共振结构的立体图。

图4为本发明中太赫兹芯片的实物图及局部放大图。

图5为本发明中太赫兹芯片的谐振峰仿真图。

图6为使用太赫兹芯片前液体样本1的吸收光谱图。

图7为使用太赫兹芯片后液体样本1的吸收光谱图。

图8为使用太赫兹芯片用于液体样本1检测时所形成的谐振峰偏移示意图。

图9为本发明中制备方法的工艺流程图

附图标记说明：高阻硅片100，共振结构200，基层210，立体层220，箭头结构221，头端2211，尾端2212，环结构222，外框2221，内框2222，立体微空间230。

具体实施方式

本发明附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。为了更好说明以下实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

实施例1

本实施例提供一种用于中药检测的太赫兹芯片，包括：高阻硅片100；共振结构200，所述共振结构200阵列排布于所述高阻硅片100上。

所述共振结构200包括：金属材质的基层210和立体层220，所述基层210设置在所述立体层220与所述高阻硅片100之间。

基层210用于缓冲和连结立体层220与高阻硅片100。

所述立体层220包括：周向设置的多个箭头结构221，以及与所述箭头结构221相连的环结构222。

箭头结构221和环结构222的配合有助于增强局域场的作用。

所述立体层220的厚度为0.8μm至1.1μm，且在所述箭头结构221和所述环结构222之间形成以基层210的外露面为底面的立体微空间230。

太赫兹检测过程中，共振频率的偏移受立体微空间230所产生的介电作用影响，通过立体设计的方式有助于增强样本与太赫兹波的相互作用，可以提高太赫兹传感器的灵敏度。

所述环结构222呈中空的正方形，所述箭头结构221设置在所述环结构222内，所述箭头结构221为四个且在所述环结构222内呈中心对称排布。

箭头结构221起间隙结构的等效电容作用，环结构222起等效电感作用。

所述箭头结构221包括头端2211和尾端2212；所述尾端2212均与所述环结构222相连，所述头端2211均指向所述环结构222的中心。

立体层220的厚度达到0.8μm至1.1μm突破了传统的芯片200nm以下的平纹设计，形成了立体式的结构，使得立体层220能与样品形成立体接触，大幅度增加与样本分子之间的相互作用，从而出现明显的谐振，而明显谐振特性的形成有助于改变识别折射率和周围介质的变化，提供高的灵敏度和分辨率。

所述头端2211呈等腰直角三角形，所述尾端2212呈矩形，头端2211的斜边与尾端2212的短边重合且中心相连，头端2211的直角指向环结构222的中心。

如图5所示，产生这一结构后产生的立体微空间230在太赫兹的电场方向沿一定方向偏振时，太赫兹透射光谱能更容易得到明显的特征谐振峰，而且能获取更高的信噪比。

所述斜边的长度为7μm±0.35μm，相邻两头端2211之间的距离为1μm±0.05μm。

环结构222的外框2221与内框2222之间的距离与所述短边的长度相等且为3.5μm±0.3μm。

所述外框2221的一边长为24μm±0.5μm。

所述高阻硅片100的尺寸为：长8±0.5mm，宽8±0.5mm，高0.5±0.05mm。

所述太赫兹芯片为超材料芯片，所述立体层220为金质，所述基层210为钛质，所述立体层220的厚度为所述基层210厚度的450倍至550倍。

相邻两共振结构200之间的距离为6μm±0.3μm。

实施例2

本实施例一种用于中药检测的太赫兹芯片，包括：高阻硅片100；共振结构200，共振结构200阵列排布于高阻硅片100上。高阻硅片100的电阻率≥20kΩ·cm。共振结构200包括：金属材质的基层210和立体层220，基层210设置在立体层220与高阻硅片100之间。立体层220包括：周向设置的多个箭头结构221，以及与箭头结构221相连的环结构222。如图3所示，立体层220的厚度为0.8μm至1.1μm，且在箭头结构221和环结构222之间形成以基层210的外露面为底面的立体微空间230。立体微空间230内的尖锐处采用圆角处理。立体层220的厚度具体是1μm。环结构222呈中空的正方形，箭头结构221设置在环结构222内，箭头结构221为四个且在环结构222内呈中心对称排布。

箭头结构221包括头端2211和尾端2212。尾端2212均与环结构222相连，头端2211均指向环结构222的中心。头端2211呈等腰直角三角形，尾端2212呈矩形，头端2211的斜边与尾端2212的短边重合且中心相连，头端2211的直角指向环结构222的中心。尾端2212过短边中心的中心线垂直于与其相连的内框2222的一边。在本实施例中，共振结构200包括呈正方形的外框2221和正方形的内框2222，外框2221和内框2222之间形成环结构222，外框2221与内框2222中心重叠。内框2222中设有呈中心对称排布的箭头结构221，箭头结构221包括：第一箭头、第二箭头、第三箭头和第四箭头；第一箭头、第二箭头、第三箭头和第四箭头均包括头端2211和尾端2212。

第一箭头、第二箭头、第三箭头和第四箭头的尾端2212均分别与内框2222相连且相互垂直，且第一箭头、第二箭头、第三箭头和第四箭头的头端2211均朝向内框2222的中心。由于内框2222呈正方形，且第一箭头、第二箭头、第三箭头和第四箭头呈中心对称，即第一箭头和第二箭头之间有90度的旋转角，第二箭头和第三箭头之间有90度的旋转角，第三箭头和第四箭头之间有90度的旋转角，以及第四箭头和第一箭头之间有90度的旋转角，如此，使得整个共振结构200呈一个对称的立体结构，便于后续在检测过程中生物样品溶液均匀分布于共振结构200中。

第一箭头、第二箭头、第三箭头和第四箭头的头端2211均呈等腰直角三角形，尾端2212均呈矩形，等腰三角形的斜边与矩形的短边相连，且头端2211的中心线与尾端2212的中心线重合。将环结构222划分为顺次首尾相连的长条形的第一区域、第二区域、第三区域和第四区域；第一箭头的尾端2212与第一区域相连，第二箭头的尾端2212与第二区域相连，第三箭头的尾端2212与第三区域相连，第四箭头的尾端2212与第四区域相连。如此，环结构222的每一条边均与一箭头相连，使得环结构222、第一箭头、第二箭头、第三箭头和第四箭头之间具有较好的电连通。

第一箭头和第三箭头的中心线与第一区域和第三区域的中点连线重合，第二箭头和第四箭头的中心线与第二区域和第四区域的中点连线重合。也就是说，第一箭头、第二箭头、第三箭头和第四箭头沿外框2221的横向对称轴和纵向对称轴对称分布。斜边的长度为7μm±0.35μm，相邻两头端2211之间的距离为1μm±0.05μm；环结构222的外框2221与内框2222之间的距离与短边的长度相等且为3.5μm±0.3μm；外框2221和内框2222为正方形。正方形的外框2221的一边长为24μm±0.5μm。高阻硅片100的尺寸为：长8±0.5mm，宽8±0.5mm，高0.5±0.05mm。立体层220为金质，基层210为钛质。除此之外，立体层220还能采用铜质或铝质。立体层220的厚度为基层210厚度的450倍至550倍。基层210具体为2nm。相邻两共振结构200之间的距离为6μm±0.3μm。

如图1中，左上方为太赫兹芯片，尺寸为8mm*8mm，厚度(未展示)为0.5mm。相邻两个共振结构200之间的距离j为6μm，见图1局部放大部分。如图2所示，外框2221的一边长f为24μm。环结构222的外框2221与内框2222之间的距离w为3.5μm。尾端2212的短边长度h为3.5μm。头端2211的斜边的长度e为7μm；相邻两头端2211之间的距离g为0.5μm。如图4所示，共振结构200在太赫兹芯片的表面呈阵列排布，具体为形成多行多列且间隔相等阵列排布。图6为一种中药(熊胆)粉末与高纯水制得的液体样本1，并以高纯水作为参照样，在进行太赫兹检测出后可见，液体样本1的峰值混乱密集，难以从中直接提取有效信息进行优化。图7为以太赫兹芯片为载体，将液体样本1滴加在太赫兹芯片上再次进行太赫兹检测，从吸收图谱可见，采用太赫兹芯片后峰值曲线有序清晰，峰值混乱度大幅度降低，能更容易提取规律变化。如图8所示，采用太赫兹芯片进行检测后，能利用太赫兹芯片在滴加液体样本1前后产生的谐振频率偏移进行中药特性的鉴别。图8展示的是太赫兹芯片滴加液体样本1前后的吸收曲线，该曲线经数据和图像优化处理，从其谐振峰前后偏移的频率可计算出谐振偏移量，以用作物质检测。从曲线观察，两曲线的差异性小，如果从谐振峰频率上分析，则可以准确读出两峰值对应的频率，滴加前对应的频率为1.530THz，滴加液体样本1后对应的频率为1.552THz，从而精确计算频率的偏移并作为液体样本1的比对特征。

实施例3

本实施例一种太赫兹芯片的制备方法，用于制造所述的一种用于中药检测的太赫兹芯片，包括以下步骤：

S1.清洗高阻硅片100；

S2.对高阻硅片100的表面进行涂胶和固化处理，形成覆胶层；

S3.对覆胶层进行光刻处理，形成所需图案；

所述图案是指共振结构200电镀所需的图案；该图案通过覆胶层镂空而成，图案处没有胶且能与高阻硅片100直接相连的区域。

S4.在所需图案上镀上基层210；

基层210有缓冲和连接的作用，区别于传统的附着层的设计，基层210非常薄。

S5.在基层210上镀上立体层220；

S6.去除残余覆胶层后清洗芯片。

步骤S1中，对高阻硅片100进行清洗包括：

S11.采用丙酮溶液浸泡配合超声波振动，对高阻硅片100清洗5min以上；用于溶解极性或非极性化合物。

S12.采用异丙醇溶液浸泡配合超声波振动，对高阻硅片100清洗5min以上；用于清洗机物。

S13.采用离子水将高阻硅片100冲洗干净，用于清洗无机物。

通过三种工艺的顺序组合，能保证高阻硅片100的表面洁净和有效附着，从而能降低基层210厚度，并实现立体层220的稳定设置。

步骤S2中，对高阻硅片100的表面进行涂胶，具体为：

采用正胶工艺，采用3500转至4500转的涂胶速度，25s至35秒的涂胶时间为，在高阻硅片100的表面涂上厚度为1.3μm±0.2μm的胶层。

胶层厚度的进一步限定是保证立体层220质量的条件之一，而通过转速和涂胶的限制能控制胶层的密度和均匀性。

步骤S6具体为：

将镀上立体层220的高阻硅片100浸泡于丙酮溶液中，持续至少12h；待残余覆胶层完全剥离后依次进行：丙酮溶液清洗，异丙醇溶液清洗和去离子水冲洗。

所述基层210通过电子束蒸发镀于所需图案上；所述立体层220通过真空蒸镀镀于基层210上。

实施例4

如图9所示，本实施例一种太赫兹芯片的制备方法，用于制造的一种用于中药检测的太赫兹芯片，包括以下步骤：S1.清洗高阻硅片100；S11.涂胶前，还包括采用HMDS对高阻硅片100的表面进行膜处理，形成底膜。S2.对高阻硅片100的表面进行涂胶和固化处理，形成覆胶层；S3.对覆胶层进行光刻处理，形成所需图案；S4.在所需图案上镀上基层210；S5.在基层210上镀上立体层220；S51.进行蚀刻处理，将内部的尖锐处蚀刻为圆角。S6.去除残余覆胶层后清洗芯片。采用硬刀对高阻硅片100按需进行切割或修整。

步骤S1中，对高阻硅片100进行清洗包括：S11.采用丙酮溶液浸泡配合超声波振动，对高阻硅片100清洗5min以上；S12.采用异丙醇溶液浸泡配合超声波振动，对高阻硅片100清洗5min以上；S13.采用离子水将高阻硅片100冲洗干净。冲洗过程中应尽可能采用量大的离子水进行冲洗。步骤S2中，对高阻硅片100的表面进行涂胶，具体为：采用正胶工艺，采用3500转至4500转的涂胶速度，25s至35秒的涂胶时间为，在高阻硅片100的表面涂上厚度为1.3μm±0.2μm的胶层。具体地，涂胶层采用光刻胶AZ5214，转速为4000转，涂胶时间为30s。

固化处理具体为：100℃以下短时间烘干，本实施例中，具体能是95℃，烘干90s。光刻处理具体为对涂胶层进行紫外曝光，曝光时间为6.25s至6.55s，显影时间为40s至44s。步骤S6具体为：将镀上立体层220的高阻硅片100浸泡于丙酮溶液中，持续至少12h；待残余覆胶层完全剥离后依次进行：丙酮溶液清洗，异丙醇溶液清洗和去离子水冲洗。浸泡后，还包括步骤：在空气中搁置24h。基层210通过电子束蒸发镀于所需图案上；立体层220通过真空蒸镀镀于基层210上。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明技术方案所作的举例，而并非是对本发明的具体实施方式的限定。凡在本发明权利要求书的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。