基於L形結構超材料的透射型太赫茲微流通道傳感器的製作方法

2023-06-10 21:17:12

本發明涉及一種基於L形結構超材料的透射型太赫茲微流通道傳感器，主要利用超材料金屬微結構與太赫茲波的共振吸收作用，以及諧振頻率對超材料金屬微結構周圍液體的介電性質敏感的特性，實現對不同液體樣品的檢測功能。

背景技術：

太赫茲波通常是指頻率位於0.1～10T之間的電磁輻射，在電磁波譜中位於微波和紅外線之間，由於長期以來缺乏有效的產生和探測手段，太赫茲波一直沒有得到全面的發展，因此也被稱為「太赫茲空隙」。太赫茲波與電磁波譜中的其他波段相比，具有一些獨特的電磁特性，比如，自然界中的許多物質分子的振動和轉動能級均位於太赫茲波段，使其具有指紋光譜分辨能力；太赫茲波輻射的光子能量很低，不會對人體以及其他的生物組織造成損害，使其在實驗應用方面十分安全；另外它還能穿透一些在光波段不透明的物體，等等。太赫茲波的這些獨特的性質使其在生物醫學、安全監測、傳感、通信等方面都有廣闊的應用前景。

隨著微納加工工藝的發展，基於超材料的太赫茲傳感器受到極大的關注。超材料是由亞波長金屬單元周期性排列構成的人工複合材料。與自然界中的物質不同的是，通過改變超材料諧振單元的結構和尺寸，可以人為地操縱它的電磁特性，進而控制電磁波的傳輸特性。此外，超材料還表現出對電場的局域性增強作用以及對周圍物質的介電性質敏感等特性，可以用來檢測癌細胞、生物分子、蛋白質以及葡萄糖溶液等。

與傳統的太赫茲時域光譜直接檢測技術以及現有的傳感結構相比，基於人工超材料的太赫茲傳感結構探測法具有靈敏度高、簡便快捷、可對少量分析物進行檢測等優勢。本發明將微流通道和超材料生物傳感結構結合起來，可以避免液體樣品中水分對於太赫茲波的強吸收作用，同時實現高Q值和高靈敏的探測。

技術實現要素：

針對現有的太赫茲傳感結構的不足，本發明提供了一種基於L形結構超材料的透射型太赫茲微流通道傳感器，在避免液體樣品中水分對於太赫茲的強吸收作用的同時，實現了高Q值和高靈敏的探測。

為了實現上述目的，本發明方案如下：

1、一種基於L形結構超材料的透射型太赫茲微流通道傳感器，包括蓋層和襯底，以及加工在蓋層和襯底上面的金屬結構陣列，且兩者之間的空隙構成了可以支持液體樣品流動的微流通道。當有太赫茲波穿過此通道時，由於太赫茲波與亞波長超材料金屬結構的共振吸收作用，會有部分電磁波被局限在金屬結構表面，此被局限的電磁波與其周圍的物質發生相互作用，引起共振頻率的偏移，且偏移量隨著物質的介電常數的改變而變化。。

2、所述傳感結構中，蓋層結構上的金屬結構加工在朝向襯底方向的面上，附著在襯底上的金屬結構加工在朝向蓋層方向的面上，且蓋層和襯底相對的兩個面分別構成了微流通道的上表面和下表面。

3、所述傳感器結構中，微流通道的高度即蓋層和襯底之間的間隔可以為0～50um，寬度可以為1000～5000um。

4、所述傳感器結構中，組成蓋層和襯底的材料可以為矽、砷化鎵、玻璃、聚二甲基矽氧烷、聚丙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯、聚甲基戊烯和聚醯亞胺中的任意一種。

5、所述傳感器結構中，蓋層的厚度可為1～100um，襯底的厚度可為1～600um。

6、所述傳感器結構中，超材料金屬結構所採用的材料可為銀、金、鈦、銅、鋁、鎳和鉻中的一種或者幾種。

7、所述傳感器結構中，加工在微流通道上下兩表面的金屬結構為周期性排列的亞波長結構單元。且結構單元的排列周期為130～200um。

8、所述傳感器結構中，周期性排列的亞波長金屬微結構的厚度為0.01～0.5um，大小為45～70um。

9、與現有的傳感器相比，本發明所述傳感器的優點至少在於，將超材料傳感結構與微流控技術結合在一起，基於電磁波與亞波長金屬結構相互作用的色散特性，並以透射譜作為參考指標，通過觀察其諧振頻率的偏移，實現了高Q值和高靈敏的生物傳感結構。

附圖說明

圖1為本發明基於L形結構超材料的透射型太赫茲微流通道傳感器的縱向剖面示意圖。

圖2為本發明基於L形結構超材料的透射型太赫茲微流通道傳感器的蓋層和襯底相對表面的周期性金屬結構的二維平面示意圖。

圖3為本發明一優化實施例中順著太赫茲波入射方向看去，其蓋層和襯底相對表面的金屬結構旋轉前的單元尺度的二維結構示意圖。

圖4為本發明一優化實施例中順著太赫茲波入射方向看去，其蓋層和襯底相對表面的金屬結構優化旋轉後的單元尺度的二維結構示意圖。

圖5為本發明一優化實施例中順著太赫茲波入射方向看去，其蓋層表面即微流通道上表面的金屬結構優化旋轉後的單元尺度的二維結構示意圖。

圖6為本發明一優化實施例中順著太赫茲波入射方向看去，其襯底表面即微流通道下表面的金屬結構優化旋轉後的單元尺度的二維結構示意圖。

圖7為本發明一優化實施例，微流通道中加入不同折射率的樣品時的透射譜圖。

圖8為本發明一優化實施例，微流通道高度為20um時，頻率偏移量隨折射率的變化率。

圖9為本發明又一優化實施例中順著太赫茲波入射方向看去，其蓋層和襯底相對表面的金屬結構單元尺度的二維結構示意圖。

圖10為本發明又一優化實施例中順著太赫茲波入射方向看去，其蓋層表面即微流通道上表面的金屬結構單元尺度的二維結構示意圖。

圖11為本發明又一優化實施例中順著太赫茲波入射方向看去，其襯底表面即微流通道下表面的金屬結構的單元尺度的二維結構示意圖。

圖12為本發明又一優化實施例，微流通道中加入不同折射率的樣品時的透射譜圖。

圖13為本發明又一優化實施例，微流通道高度為20um時，頻率偏移量隨折射率的變化率。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例，進一步闡明本發明，應理解這些實施例僅用於說明本發明而不用於限制本發明的使用範圍，在閱讀了本發明之後，本領域技術人員對本發明的各種等價形式的修改均落於本申請所附權利要求所限定的範圍。

本發明的一方面在於提供一種基於L形結構超材料的透射型太赫茲微流通道傳感器，其至少包括蓋層、微流通道、金屬結構和襯底。

所述傳感器蓋層結構上的金屬結構加工在朝向襯底方向的面上，附著在襯底上的金屬結構加工在朝向蓋層方向的面上，且蓋層和襯底相對的兩個面分別構成了微流通道的上表面和下表面。

所述傳感器微流通道的高度即蓋層和襯底之間的間隔優選為1～50um，寬度優選為1000～5000um。

所述傳感器蓋層和襯底的材料相同，且可以為矽、砷化鎵、玻璃、聚二甲基矽氧烷、聚丙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯、聚甲基戊烯和聚醯亞胺中的任意一種。

所述傳感器蓋層的厚度可為1～100um；襯底的厚度可為1～600um。

所述傳感器超材料金屬結構所採用的材料可為銀、金、鈦、銅、鋁、鎳和鉻其中的一種或者幾種。

所述傳感器，加工在其微流通道上下兩表面的金屬結構為周期性排列的亞波長結構單元。且結構單元的排列周期為130～200um。

所述傳感器，其蓋層和襯底相對的面上周期性排列的亞波長金屬微結構的厚度為0.01～0.5um，大小為45～70um。

實施例一

1、在此實施例中，以圖1、圖2、圖3、圖4、圖5、圖6結構示意圖為例對本發明進行說明。本發明基於L形結構超材料的透射型太赫茲微流通道傳感器至少包括蓋層1、金屬微結構2、微流通道3、襯底4。如圖1所示，太赫茲波從蓋層的上表面入射，襯底的下層出射，蓋層1的厚度為50um，金屬結構的厚度為0.2um，襯底4的材料為介電常數為2.25的聚乙烯，且厚度為500um，圖2中金屬結構陣列的排列周期P＝170um。

2、此實施例中，優選的每個陣列單元由4個L形的金屬結構組合而成，L形金屬結構④③②①的臂長L均為55um，臂寬為7um；此時，L形結構的兩個臂與其分別平行的周期單元的邊界的距離H均為15um，且結構①③位於微流通道的上表面即蓋層表面上；結構②④位於微流通道的下表面即襯底表面上。

3、進一步的，傳感器金屬結構①④順時針角度θ為65度；金屬結構②③逆時針旋轉角度θ為65度。

4、在此實施例中，再請參閱圖7和圖8，當微流通道中沒有加生物樣品時，諧振頻率為1.03THz。根據品質因數Q的定義為諧振頻率與諧振峰半高寬頻率的比值，則此實施例透射譜圖中諧振峰的Q值為43，諧振峰處的透過率為16.7％。根據傳感器的靈敏度定義：同種厚度下不同折射率的分析物，其透射譜諧振頻率的偏移量與折射率的改變的比值，則當微流通道厚度為20um時，靈敏度為0.254THz/RIU。

實施例二

1、在此實施例中，結合實施例一以及圖1、圖2、圖9、圖10、圖11結構示意圖為例對本發明進行說明。本實施例在實施例一的基礎上做一些改動，即陣列單元中的金屬結構①②向Y軸負方向移動22.5um，金屬結構③④向Y軸正方向移動22.5um。其他參數保持不變。

2、在此實施例中，再請參閱圖12和圖13，當微流通道中沒有加生物樣品時，諧振頻率為0.936THz。此實施例透射譜圖中諧振峰的Q值為49，諧振峰處的透過率為7％。根據傳感器的靈敏度定義，則當微流通道厚度為20um時，靈敏度為0.245THz/RIU。