CN108507969A - 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 - Google Patents
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 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了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，设计传感器领域。该传感器自上而下包括盖板(Cap)，介质环(Etching groove)，金属阵列周期性结构层，微流体通道，金属反射镜，衬底介质基片和液体输入输出通道(in/outlet)。所述盖板上蚀刻有介质环并且金属微结构层附着在介质环上，所述衬底上设有金属平面反射镜。本发明中金属阵列微结构采用中心对称的双圆环结构作为金属微结构阵列，具有对极化不敏感和双谐振的特性，并且在双环基础上可以增加谐振环数量实现更高阶的谐振响应，实现多谐振检测。与不加介质环的传感相比，本发明所述传感器的灵敏度提高了25％以上，较之现有传感器，灵敏度更是大幅度的提升，并且结构简单，易于加工和使用。
Description
技术领域
本发明涉及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，具体涉及一种基于带隙等离子激元与微流体通道结合的太赫兹传感器。
背景技术
近年来，超材料生物传感器作为一种新型的检测手段，能够突破传统传感器的分辨率限制，具有无标记、响应快、时效性且无损耗的特点。该类传感器的研究主要集中在微波、太赫兹和光波段等，特别是太赫兹波段生物传感器的研究更引起人们的关注。通过对太赫兹波普的研究，发现很多生物大分子在太赫兹波端存在特征峰，使得太赫兹传感技术成为生物分子和化学物质重要的检测手段。利用超材料与生物分子水合物的亲和性结合形成太赫兹强共振吸收，并将超材料对分析物厚度和折射率变化的敏感响应转换为特征峰的频率或幅值变化，是一种提高检测灵敏度的有效技术途径。此外，太赫兹微流传感器对于生物医学和生物化学研究具有重要意义。目前的太赫兹超材料生物传感器尽管能够实现单分子和微摩尔检测，但大部分都是基于非水溶性分析物，对于大部分由水分子为主构成的生物细胞传感在结合生物分子特异性进行检测方面研究还存在明显不足，因此对于基于太赫兹超材料的生物微流传感器的研究十分迫切。
2010年Nano Lett杂志第10卷2342页上报道了一种基于窄带完美吸波器的近红外等离子传感器，其检测灵敏度达到420nm/RIU。2012年Sensors and Actuators A:Physical杂志189卷报道一种基于单个谐振环产生局部强电场的微流传感器，利用微流与局部电场相互作用引起的谐振点以及带宽的变化实现传感。2015年Applied Physics Letters杂志106卷031107页对太赫兹超材料吸波体(metamaterial perfect absorber-MPA)和太赫兹超表面的传感灵敏度进行了对比研究，结果表明由于超材料吸波器的法布里-珀罗腔体(Fabry-Pérot，F-P)结构使吸波器腔体内和吸波器表面的电磁场谐振显著增强，其品质因数相比采用相同谐振单元的超表面结构高了一个数量级。利用超表面完美吸波体增强对太赫兹波的吸收，从而实现对分析物的电磁响应，可以对分析物的折射率、厚度等特性进行高灵敏度传感检测。然而，多数基于MPA的传感器件采用吸波器表面等离子场与分析物互作用，并未充分利用空间场的重叠实现电磁能量利用的最大化，并不适用于太赫兹生物微流传感检测。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种结构简单、灵敏度高、电磁场能量利用率高、品质因数高、损耗小的超材料传感器，主要通过带隙等离子激元与超表面微结构耦合增强谐振机制，使得结构空间互耦增强，加强分析物与太赫兹相互作用增强，得到高灵敏双波带偶极子模式。
本发明通过将微流通道采用In-middle结构与双环偶极子单元巧妙并有效的结合加利用，提出的一种基于MPA腔体-微流体通道复合结构，研究表明偶极子双环结构显著提高了传感装置对太赫兹时域光谱仪的响应度，具有对入射太赫兹极化不敏感和双谐振的特性，在双环基础上可以增加谐振环数量实现更高阶的谐振响应，实现多谐振检测。与一般的微流体通道结构不同的是，本发明的复合通道结构创新性的在上层介质层中蚀刻出一层介质环，从而增加了传感物质与场相互作用的区域，并且，通过减小通道高度可以增强上下层金属结构间的NFC近场耦合，上下层金属表面电流形成磁偶极子，实现纵向FP谐振到横向GAP等离子谐振的转换。不同于FP效应，GAP谐振强度和传感灵敏度随着通道高度的减小增加，有效提高了能量利用率，有利于实现对于微量或低浓度的生物样本高灵敏度的微流传感检测。
因而本发明技术方案为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，该传感器包括：盖板、设置于盖板下方的介质环单元、附着于介质环单元上的金属谐振单元、衬底、设置于衬底上的金属反射镜、金属反射镜与金属谐振单元之间设置的微流通道、衬底上设置微流通道的进液口和出液口，所述微流体通道通过盖板与衬底密封，所述介质槽及金属谐振单元阵列设置于盖板下方。所述金属谐振单元和金属反射镜之间形成具有Gap等离子效应的微流通道；并且当所述的微流通道内存有被测液体时，主要由所述金属谐振单元、被测液体和金属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。
进一步的，所述介质环单元与金属谐振单元为同圆心的双环结构。双环偶极子单元的电流呈现trapped mode的特点，极大的抑制了辐射的损耗，极大的调高的灵敏度；在双环基础上可以增加谐振环数量实现更高阶的谐振响应，实现多谐振检测。
进一步的，所述盖板厚度为100～140um，材料为石英、PI、PI、聚酯薄膜、聚四氟乙烯、罗杰斯泡棉或砷化镓中的任意一种或其层状组合。
进一步的，介质环单元厚度为5～10um。
进一步的，所述金属谐振单元厚度为0.01～0.5um，周期为95～96um，材料为Al、Au、Ag、Cu或Ti/Pt/Au合金中一种或其组合。周期介质环和金属阵列结构相结合，增大了强互作用区域，明显的提高了灵敏度。
进一步的，所述金属反射镜厚度大于200nm，材料为金属铝薄膜、Au、Ag、Cu或Ti/Pt/Au合金。
进一步的，衬底材料为硅、陶瓷介质材料、晶体介质材料或半导体材料中的任意一种或其层状组合。
所述的结构由于具有旋转对称特性，因此对于入射光极化不敏感。当电磁波垂直入射时，经过上层介质层(Cap)、介质环、上层金属谐振单元阵列周期性结构层和微流通道，经过金属底部的反射板反射回去，超材料传感器与生物分子水合物的亲和性结合形成太赫兹强共振吸收，实现对分析物的电磁响应。与其他太赫兹超材料传感器相比，具有明显的局限场，灵敏度增强、双波段谐振和极化不敏感，这些优点十分适合对无标记微生物和化学物质的检测。
本发明基于带隙等离子体谐振的高灵敏度太赫兹微流传感器，具有如下优点：1)本发明采用In-middle结构与金属微结构阵列单元巧妙并有效的结合加利用，金属微结构和金属平面反射镜之间形成具有Gap等离子效应的微流通道微流通道，使吸波器腔体内和吸波器表面的电磁场谐振显著增强，其相比采用相同谐振单元的超表面结构具有更高的灵敏度、更强的吸收能力。2)本发明在一般的微流体通道之上创新性提出蚀刻一层介质环，金属槽上设置金属微阵列结构，金属微结构处于微流通道中段，电磁波的能量集中在微流通道中，电场能量的最强区域与微流通道完美契合，与分析物的相互作用非常强烈。3)采用中心对称的双圆环结构作为金属微结构阵列，具有对极化不敏感和双谐振的特性，并且在双环基础上可以增加谐振环数量实现更高阶的谐振响应，实现多谐振检测。
附图说明
图1为本发明提供的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的三维结构示意图；
图2(a)为本发明提供的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结构侧视图，(b)为相应的超材料阵列4*4结构示意图，(c)为单个谐振单元结构示意图
图3为基于周期介质环与金属阵列结构结合的高灵敏度太赫兹微流传感器的两个模式在通道中电场场分布仿真结果图；
图4为两个谐振点在上层金属阵列和金属反射板表面电流分布仿真示意图；
图5为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的频谱仿真结果图(a)和用于与本发明作对比的传感器(同一模型，未加介质环的传感器)仿真结果图(b)。
图6本发明(grooves)与未加介质环传感器(no-grooves)的两个模式灵敏度结果图对比。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
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，本发明通过将微流通道采用In-middle结构与双环偶极子单元巧妙并有效的结合加利用，提出的一种基于MPA腔体-微流体通道复合结构，实现局限的电磁场进而分析物与太赫兹作用加强，得到高灵敏度双波带偶极子模式谐振。
如图1、2所示，本发明的结构包括盖板，介质环，上层金属阵列周期性结构层，微流体通道，金属反射镜，衬底介质基片和液体输入输出通道。所述盖板上蚀刻有介质环并且金属微结构层附着在介质环上，所述衬底上设有金属平面反射镜。
前述盖板(Cap)包括在一个平面上周期性排列的M×N个单元，所述金属谐振单元为中心对称结构，M和N皆为大于10的整数，盖板优选为石英，厚度为100～140um，也可以为PI，厚度为50～80um。也可为mylar、聚四氟乙烯、Pet、罗杰斯系列或砷化镓等半导体材料。在本实例中，采用石英作为盖板。
前述介质环单元(Etching groove)与金属微阵列结构均为双环形状，介质环厚度优选为5～10um。介质环上设置金属微阵列结构，周期介质环和金属阵列结构相结合，增大了强互作用区域，明显的提高了灵敏度。
前述金属微结构层为周期性结构，由周期性双环排列的对称偶极子谐振单元构成，双环是中心对称设置的内环和外环，单元周期优选为a＝96um。厚度优选为0.01～0.5um。金属材料优选为电导率为3.72×107S/m的金属铝，也可以为Au、Ag、Cu或Ti/Pt/Au合金中一种或者其组合。
前述衬底介质基片材料至少包括硅、陶瓷介质材料、晶体介质材料或半导体材料中的任意一种。
前述金属反射镜设置在衬底介质中，厚度大于200nm。金属材料优选为电导率为3.72×107S/m的金属铝，也可以为Au、Ag、Cu或Ti/Pt/Au合金中一种或者两种以上的组合。
前述金属微结构和金属平面反射镜之间形成具有Gap等离子效应的微流通道微流通道。通道厚度优选为1～10um，并且当所述的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。
如图2所示，在本实例中，所述周期介质环与金属阵列结构结合的高灵敏度太赫兹微流传感器的参数为：w＝6um,r＝26um,g＝8um,h1＝100um,h2＝5um。
上述周期介质环与金属阵列结构结合的高灵敏度太赫兹微流传感器经电磁场模拟仿真软件证明了其可行性。
图3分别表示表示ModeA和ModeB两个模式谐振点(f1＝0.800THz,f2＝1.298THz)的电流和电场分布图，由于谐振结构具有旋转对称性，所以具有对极化不敏感的特性，图中可以明显的看出内环和外环的表面电流方向相反，形成Trapped mode的分布情况，这种电流分布对自由空间的耦合作用很微弱，所以辐射损耗被完全抑制，更有利于增加吸收，提高检测物质与太赫兹波的相互作用效率。在图4中ModeA和ModeB两个模式谐振点(f1＝0.800THz,f2＝1.298THz)下微流通道的电场分布图，由金属微结构层和底部金属反射镜形成的微流通道，因为通道的尺寸远小于波长，微流通道具有Gap等离子体效应，间隙等离子体激元极大的增强了金属阵列微结构和底部金属反射板之间的耦合，使得谐振增强。电磁波的主要能量被限制在微流体通道中，有效地提高了能量的利用率，使通道中细微的折射率变化都将体现在吸收峰的变化上。
图5表示的高灵敏度的太赫兹微流传感器的频谱仿真结果图(a)和用于与本发明作对比的传感器(同一模型，未加介质环的传感器)仿真结果图(b)。本发明采用中心对称的周期性双环偶极子结构，具有双谐振的特点，并且，两种模式谐振峰的吸收率都呈现完美吸收的特点，通过图(a)，可以看到ModeA在分析物的折射率n＝1、1.6和1.8时，几乎是完全吸收，同样的，ModeB在分析物的折射率n＝1和2.1时，吸收率达到92％以上。当分析物的折射率从1变化到2.1时，传感器吸收峰有了非常明显的红移，尤其是ModeA。虽然吸收率降低了，但还是保持在80％以上，这说明本发明对太赫兹共振吸收非常强，能够将超材料对分析物细微折射率变化体现在特征峰的频率或幅值显著变化，表现出非常高的灵敏度。而同样的结构加槽与未加槽相比，随着折射率的变化，显然加槽谐振峰红移非常明显，而且吸收率也更高。
这里定义归一化灵敏度为RIU-1＝δf/(δn*fx)，δf表示谐振频率移动量，δn表示折射率的变化量，而fx表示谐振频率。图6表示的为本发明(grooves)与未加介质环传感器(no-grooves)的两个模式归一化灵敏度结果图对比，通过对比，可以明显的看到，本发明对于ModeA和ModeB的归一化灵敏度均达到0.6/RIU(refractive index unit)，表现出非常高的灵敏度，而对于未加介质环的，其相应模式的归一化的灵敏度仅为0.375/RIU和0.352/RIU,相比未加介质环，有介质环的传感器灵敏度提高了25％以上。
需要注意的是，灵敏度受到一些外部的因素影响，其中影响最大的就是盖板的厚度、通道的深度也就是分析物的厚度，对上层介质材料厚度时，灵敏度先随着厚度增加而提升，在达到一定程度时，随着厚度增加，传感器的灵敏度会逐渐降低。而灵敏度与随着通道的深度之间的关系呈现负线性变化。所以，本发明在优化一切因素之后，在结构上改进，蚀刻一层介质环，使得灵敏度有了显著的提高。
尽管一些新型的多谐振、多极化方式的太赫兹时域/频域传感检测传感器为实现太赫兹生物微流传感器提供了一种重要的结构设计方案，如利用Fano谐振，利用高Q值谐振峰来提高检测精度，然而这类传感器电场与分析物的互作用相对比较弱，而且如果分子在金属结构表面分布较少的话，灵敏度会极大的收到限制，因为距离金属结构表面越远，电场强度越弱。而本发明的MPA腔体-微流体通道复合结构，双环结构浸入分析物中，双环结构与底部反射镜，形成Gap等离子谐振，可以实现高灵敏度、高时效性、高可靠性的太赫兹无标记生物微流传感检测。
本发明针对生物或化学微量液体样本进行太赫兹传感检测，生物分子分析物将通过试管从微流通道底部注入，底部流出。金属微阵列结构、被测液体和金属反射镜，构成了具有强共振特性的复合结构，实现了完美的吸波器，从而实现高灵敏度的太赫兹微流传感器。
Claims (6)
1.一种基于带隙等离子体谐振的高灵敏度太赫兹微流传感器，该传感器包括：盖板、设置于盖板下方的介质环单元、附着于介质环单元上的金属谐振单元、衬底、设置于衬底上的金属反射镜、金属反射镜与金属谐振单元之间设置的微流通道、衬底上设置微流通道的进液口和出液口，所述微流体通道通过盖板与衬底密封，所述介质槽及金属谐振单元阵列设置于盖板下方。
2.如权利要求1所述的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，其特征在于所述介质环单元与金属谐振单元为同圆心的双环结构。
3.如权利要求1或2所述的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，其特征在于所述盖板厚度为100～140um，材料为石英、PI、PI、聚酯薄膜、聚四氟乙烯、罗杰斯泡棉或砷化镓中的任意一种或其层状组合。
4.如权利要求1或2所述的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，其特征在于介质环单元厚度为5～10um。
5.如权利要求1或2所述的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，其特征在于所述金属谐振单元厚度为0.01～0.5um，周期为95～96um，材料为Al、Au、Ag、Cu或Ti/Pt/Au合金中一种或其组合。进一步的，所述金属反射镜厚度大于200nm，材料为金属铝薄膜、Au、Ag、Cu或Ti/Pt/Au合金。
6.如权利要求1或2所述的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，其特征在于衬底材料为硅、陶瓷介质材料、晶体介质材料或半导体材料中的任意一种或其层状组合。
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