CN103499534B - 高灵敏太赫兹微流通道传感器及其制备方法 - Google Patents

高灵敏太赫兹微流通道传感器及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN103499534B
CN103499534B CN201310316628.8A CN201310316628A CN103499534B CN 103499534 B CN103499534 B CN 103499534B CN 201310316628 A CN201310316628 A CN 201310316628A CN 103499534 B CN103499534 B CN 103499534B
Authority
CN
China
Prior art keywords
microchannel
substrate
cap rock
metal
microfluidic channel
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201310316628.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN103499534A (zh
Inventor
陈沁�
孙福河
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Original Assignee
Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS filed Critical Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Priority to CN201310316628.8A priority Critical patent/CN103499534B/zh
Publication of CN103499534A publication Critical patent/CN103499534A/zh
Priority to US14/896,192 priority patent/US9778175B2/en
Priority to PCT/CN2014/082018 priority patent/WO2015010545A1/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN103499534B publication Critical patent/CN103499534B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/3581—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light using far infrared light; using Terahertz radiation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/502—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
    • B01L3/5027—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip
    • B01L3/502707—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by the manufacture of the container or its components
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/502—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
    • B01L3/5027—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip
    • B01L3/502715—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by interfacing components, e.g. fluidic, electrical, optical or mechanical interfaces
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K31/00—Processes relevant to this subclass, specially adapted for particular articles or purposes, but not covered by only one of the preceding main groups
    • B23K31/02—Processes relevant to this subclass, specially adapted for particular articles or purposes, but not covered by only one of the preceding main groups relating to soldering or welding
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/34—Sputtering
    • C23C14/35—Sputtering by application of a magnetic field, e.g. magnetron sputtering
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
    • G01N21/03—Cuvette constructions
    • G01N21/05—Flow-through cuvettes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/3577—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing liquids, e.g. polluted water
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/06—Auxiliary integrated devices, integrated components
    • B01L2300/0627—Sensor or part of a sensor is integrated
    • B01L2300/0663—Whole sensors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
    • G01N21/03—Cuvette constructions
    • G01N2021/0346—Capillary cells; Microcells
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
    • G01N21/03—Cuvette constructions
    • G01N21/0303—Optical path conditioning in cuvettes, e.g. windows; adapted optical elements or systems; path modifying or adjustment

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Hematology (AREA)
  • Clinical Laboratory Science (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

本发明提供了一种高灵敏太赫兹微流通道传感器及其制备方法。该传感器包括衬底和盖层，衬底和盖层上分别设有金属平面反射镜和金属微结构层，金属平面反射镜与金属微结构层之间形成有微流通道，且当微流通道内存有被测液体时，金属微结构层、被测液体和金属平面反射镜形成的复合结构在太赫兹波段内具有共振引起的强吸收特性；该方法包括：分别在衬底和盖层上加工形成金属平面反射镜和金属微结构层，其后将衬底与盖层固定连接，并使衬底与盖层之间形成封闭微流通道，而后在衬底和/或盖层上设置与微流通道连通的通孔，形成用以向传感器内输入输出被测液体的液流通道。本发明传感器结构简单，易于加工和使用，且探测灵敏度较之现有传感器有大幅提升。

Description

高灵敏太赫兹微流通道传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种传感器及其制备方法，尤其涉及一种结合微流技术并利用微结构对太赫兹波的共振吸收特性提高液体传感灵敏度的传感器及其制备方法，属于传感器技术领域。
背景技术
目前，生物医学、环境监测、食品安全甚至国防等领域都对高灵敏传感器提出了迫切的需求。基于光学方法的传感器具有灵敏度高、适应范围广、易于操作、功能丰富等特点，因而得到大力发展。其中非标记的(label-free)的光学探测技术通过感知被测样品折射率的变化来进行传感，无需对样品进行任何处理，因此可以在低成本下对自然状态下的样品进行实时定量检测，是一种应用非常广泛的技术。通常这种光学非标记传感器都工作在可见光与近红外波段。近年来，太赫兹波段传感器引起了人们关注。太赫兹频率范围(0.1～10THz)处于红外与微波之间，许多生物大分子的振动频率都处于太赫兹波段，具有特征吸收峰，因此太赫兹波传感具有更好的识别能力和更高的灵敏度。此外，特别是对液体样品的光学传感，为了用更少量的样品实现传感检测，并且更有效的控制微量样品间的反应和分离等功能，一种微流通道技术得到快速发展。当前，将微流通道与太赫兹技术结合起来成为了光学非标记传感技术发展的一个趋势。
2008年Applied Physics Letters杂志第93卷182904页报道了一种基于微带传输线的太赫兹微流生物传感器，通过探测微带线表面消逝波与微流通道中液体样品的耦合引起的光传输性质的变化，实现传感功能；2009年Applied Physics Letters杂志第95卷171113页报道了一种基于平板波导谐振腔的太赫兹微流传感器，利用谐振腔效应来提高探测灵敏度；2010年Nano Letters杂志第10卷2342页报道了利用超材料(metamaterial)完美吸收器(perfect absorber)进行生物传感；2012年Optics Express杂质第20卷5052页报道了一种利用金属微纳天线结构的近场局域特性增强太赫兹探测器的灵敏度；2012年Applied Physics Letters杂志第100卷221101页的文章中提出了基于超材料的传感器。上述这些技术都是基于被测样品与谐振结构的近场消逝波叠加，通过测量消逝波随被测样品折射率变化产生的变化来实现传感，因此受限于消逝波与被测液体的重叠程度，其灵敏度的提升非常有限。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种高灵敏太赫兹微流通道传感器及其制备方法，其通过构建金属平面反射镜、微流通道和金属微结构组成的共振吸收器，实现共振频率处电磁场局域与微流通道中被测液体在空间上的叠加，从而提高传感器探测灵敏度。
为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：
一种高灵敏太赫兹微流通道传感器，包括衬底和至少一盖层，所述衬底上设有金属平面反射镜，所述盖层上设有金属微结构层，所述金属平面反射镜与金属微结构层之间形成至少一用于被测液体流通的微流通道，并且，当所述微流通道内存有被测液体时，主要由所述金属微结构层、被测液体和金属平面反射镜组合形成的复合结构在太赫兹波段内具有共振引起的强吸收特性。
作为较为优选的实施方案之一，所述传感器包括沿垂直于微流通道平面方向依次分布的两个以上盖层，其中任一盖层朝向平面反射镜的面上均设有金属微结构层，所述金属平面反射镜与相邻金属微结构层之间以及相邻盖层之间均形成有微流通道，并且这些微流通道相互连通。
进一步的，这些微流通道沿垂直于微流通道平面方向依次连通。
所述金属微结构层包括附着在盖层上的一种以上周期性结构单元，所述周期性结构单元的周期为10～500微米，厚度为0.01～0.5微米，且所采用的金属材料至少包括金、银、铜、铝、钛、镍和铬中的一种或两种以上的组合。
所述金属平面反射镜厚度大于50纳米，且所采用的金属材料至少包括金、银、铜、铝、钛、镍和铬之中的一种或两种以上的组合。
所述微流通道高度为1-10微米，宽度为100-5000微米，且所述微流通道的两端分别与所述传感器的液体输入、输出口连通。
所述衬底材料至少包括硅、砷化镓、玻璃、聚二甲基硅氧烷、聚丙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯、聚甲基戊烯和聚酰亚胺中的任意一种。
所述盖层材料至少包括硅、砷化镓、玻璃、聚二甲基硅氧烷、聚丙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯、聚甲基戊烯和聚酰亚胺中的任意一种。
所述衬底与相邻盖层之间以及相邻盖层之间经过键合方法连接，从而在衬底与相邻盖层之间以及相邻盖层之间分别形成封闭微流通道。
进一步的，所述传感器还包括形成在所述金属平面反射镜和/或金属微结构层上的介质保护层，所述介质保护层的厚度为0-100纳米，且其材料至少包括二氧化硅、氮化硅、三氧化二铝和SU-8光刻胶中的任意一种。
前述高灵敏太赫兹微流通道传感器的制备方法包括：
分别在衬底和至少一盖层上加工形成金属平面反射镜和金属微结构层，
其后，将所述衬底与该至少一盖层固定连接，并使所述衬底与该至少一盖层之间形成至少一封闭微流通道，
而后，在衬底和/或盖层上设置与所述微流通道连通的通孔，形成用以向所述传感器内输入、输出被测液体的液流通道。
作为较为优选的实施方案之一，该制备方法可包括：
(1)在衬底上通过金属薄膜沉积方法形成金属平面反射镜；
(2)在该至少一盖层上通过微纳加工方法形成金属微结构层或金属微结构层与微流通道侧壁；
(3)通过键合方法将所述衬底与该至少一盖层连接，并在衬底与该至少一盖层之间形成至少一封闭微流通道；
(4)而后，通过物理或化学方法在衬底和/或盖层上设置与所述微流通道连通的通孔。
与现有技术相比，本发明的优点至少在于：通过将微流通道集成到金属平面反射镜与金属微结构层之间，并且一起形成具有共振吸收特性的复合结构(在共振频率处的吸收可以超过95％，接近100％)，由于共振效应使得电磁场在空间上局域在微流通道中，与被测液体完全重叠，对微流通道内被测液体的折射率非常敏感，对被测液体折射率的检测限达0.0014RIU(按太赫兹光谱仪的光谱分辨率为5GHz计算)。因此通过检测共振吸收频率的移动与共振吸收率的变化，就可以实现高灵敏的检测。
附图说明
为了更好的说明本发明的内容，以下结合附图对实施例做简单的说明。附图是本发明的理想化实施例的示意图，为了清楚表示，放大了层和区域的厚度，但作为示意图不应该被认为严格反映了几何尺寸的比例关系。本发明所示的实施例不应该被认为仅限于图中所示的区域的特定形状。图中的表示是示意性的，不应该被认为限制本发明的范围。其中：
图1为本发明一可选实施方案中一种高灵敏太赫兹微流通道传感器的纵向剖面示意图；
图2为本发明一可选实施方案中金属微结构层的一维周期结构平面示意图；
图3为本发明一可选实施方案中金属微结构层的二维周期结构平面示意图；
图4为本发明另一可选实施方案中金属微结构层的二维周期结构平面示意图；
图5本发明一可选实施方案中一种高灵敏太赫兹微流通道传感器的工艺流程图；
图6为本发明另一可选实施方案中一种高灵敏太赫兹微流通道传感器的纵向剖面示意图；
图7为本发明又一可选实施方案中一种高灵敏太赫兹微流通道传感器的纵向剖面示意图；
图8为本发明再一可选实施方案中一种高灵敏太赫兹微流通道传感器的纵向剖面示意图；
图9为一种用于与本发明实施例相对比的传感器(微流通道集成在金属微结构层表面)的纵向剖面示意图；
图10为一可选实施方案中太赫兹传感器的共振吸收峰频率与液体折射率的关系图；
图11为一可选实施方案中太赫兹传感器的吸收率与液体折射率的关系图；
图12为一可选实施方案中太赫兹传感器的共振吸收峰对应的Hy场分布；
图13为又一可选实施方案中太赫兹传感器的共振吸收峰频率与液体折射率的关系图；
图14为又一可选实施方案中太赫兹传感器的吸收率与液体折射率的关系图；
图15为一可选实施方案中金属微结构层为单个单元及其组合单元时对应的太赫兹传感器的吸收谱；
图16为又一可选实施方案中不同液体折射率对应的太赫兹传感器的吸收谱；
图17为再一可选实施方案中不同液体折射率对应的太赫兹传感器的吸收谱；
具体实施方式
本发明的一个方面在于提供一种高灵敏太赫兹微流通道传感器，其结构至少包括衬底、金属平面反射镜、微流通道、金属微结构层和盖层。
作为较为优选的实施方案之一，该传感器还可以包括在垂直于微流通道平面方向级联多个不同的金属微结构层和微流通道。
前述金属微结构层是周期性结构，厚度优选为0.01～0.5微米，周期优选为10～500微米，可以为一维或者二维平面周期结构(参阅图2-图3所示)，包括一种以上周期单元，所述周期单元为一种简单单元或在不同频率范围内具有光共振吸收效应的两种以上简单单元的组合。金属材料可以为金、银、铜、铝、钛、镍和铬等金属的一种或几种组合。
前述微流通道高度优选为1-10微米，宽度优选为100-5000微米，由含有金属微结构层的盖层和含有金属平面反射镜的衬底通过键合工艺形成，微流通道的两端通过穿过盖层或衬底的小孔分别与整个传感器的输入输出口连接。
前述金属平面反射镜厚度大于50纳米，金属材料可以为金、银、铜、铝、钛、镍和铬等金属的一种或几种组合。
前述衬底材料可以为硅、砷化镓、玻璃、聚二甲基硅氧烷、聚丙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯、聚甲基戊烯和聚酰亚胺等。
前述盖层材料可以为硅、砷化镓、玻璃、聚二甲基硅氧烷、聚丙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯、聚甲基戊烯和聚酰亚胺等。
前述的金属微结构层、微流通道内被测液体和金属平面反射镜形成复合结构，在太赫兹波段的窄带内具有共振引起的强吸收特性。
本发明的另一个方面提供了一种制备前述高灵敏太赫兹微流通道传感器的方法，其可以包括如下步骤：
(1)在衬底上通过金属薄膜沉积的方法制备金属平面反射镜；
(2)在盖层上通过微纳加工方法制备金属微结构层；
(3)通过键合方法将(1)和(2)中的衬底与盖层连接起来，并在中间形成封闭的微流通道；
(4)通过化学刻蚀或者机械打孔等方式在衬底和/或盖层上钻孔，并与微流通道连通。
进一步的，前述步骤(1)中的金属薄膜沉积方法为热蒸发、磁控溅射或电子束蒸发等物理沉积方法。
进一步的，前述步骤(2)中的微纳加工方法，包括光刻/剥离、光刻/刻蚀或纳米压印等方法。
进一步的，在前述步骤(2)中，对于厚度较厚的盖层，还可在盖层上加工形成微流通道侧壁。
进一步的，前述步骤(3)中的键合方法为中间层键合(intermediate layer bonding)、晶片直接键合(direct bonding)等技术(1998年Proceedings of The IEEE，第86卷1575页)。
下面结合若干较佳实施例及相关附图对本发明的技术方案进行详细说明：
实施例一：
在此实施例中，以图1、图3所示的结构图和图5所示的工艺流程图为例进行说明。该高灵敏太赫兹微流通道传感器的制备工艺包括：首先在衬底1上通过金属薄膜沉积的方法制备金属平面反射镜2(图5(a))；其次，在盖层5上通过光刻、薄膜沉积和剥离技术等微纳加工方法制备金属微结构层4(图5(b))，然后，在衬底1和盖层5上再通过微纳加工方法制备键合材料层3(图5(c))；通过中间层键合方法将衬底1与盖层5连接起来，并在中间形成封闭的微流通道6(图5(d))；最后，通过刻蚀或者打孔在衬底1或盖层5上形成输入输出口7、8、9和10，使之与微流通道连通(图5(e))。
优选的，此实施例中金属平面反射镜2和金属微结构层4的材料均可采用Au，折射率由Drude模型推算而得，两者厚度均为0.2微米。金属微结构层4为十字交叉结构，周期为22微米，臂长15微米，臂宽6微米。流体通道6的高度为1微米。盖层5的材料是聚二甲基硅氧烷(PDMS，折射率n＝1.45)。
在此实施例中，金属平面反射镜2、微流通道6中的被测液体和金属微结构层4一起构成具有共振吸收特性的复合结构，并可形成完美吸收器90。
再请参阅图10和图11所示，其系太赫兹微流通道传感器的共振吸收峰频率与吸收率随流体通道6内液体折射率变化的关系图，可以看出共振频率处的吸收可以超过95％，接近100％。由图12磁场Hy分布知磁场在空间上局域在微流通道中，对微流通道内被测液体的折射率非常敏感。同时，选取了图9所示一种微流通道集成在金属微结构层表面的传感器加以参考对比，该结构的传感器的灵敏度为0.65THz/RIU，而本发明所设计的太赫兹微流传感器的灵敏度为3.44THz/RIU，其检测灵敏性是参考结构的5.3倍，对被测液体折射率的检测限达0.0014RIU(按太赫兹光谱仪的光谱分辨率为5GHz计算)；共振峰处的吸收率随折射率变化了24％，是参考结构(吸收率变化了4％)的6倍。
实施例二：
此实施例中的结构和工艺同实施例一，作为又一优化的结构参数，金属微结构层4为十字交叉结构，周期为56微米，臂长40微米，臂宽4微米。流体通道6的高度4微米。由图13和图14中共振吸收峰频率与吸收率随流体通道6内液体折射率变化的关系，可以看到共振引起了很强的吸收，且当流体通道6内液体折射率变化时导致了共振吸收峰频率与吸收率的变化。本发明所设计的太赫兹微流通道传感器的灵敏度为0.98THz/RIU，是微流通道集成在金属微结构层表面的传感器(灵敏性0.38THz/RIU)的2.5倍；同时，在共振峰处的吸收率随折射率的变化相对提高了15倍。
实施例三：
参阅图6所示系本实施例一种高灵敏太赫兹微流通道传感器的纵向剖面示意图，与实施例一不同的是金属平面反射镜2和金属微结构层4表面含有一层介质保护层12，如二氧化硅、氮化硅、三氧化二铝和SU-8光刻胶等，其厚度为10-100纳米。该结构中引入的介质保护层12能够更好的提高该太赫兹微流通道传感器的稳定性。
实施例四：
在此实施例中，以图7所示的一种高灵敏太赫兹微流通道传感器的纵向剖面示意图为例进行说明。与前面所述实施例不同的是在衬底1和/或盖层5上采用微纳加工方法制备微流通道6，其高度为1-10微米，宽度为100-5000微米；然后再采用微纳加工方法在衬底1上制备金属反射镜2、在盖层5上制备金属微结构层4，使金属反射镜2和/或金属微结构层4位于微流通道6中。该结构中通过直接键合技术(不采用键和材料层3)将衬底1和盖层5合在一起，并在中间形成四周封闭的中空通道，最后在衬底1或盖层5上钻孔并与通道连通，形成输入输出的液体通道。
实施例五：
此实施例类似实施例一，不同在于金属层微结构4类似图4采用了两个简单单元的组合，它们对应产生两个吸收峰。作为又一优化的结构参数，金属微结构层4为十字交叉结构，单元一的臂长为15微米，单元二的臂长为20微米，臂宽均为4微米。X方向周期为44微米，Y方向周期为22微米，流体通道6的高度为2微米。计算结果显示在图15中，可以看出组合单元结构的两个共振吸收频率与单个单元的相对应。图16显示了该组合结构的太赫兹传感器的吸收谱随折射率的变化，可以看到流体通道6内液体折射率变化时两个共振吸收峰的频率与吸收率均发生变化，可以更进一步的提高传感器的检测准确性。
实施例六：
如图8所示，本发明所述的太赫兹微流通道传感器可以在垂直于微流通道平面方向级联多个不同的金属微结构层4和微流通道6。在此实施例中，类似图8采用了两个级联结构的太赫兹微流通道传感器，作为一优化的结构参数，金属微结构层4-1、4-2为十字交叉结构，臂长分别为20微米、14微米，臂宽均为6微米，周期为30微米。微流通道6-1、6-2的高度均为1微米。图17是该级联结构的太赫兹传感器的吸收谱随折射率的变化；可以看出共振引起的两个较强吸收峰频率随流体通道6内液体折射率改变而移动，可以实现高灵敏的检测。
本发明所揭示的乃较佳实施例的一种或多种，凡是局部的变更或修饰而源于本发明的技术思想而为熟习该项技术的人所易于推知的，俱不脱离本发明的专利权范围。

Claims (12)

1.一种高灵敏太赫兹微流通道传感器，其特征在于，包括衬底和至少一盖层，所述衬底上设有金属平面反射镜，所述盖层上设有金属微结构层，所述金属平面反射镜与金属微结构层之间形成有至少一用于被测液体流通的微流通道，并且，当所述微流通道内存有被测液体时，主要由所述金属微结构层、被测液体和金属平面反射镜组合形成的复合结构在太赫兹波段内具有共振引起的强吸收特性。
2.根据权利要求1所述的高灵敏太赫兹微流通道传感器，其特征在于，它包括沿垂直于微流通道平面方向依次分布的两个以上盖层，其中任一盖层朝向平面反射镜的面上均设有金属微结构层，所述金属平面反射镜与相邻金属微结构层之间以及相邻盖层之间均形成有微流通道，并且这些微流通道相互连通。
3.根据权利要求2所述的高灵敏太赫兹微流通道传感器，其特征在于，这些微流通道沿垂直于微流通道平面的方向依次连通。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的高灵敏太赫兹微流通道传感器，其特征在于，所述金属微结构层包括附着在盖层上的一种以上周期性结构单元，所述周期性结构单元的周期为10～500微米，厚度为0.01～0.5微米，且所采用的金属材料包括金、银、铜、铝、钛、镍和铬之中的任意一种或两种以上的组合。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的高灵敏太赫兹微流通道传感器，其特征在于，所述金属平面反射镜厚度大于50纳米，且所采用的金属材料包括金、银、铜、铝、钛、镍和铬中的一种或两种以上的组合。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的高灵敏太赫兹微流通道传感器，其特征在于，所述微流通道高度为1-10微米，宽度为100-5000微米，且所述微流通道的两端分别与所述传感器的液体输入、输出口连通。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的高灵敏太赫兹微流通道传感器，其特征在于，所述衬底材料包括硅、砷化镓、玻璃、聚二甲基硅氧烷、聚丙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯、聚甲基戊烯和聚酰亚胺中的任意一种。
8.根据权利要求1-3中任一项所述的高灵敏太赫兹微流通道传感器，其特征在于，所述盖层材料包括硅、砷化镓、玻璃、聚二甲基硅氧烷、聚丙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯、聚甲基戊烯和聚酰亚胺中的任意一种。
9.根据权利要求1-3中任一项所述的高灵敏太赫兹微流通道传感器，其特征在于，所述衬底与相邻盖层之间以及相邻盖层之间经过键合方法连接，从而在衬底与相邻盖层之间以及相邻盖层之间分别形成封闭微流通道。
10.根据权利要求1-3中任一项所述的高灵敏太赫兹微流通道传感器，其特征在于，它还包括形成在所述金属平面反射镜和/或金属微结构层上的介质保护层，所述介质保护层的厚度为0-100纳米，且其材料包括二氧化硅、氮化硅、三氧化二铝和SU-8光刻胶中的任意一种。
11.权利要求1-10中任一项所述高灵敏太赫兹微流通道传感器的制备方法，其特征在于，包括：
分别在衬底和至少一盖层上加工形成金属平面反射镜和金属微结构层，
其后，将所述衬底与该至少一盖层固定连接，并使所述衬底与该至少一盖层之间形成至少一封闭微流通道，
而后，在衬底和盖层上设置与所述微流通道连通的通孔，形成用以向所述传感器内输入、输出被测液体的液流通道。
12.权利要求11所述高灵敏太赫兹微流通道传感器的制备方法，其特征在于，包括：
(1)在衬底上通过金属薄膜沉积方法形成金属平面反射镜；
(2)在该至少一盖层上通过微纳加工方法形成金属微结构层或金属微结构层与微流通道侧壁；
(3)通过键合方法将所述衬底与该至少一盖层连接，并在衬底与该至少一盖层之间形成至少一封闭微流通道；
(4)而后，通过物理或化学方法在衬底和盖层上设置与所述微流通道连通的通孔。
CN201310316628.8A 2013-07-25 2013-07-25 高灵敏太赫兹微流通道传感器及其制备方法 Active CN103499534B (zh)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201310316628.8A CN103499534B (zh) 2013-07-25 2013-07-25 高灵敏太赫兹微流通道传感器及其制备方法
US14/896,192 US9778175B2 (en) 2013-07-25 2014-07-11 High-sensitivity terahertz micro-fluidic channel sensor and preparation method thereof
PCT/CN2014/082018 WO2015010545A1 (zh) 2013-07-25 2014-07-11 高灵敏太赫兹微流通道传感器及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201310316628.8A CN103499534B (zh) 2013-07-25 2013-07-25 高灵敏太赫兹微流通道传感器及其制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN103499534A CN103499534A (zh) 2014-01-08
CN103499534B true CN103499534B (zh) 2015-09-09

Family

ID=49864764

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201310316628.8A Active CN103499534B (zh) 2013-07-25 2013-07-25 高灵敏太赫兹微流通道传感器及其制备方法

Country Status (3)

Country Link
US (1) US9778175B2 (zh)
CN (1) CN103499534B (zh)
WO (1) WO2015010545A1 (zh)

Families Citing this family (37)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103499534B (zh) * 2013-07-25 2015-09-09 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 高灵敏太赫兹微流通道传感器及其制备方法
JP6477693B2 (ja) * 2014-05-14 2019-03-06 コニカミノルタ株式会社 検出デバイスおよびその製造方法
CN104535479B (zh) * 2015-01-20 2017-06-30 中国人民解放军第三军医大学第一附属医院 用于单个或少量细胞检测的亚太赫兹纳米生物传感器
CN104792744B (zh) * 2015-04-17 2017-07-11 上海理工大学 太赫兹波检测装置
CN104764711B (zh) * 2015-04-17 2018-02-06 中国科学院重庆绿色智能技术研究院 太赫兹超材料生物传感芯片及其测试方法
CN104764715B (zh) * 2015-04-24 2017-05-31 南京大学 一种新型多频点、高灵敏太赫兹传感器的制造方法
GB2538731B (en) 2015-05-26 2019-05-22 Imperial Innovations Ltd Methods
KR101765387B1 (ko) * 2015-06-24 2017-08-23 서강대학교산학협력단 금속 코아 간 초미세 보이드를 가지는 나노 갭 구조체 및 이를 이용한 분자 검출 장치 및 방법, 선택적 에칭을 통한 상기 나노 갭 구조체의 제조 방법
CN105602840B (zh) * 2016-01-28 2017-11-24 中国人民解放军第三军医大学第一附属医院 滚环扩增‑太赫兹超材料生物传感器及快速检测多重耐药结核杆菌的方法
CN106066303B (zh) * 2016-05-24 2019-04-19 中国科学院重庆绿色智能技术研究院 一种增强溶液中生物分子太赫兹特征信号的纳流道棱镜波导及其制备方法
WO2018058113A2 (en) * 2016-09-26 2018-03-29 Duke University Systems and methods for analysis of liquids by covered fluidic channels integrated onto sensor platforms
CN106475158B (zh) * 2016-10-17 2019-06-04 首都师范大学 用于透射式太赫兹时域光谱系统的微流控芯片及制造方法
CN106645016A (zh) * 2016-11-23 2017-05-10 电子科技大学 基于l形结构超材料的透射型太赫兹微流通道传感器
CN107497507B (zh) * 2017-08-28 2019-09-27 中国科学院微电子研究所 一种微流道结构及其制备方法
CN108507969A (zh) * 2018-03-08 2018-09-07 电子科技大学 一种基于带隙等离子体谐振的高灵敏度太赫兹微流传感器
CN108535219B (zh) * 2018-04-08 2021-05-14 北京环境特性研究所 测量反射率的工装装置及制作测量反射率的试样的方法
CN110793936B (zh) * 2018-08-01 2021-07-23 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 基于光栅狭缝波导复合结构的传感器
CN109289946A (zh) * 2018-09-11 2019-02-01 上海理工大学 一种太赫兹pdms微流控型谐振腔芯片及其制备方法
CN110512282B (zh) * 2019-09-29 2021-01-01 中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院 一种新型太赫兹辐射源的实现方法
CN111122981B (zh) * 2019-12-25 2022-02-18 杭州电子科技大学 用于测量液体介电常数的高灵敏度微流体传感器
CN111077170B (zh) * 2019-12-25 2022-02-22 杭州电子科技大学 基于电磁带隙结构的高灵敏度微波微流体传感器
CN111229335B (zh) * 2020-01-17 2021-11-30 上海新微技术研发中心有限公司 光波导微流体芯片的制造方法
CN111504940A (zh) * 2020-05-11 2020-08-07 中国人民解放军陆军军医大学第一附属医院 一种太赫兹超材料与微流体技术联用的生物传感器及在液相生物样本检测中的应用
CN112082968B (zh) * 2020-09-14 2023-04-28 西南科技大学 一种太赫兹微流控传感器
CN112362615B (zh) * 2020-10-23 2022-12-06 西安理工大学 CNTs超表面与微通道集成的THz传感器及制作方法
CN114471752A (zh) * 2020-10-27 2022-05-13 京东方科技集团股份有限公司 一种芯片及其制备方法
CN112378882A (zh) * 2020-11-06 2021-02-19 中北大学南通智能光机电研究院 一种基于微流通道的太赫兹超材料液相折射率传感器
CN112557338B (zh) * 2020-11-20 2022-10-18 广东省农业科学院农产品公共监测中心 基于多特征单元的太赫兹超结构传感器及其使用方法
CN113030006B (zh) * 2021-03-08 2022-03-25 西南科技大学 具有不规则u型金属微结构的反射型太赫兹微流传感器
CN113058665B (zh) * 2021-03-16 2022-05-10 中国科学院物理研究所 一种基于二维材料的微流通道的制备方法和微流控制器件
CN113030003B (zh) * 2021-03-29 2022-08-30 厦门大学 一种基于厚度复用薄层宽带太赫兹指纹痕量检测传感器
CN113295645A (zh) * 2021-05-20 2021-08-24 天津工业大学 基于四叶草型的太赫兹混合网络检测芯片
CN113275051A (zh) * 2021-05-28 2021-08-20 嘉善君圆新材料科技有限公司 一种微流控芯片及制备方法与应用
CN113391044A (zh) * 2021-06-11 2021-09-14 湖南汽车工程职业学院 一种微流体检测装置
WO2022271079A1 (en) * 2021-06-21 2022-12-29 Anor Technologies Pte. Ltd. Terahertz spectroscopy system
CN113528343B (zh) * 2021-07-19 2022-08-02 中国科学院重庆绿色智能技术研究院 一种用于太赫兹波辐照的贴壁细胞培养器
CN114942232A (zh) * 2022-05-20 2022-08-26 江苏大学 一种高灵敏度太赫兹传感器及其制备方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101419167A (zh) * 2008-12-04 2009-04-29 浙江大学 高俘获率高灵敏度的微流控spr生物传感方法和装置
CN102288583A (zh) * 2011-07-15 2011-12-21 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 透射式金属光栅耦合spr检测芯片及检测仪
CN102401788A (zh) * 2011-05-18 2012-04-04 曹暾 一种具有集成光学谐振腔结构的微流控芯片生物传感器
CN202837178U (zh) * 2012-08-17 2013-03-27 中国计量学院 利用太赫兹异向介质谐振效应的酒精浓度测量装置

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6167910B1 (en) * 1998-01-20 2001-01-02 Caliper Technologies Corp. Multi-layer microfluidic devices
KR100668323B1 (ko) * 2005-01-19 2007-01-12 삼성전자주식회사 표면 플라즈몬 공명을 이용한 휴대용 바이오칩 스캐너
US7641865B2 (en) * 2005-04-08 2010-01-05 Velocys Flow control through plural, parallel connecting channels to/from a manifold
CN101360986A (zh) * 2005-12-16 2009-02-04 印第安纳大学研究及科技有限公司 亚微米表面等离子体激元谐振传感器系统
JP5288772B2 (ja) * 2007-11-02 2013-09-11 キヤノン株式会社 化学センサ素子、センシング装置およびセンシング方法
WO2009088408A1 (en) 2008-01-07 2009-07-16 Dynamic Throughput Inc. Discovery tool with integrated microfluidic biomarker optical detection array device and methods for use
JP2010164511A (ja) * 2009-01-19 2010-07-29 Epson Toyocom Corp センサーユニット、テラヘルツ分光測定装置およびテラヘルツ分光測定方法
JP2012185116A (ja) * 2011-03-08 2012-09-27 Mitsubishi Electric Corp 光学特性評価装置および光学特性評価方法
NZ725649A (en) * 2012-07-27 2018-05-25 Engender Tech Limited Method and system for microfluidic particle orientation and/or sorting
CN103499534B (zh) * 2013-07-25 2015-09-09 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 高灵敏太赫兹微流通道传感器及其制备方法
US9739751B2 (en) * 2015-02-05 2017-08-22 International Business Machines Corporation Devices for trapping and controlling microparticles with radiation

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101419167A (zh) * 2008-12-04 2009-04-29 浙江大学 高俘获率高灵敏度的微流控spr生物传感方法和装置
CN102401788A (zh) * 2011-05-18 2012-04-04 曹暾 一种具有集成光学谐振腔结构的微流控芯片生物传感器
CN102288583A (zh) * 2011-07-15 2011-12-21 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 透射式金属光栅耦合spr检测芯片及检测仪
CN202837178U (zh) * 2012-08-17 2013-03-27 中国计量学院 利用太赫兹异向介质谐振效应的酒精浓度测量装置

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
An absorptive filter using microfluidic switchable metamaterials;B.Dong, et al.;《Transducers 2011-2011 16th International Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems Conference》;20111231;第530-533页 *
New trends in instrumental design for surface plasmon resonance-based biosensors;Abdennour Abbas,et al.;《Biosensors and Bioelectronics》;20110115;第26卷(第5期);第171113-1至第171113-3页 *
Terahertz microfluidic sensor based on a parallel-plate waveguide resonant cavity;Rajind Mendis,et al.;《Applied Physics Letters》;20091026;第95卷(第17期);第1815-1524页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN103499534A (zh) 2014-01-08
US20160116402A1 (en) 2016-04-28
US9778175B2 (en) 2017-10-03
WO2015010545A1 (zh) 2015-01-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103499534B (zh) 高灵敏太赫兹微流通道传感器及其制备方法
Shushama et al. Sensitivity enhancement of graphene coated surface plasmon resonance biosensor
Kang et al. Terahertz wave interaction with metallic nanostructures
Patel et al. Encoding and tuning of THz metasurface-based refractive index sensor with behavior prediction using XGBoost Regressor
Adato et al. Engineering mid-infrared nanoantennas for surface enhanced infrared absorption spectroscopy
Shih et al. Microfluidic metamaterial sensor: Selective trapping and remote sensing of microparticles
Chen et al. Design of a terahertz metamaterial sensor based on split ring resonator nested square ring resonator
Kaur et al. Design of D-Shaped PCF-SPR sensor with dual coating of ITO and ZnO conducting metal oxide
Zhang et al. The antibody-free recognition of cancer cells using plasmonic biosensor platforms with the anisotropic resonant metasurfaces
CN112082968B (zh) 一种太赫兹微流控传感器
Liang et al. Unity integration of grating slot waveguide and microfluid for terahertz sensing
An et al. Quasi-D-shaped optical fiber plasmonic refractive index sensor
Baryshev et al. Efficiency of optical sensing by a plasmonic photonic-crystal slab
CN212410440U (zh) 一种超材料太赫兹生物传感器
Laurette et al. Corrugated Goubau lines to slow down and confine THz waves
CN111812059A (zh) 一种超材料太赫兹生物传感器及其制备方法
Shih et al. MIR plasmonic liquid sensing in nano-metric space driven by capillary force
Diaz-Valencia et al. Nanostructured hyperbolic metamaterials for magnetoplasmonic sensors
CN114062301B (zh) 一种双频带超材料太赫兹微流传感器
Hu et al. A silicon-based metasurface for terahertz sensing
Karki et al. Gold, MXene, and graphene nanofilm-based surface plasmon resonance sensor for malaria detection
CN113030003B (zh) 一种基于厚度复用薄层宽带太赫兹指纹痕量检测传感器
Yue et al. Multiple-resonant pad-rod nanoantennas for surface-enhanced infrared absorption spectroscopy
Mondal et al. Label-free biosensor on chip (BoC) based on localized surface plasmon resonance for monitoring temperature and blood hemoglobin concentration
Kumar et al. Long-range surface plasmon resonance biosensors with cytop/Al/Perovskite and cytop/Al/MoS2 configurations

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant