CN113030006B - 具有不规则u型金属微结构的反射型太赫兹微流传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有不规则U型金属微结构的反射型太赫兹微流传感器。该太赫兹微流传感器包括衬底和盖层，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用于被测液体流通的微流通道，当对被测液体进行测量时，所述被测液体充满所述微流通道，所述金属微结构层包括多个周期性排列的金属微结构，所述金属微结构为不规则U型结构。保障了在每次测量中被测液体的厚度是一样的，进而，避免了由于多次测量中被测液体厚度不同所带来的误差，提高了测量结果的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹微流传感器，特别是涉及一种具有不规则U型金属微结构的反射型太赫兹微流传感器。
背景技术
太赫兹波(Terahertz,THz)是指频率为0.1～10THz的电磁波，其波段位于微波和红外波之间。由于具有能量低、宽带宽、穿透性强等特性，在通信、安检、生物医学等方面具有重要的应用前景。特别是在生物传感器方面，由于其光子能量低，不会对生物材料的理化性质产生影响，且其能够激发出生物大分子的集体振荡模式，所以可用于生物传感器方面的研究。如今，太赫兹生物传感器是太赫兹功能器件中的研究热点，它可以将生物活性物质作为一种识别元件，与理化换能器有机结合而形成的一种检测装置。不仅可以方便地对不同成分的样品进行检测，还可以对生物分子与药物之间发生的化学反应进行监测。
超材料(Metamaterial)是周期性排列的人工电磁材料，特殊的设计结构会表现出普通材料所不具备的特性，例如负折射，负磁导率，负电导率等方面。随着微纳加工技术的不断进步，超材料的加工技术也逐渐成熟，将基于超材料的太赫兹传感器用于生物传感方面的研究也日益增多。但是由于水对太赫兹波具有强吸收作用，且对同一被测液体往往需要多次测量，如果每次测量时被测液体的厚度不同将会影响测量结果的准确性，而现有的太赫兹生物传感器并不能精确的控制使每次被测液体的厚度相同，因此，其提供的测量结果准确性不高。
发明内容
本发明的目的是提供一种不规则U型结构的反射型太赫兹微流传感器，能够确保每次测量时被测液体的厚度相同。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种具有不规则U型金属微结构的反射型太赫兹微流传感器，所述太赫兹微流传感器包括衬底和盖层，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用于被测液体流通的微流通道，当对被测液体进行测量时，所述被测液体充满所述微流通道，所述金属微结构层包括多个周期性排列的金属微结构，所述金属微结构为不规则U型结构。
可选的，所述不规则U型结构包括第一臂、第二臂和第三臂，所述第一臂的一端与所述第二臂的一端连接，所述第二臂的另一端与所述第三臂连接，所述第二臂与所述第三臂相互垂直，所述第一臂与所述第二臂的夹角为25°～40°；所述第一臂、所述第二臂和所述第三臂的宽度为3～8μm，长度分别为76～86μm、76～86μm、46～56μm。
可选的，所述盖层与所述金属平面反射镜之间的间隔为0～20μm。
可选的，所述盖层与所述金属平面反射镜之间的间隔为7μm。
可选的，所述金属微结构的厚度为0.1～0.4μm。
可选的，所述金属微结构的厚度为0.2μm。
可选的，所述金属平面反射镜的厚度为0.1～0.4μm。
可选的，所述金属微纳结构的阵列周期为120～180μm。
可选的，所述盖层的材料为聚酰亚胺、石英、砷化镓、高阻硅、聚丙烯、玻璃、聚四氟乙烯、聚丙烯和聚甲基戊烯中的任意一种，所述衬底的材料为聚酰亚胺、石英、砷化镓、高阻硅、聚丙烯、玻璃、聚四氟乙烯、聚丙烯和聚甲基戊烯中的任意一种。
可选的，所述金属微结构的材料为金、银、铜、铁、铝、铬和镍中的一种或几种，所述金属平面反射镜的材料为金、银、铜、铁、铝、铬和镍中的一种或几种。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的反射型太赫兹微流传感器设置有用于使被测液体流过的微流通道，在检测时，被测液体充满该微流通道，保障了在每次测量中被测液体的厚度是一样的，进而，避免了由于多次测量中被测液体厚度不同所带来的误差，提高了测量结果的准确性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的太赫兹微流传感器的结构示意图；
图2为本发明实施例中太赫兹微流传感器的金属微结构的平面图；
图3为基于本发明实施例提供的太赫兹微流传感器，液体样本折射率与反射谱谐振频率的偏移量值之间的关系图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种具有不规则U型金属微结构的反射型太赫兹微流传感器，能够确保每次测量时被测液体的厚度相同。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参见图1，本实施例提供的具有不规则U型金属微结构的反射型太赫兹微流传感器包括衬底5和盖层1，衬底5上设有金属平面反射镜4，盖层1上设有金属微结构层2，金属平面反射镜4与金属微结构层2之间形成有用于被测液体流通的微流通道3，当对被测液体进行测量时，被测液体充满微流通道3。
由于微流通道的高度(即盖层1与金属平面反射镜之间的间隔)一定，检测时被测液体充满该微流通道保障了在每次测量中被测液体的厚度是一样的，进而，避免了由于多次测量中被测液体厚度不同所带来的误差，提高了测量结果的准确性。
当太赫兹波从盖层1上方表面垂直入射，并经金属平面反射镜4反射，超材料金属结构(金属微结构)与特定频率电磁波相互作用，对不同折射率的样本表现出不同的电磁波局域性增强效果，在反射谱图中形成谐振峰，且谐振峰处反射率最低。参见图2，作为本发明的一种实施方式，为获得高灵敏度的反射型太赫兹波传感器，金属微结构层2中周期性排列的金属微结构为不规则U型结构，不规则U型结构包括第一臂、第二臂和第三臂，第一臂的一端与第二臂的一端连接，第二臂的另一端与第三臂连接，第二臂与第三臂相互垂直，第一臂与第二臂的夹角为25°～40°；第一臂、第二臂和第三臂的宽度W为3～8μm，第一臂的长度L1、第二臂的长度L2和第三臂的长度L3分别为76～86μm、76～86μm、46～56μm。图2中，P为周期性阵列层中的一个单元结构的尺寸大小，多个这种单元结构组合起来就构成了周期性阵列层。
作为本发明的一种实施方式，盖层1与金属平面反射镜之间的间隔为0～20μm，优选为7μm。
作为本发明的一种实施方式，盖层1的材料为聚酰亚胺、石英、砷化镓、高阻硅、聚丙烯、玻璃、聚四氟乙烯、聚丙烯和聚甲基戊烯中的任意一种。
衬底5的材料为聚酰亚胺、石英、砷化镓、高阻硅、聚丙烯、玻璃、聚四氟乙烯、聚丙烯和聚甲基戊烯中的任意一种。
作为本发明的一种实施方式，金属微结构的材料为金、银、铜、铁、铝、铬和镍中的一种或几种。
金属平面反射镜的材料为金、银、铜、铁、铝、铬和镍中的一种或几种。
作为本发明的一种实施方式，金属微纳结构的阵列周期为120～180μm，优选为146μm。
作为本发明的一种实施方式，金属微结构和金属平面反射镜的厚度为0.1～0.4μm，其中，金属微结构的厚度优选为0.2μm。
参见图3示出了在微流通道中添加不同折射率的液体样本时，对应的反射谱谐振频率的偏移量值。根据传感器灵敏度的定义，即单位折射率变化量对应的反射谱谐振频率的偏移量值，当微流通道高度为7μm时，本实施例提供的太赫兹微流传感器的灵敏度为290.4GHz/RIU。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (9)
1.一种具有不规则U型金属微结构的反射型太赫兹微流传感器，其特征在于，所述太赫兹微流传感器包括衬底和盖层，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用于被测液体流通的微流通道，当对被测液体进行测量时，所述被测液体充满所述微流通道，所述金属微结构层包括多个周期性排列的金属微结构，所述金属微结构为不规则U型结构；
所述不规则U型结构包括第一臂、第二臂和第三臂，所述第一臂的一端与所述第二臂的一端连接，所述第二臂的另一端与所述第三臂连接，所述第二臂与所述第三臂相互垂直，所述第一臂与所述第二臂的夹角为25°～40°；所述第一臂、所述第二臂和所述第三臂的宽度为3～8μm，长度分别为76～86μm、76～86μm、46～56μm。
2.根据权利要求1所述的反射型太赫兹微流传感器，其特征在于，所述盖层与所述金属平面反射镜之间的间隔为0～20μm。
3.根据权利要求2所述的反射型太赫兹微流传感器，其特征在于，所述盖层与所述金属平面反射镜之间的间隔为7μm。
4.根据权利要求1所述的反射型太赫兹微流传感器，其特征在于，所述金属微结构的厚度为0.1～0.4μm。
5.根据权利要求4所述的反射型太赫兹微流传感器，其特征在于，所述金属微结构的厚度为0.2μm。
6.根据权利要求1所述的反射型太赫兹微流传感器，其特征在于，所述金属平面反射镜的厚度为0.1～0.4μm。
7.根据权利要求1所述的反射型太赫兹微流传感器，其特征在于，所述金属微纳结构的阵列周期为120～180μm。
8.根据权利要求1所述的反射型太赫兹微流传感器，其特征在于，所述盖层的材料为聚酰亚胺、石英、砷化镓、高阻硅、聚丙烯、玻璃、聚四氟乙烯、聚丙烯和聚甲基戊烯中的任意一种，所述衬底的材料为聚酰亚胺、石英、砷化镓、高阻硅、聚丙烯、玻璃、聚四氟乙烯、聚丙烯和聚甲基戊烯中的任意一种。
9.根据权利要求1所述的反射型太赫兹微流传感器，其特征在于，所述金属微结构的材料为金、银、铜、铁、铝、铬和镍中的一种或几种，所述金属平面反射镜的材料为金、银、铜、铁、铝、铬和镍中的一种或几种。
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