CN113049524B - 一种具有金属方形谐振阵列的太赫兹微流传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有金属方形谐振阵列的太赫兹微流传感器，该太赫兹微流传感器包括：盖层、金属矩形谐振阵列、金属反射镜面和衬底；衬底的表面设置金属反射镜面；金属反射镜面和盖层相对设置，金属反射镜面和盖层之间的空隙形成微流通道；金属矩形谐振阵列设置在微流通道内，且位于盖层的表面。金属矩形谐振阵列由多个金属矩形谐振单元组成，金属矩形谐振环单元包括两个相同的金属矩形谐振环，金属矩形谐振环螺旋绕制而成；两个金属矩形谐振环的外环相接；两个金属矩形谐振环旋转对称。本发明利用微流通道减轻水分对于太赫兹波的强吸收作用和金属方形谐振阵列位于微流通道中增加了待测液体和金属方形谐振阵列的接触面积，从而提高传感器的Q值和探测灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及微流传感器技术领域，特别是涉及一种具有金属方形谐振阵列的太赫兹微流传感器。
背景技术
太赫兹波是指频率在0.1～10THz范围内的电磁波，介于微波与红外之间，兼具红外的指纹识别特点和微波通信的特点。与其他频段的电磁波相比，太赫兹波具有许多独特优势。就生物传感而言，太赫兹光子的能量较低，不易对生物物质造成破坏。另外生物大分子自身振动或转动能量的频率恰好位于太赫兹波段，当有机分子相互作用时，会在太赫兹波段呈现强烈的吸收、色散特性。因此太赫兹波在生物医学、生物传感等方面发挥重要作用，具有广阔应用前景。
超材料是一种周期性排列的新型人工复合电磁材料，可以通过特殊的结构单元对磁场或电场产生谐振，从而实现特殊电磁特性。这种性质主要取决于结构单元的几何形状，而非其组成元素本身的物理性质，对传感器件而言有着非常大的设计空间。另外，超材料对周围环境的介电特性的变化非常敏感，并且对电磁场的局域性加强显示出很强的光谱特征，因此超材料可以应用于分析物的检测。
太赫兹超材料生物传感器具有免标记、响应快、灵敏度高、成本低等优点，在生物微量检测领域具有很大潜力。然而现有的大多数太赫兹超材料生物传感器在高Q值和高灵敏度方面仍无法满足实际需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有金属方形谐振阵列的太赫兹微流传感器，利用微流通道减轻水分对于太赫兹波的强吸收作用和金属方形谐振阵列位于微流通道中增加了待测液体和金属方形谐振阵列的接触面积，从而提高传感器的Q值和探测灵敏度。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种具有金属方形谐振阵列的太赫兹微流传感器，包括：盖层、金属矩形谐振阵列、金属反射镜面和衬底；
所述衬底的表面设置所述金属反射镜面；所述金属反射镜面和所述盖层相对设置，所述金属反射镜面和所述盖层之间的空隙形成微流通道；所述金属矩形谐振阵列设置在所述微流通道内，且位于所述盖层的表面。
所述金属矩形谐振阵列包括多个金属矩形谐振单元，所述金属矩形谐振环单元包括两个相同的金属矩形谐振环，所述金属矩形谐振环螺旋绕制而成；两个所述金属矩形谐振环的外环相接；两个所述金属矩形谐振环旋转对称。
可选的，所述金属矩形谐振环包括内环和外环，所述内环和所述外环连接，所述内环包括依次连接的第一谐振部、第二谐振部和第三谐振部，所述外环包括依次连接的第四谐振部、第五谐振部、第六谐振部和第七谐振部，所述第三谐振部和所述第四谐振部连接；
所述第一谐振部和所述第二谐振部平行，所述第三谐振部和所述第一谐振部垂直，所述第四谐振部和所述第六谐振部均和所述第三谐振部平行，所述第五谐振部和所述第七谐振部均和所述第一谐振部平行。
可选的，所述盖层的厚度为40μm-60μm。
可选的，所述盖层的材料为硅、石英、聚酰亚胺、含氟聚酰亚胺、聚乙烯或者聚四氟乙烯。
可选的，所述金属矩形谐振阵列的厚度为0.1μm-0.2μm。
可选的，所述金属矩形谐振阵列的材料为Al、Au、Ag、Cu或钛铂金合金。
可选的，所述微流通道的高度为5μm-10μm，宽度为1000μm-5000μm。
可选的，所述金属反射镜面的厚度为0.1μm-0.2μm。
可选的，所述金属反射镜面的材料为Al、Au、Ag、Cu或钛铂金合金。
可选的，所述衬底的厚度为10μm-500μm。
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：
本发明公开了一种具有金属方形谐振阵列的太赫兹微流传感器，包括：盖层、金属矩形谐振阵列、金属反射镜面和衬底；衬底的表面设置金属反射镜面；金属反射镜面和盖层相对设置，金属反射镜面和盖层之间的空隙形成微流通道；金属矩形谐振阵列设置在微流通道内，且位于盖层的表面。金属矩形谐振阵列包括多个金属矩形谐振单元，金属矩形谐振环单元包括两个相同的金属矩形谐振环，金属矩形谐振环螺旋绕制而成；两个金属矩形谐振环的外环相接；两个金属矩形谐振环旋转对称。本发明利用微流通道减轻水分对于太赫兹波的强吸收作用和金属方形谐振阵列位于微流通道中增加了待测液体和金属方形谐振阵列的接触面积，从而提高传感器的Q值和探测灵敏度。
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具有金属方形谐振阵列的太赫兹微流传感器侧面示意图；
图2为本发明实施例提供的具有金属方形谐振阵列的太赫兹微流传感器的参数示意图；
图3为本发明实施例提供的金属矩形谐振单元的第一参数示意图；
图4为本发明实施例提供的金属矩形谐振单元的第二参数示意图；
图5为本发明实施例提供的具有金属方形谐振阵列的太赫兹传感器的在不同折射率样品下的模拟反射谱图；
图6为本发明实施例提供的具有金属方形谐振阵列的太赫兹微流传感器在谐振频点处的表面电流分布图；
图7为本发明实施例提供的具有金属方形谐振阵列的太赫兹微流传感器频率偏移量随折射率变化的结果图。
符号说明：1-盖层，2-金属矩形谐振阵列，3-金属反射镜面，4-衬底，5-微流通道。
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金属方形谐振阵列的太赫兹微流传感器，旨在利用微流通道减轻水分对于太赫兹波的强吸收作用和金属方形谐振阵列位于微流通道中增加待测液体和金属方形谐振阵列的接触面积，从而提高传感器的Q值和探测灵敏度。，可应用于微流传感器技术领域。
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。
图1为本发明实施例提供的具有金属方形谐振阵列的太赫兹微流传感器侧面示意图。如图1所示，本实施例中的具有金属方形谐振阵列的太赫兹微流传感器，包括：盖层1、金属矩形谐振阵列2、金属反射镜面3和衬底4。
衬底4的表面设置金属反射镜面3；金属反射镜面3和盖层1相对设置，金属反射镜面3和盖层1之间的空隙形成微流通道5；金属矩形谐振阵列2设置在微流通道5内，且位于盖层1的表面。
金属矩形谐振阵列2包括多个金属矩形谐振单元，金属矩形谐振环单元包括两个相同的金属矩形谐振环，金属矩形谐振环螺旋绕制而成；两个金属矩形谐振环的外环相接；两个金属矩形谐振环旋转对称。
金属矩形谐振单元还包括设置多个方形单元周期，每个方形单元周期上均设置两个相同的金属矩形谐振环。
作为一种可选的实施方式，金属矩形谐振环包括内环和外环，内环和外环连接，内环包括依次连接的第一谐振部、第二谐振部和第三谐振部，外环包括依次连接的第四谐振部、第五谐振部、第六谐振部和第七谐振部，第三谐振部和第四谐振部连接。
第一谐振部和第二谐振部平行，第三谐振部和第一谐振部垂直，第四谐振部和第六谐振部均和第三谐振部平行，第五谐振部和第七谐振部均和第一谐振部平行。
作为一种可选的实施方式，盖层1的厚度为40μm-60μm。
作为一种可选的实施方式，盖层1的材料为硅、石英、聚酰亚胺、含氟聚酰亚胺、聚乙烯或者聚四氟乙烯。
作为一种可选的实施方式，金属矩形谐振阵列2的厚度为0.1μm-0.2μm。
作为一种可选的实施方式，金属矩形谐振阵列2的材料为Al、Au、Ag、Cu或钛铂金合金。
作为一种可选的实施方式，微流通道5的高度为5μm-10μm，宽度为1000μm-5000μm。
作为一种可选的实施方式，金属反射镜面3的厚度为0.1μm-0.2μm。
作为一种可选的实施方式，金属反射镜面3的材料为Al、Au、Ag、Cu或钛铂金合金。
作为一种可选的实施方式，衬底4的厚度为10μm-500μm。
作为一种可选的实施方式，衬底4的材料为半导体材料。
实施例
如图2、图3和图4所示，盖层1的厚度m为50μm，金属矩形谐振阵列2的厚度n为0.2μm，微流通道5的高度q为10μm，方形单元周期的边长p为120μm，内环和外环的宽度w均为6μm，第一谐振部的长度a为15μm，第二谐振部的长度b为4μm，第三谐振部的长度c为74μm，第四谐振部的长度d为31μm，第五谐振部的长度e为90μm，第六谐振部的长度f为52μm，第七谐振部的长度g为39μm。
第一谐振部和第三谐振部之间的距离h为4μm，第一谐振部和第四谐振部之间的距离i为5μm，第一谐振部和第五谐振部之间的距离j为15μm；第二谐振部和第六谐振部之间的距离k为5μm；第三谐振部和第七谐振部之间的距离l为15μm。
图5为本发明实施例提供的具有金属方形谐振阵列的太赫兹微流传感器的在不同折射率样品下的模拟反射谱图。从图5可以看到，当微流通道5内样品折射率为1即样品为空气时，太赫兹微流传感器产生了三个谐振峰，分别在fA＝0.738THz、fB＝1.062THz和fC＝1.312THz处，均达到90％以上的吸收。当分析物的折射率从1到2变化时，传感器的谐振峰出现了明显的频移现象。这说明该传感器可以将微小的折射率变化转变成明显的频移的现象，只需要通过频移的改变就可以检测待测液体，表现出高灵敏度。
定义品质因子Q＝f0/FWHM，其中f0表示谐振频率，FWHM表示谐振峰的半高宽。从图6可知每个谐振峰的半高宽分别为0.03THz、0.04THz、0.03THz，由此可得到各频点处的Q值分别为24.6、26.7、43.7。
图6的(a)部分-(c)部分分别表示fA-fC频点处传感器表面电流分布图。从图6可以看到，fA频点处的表面电流强度最弱，fC频点处的表面电流强度最强，因此，fA处的谐振磁场最弱，Q值和灵敏度最小。
图7为本发明实施例提供的具有金属方形谐振阵列的太赫兹微流传感器频率偏移量随折射率变化的结果图。从图7可以看出，折射率与频移量保持良好的线性关系，因此可以通过分析折射率与频移量之间的关系来进行物质的定量分析。这里定义折射率灵敏度S＝Δf/Δn，其中，Δf表示谐振峰频率变化量，Δn表示待测液体的折射率变化量，即为图5所示折线的斜率。可计算得到每一谐振峰的折射率灵敏度分别为395.2GHz/RIU、343.8GHz/RIU、225.5GHz/RIU，其中GHz为频率单位，RIU指单位折射率，可见，传感器表现出高灵敏度。
定义品质因数FOM＝S/FWHM。可以计算出fA-fC频点处处的FOM值分别为7.5、8.6、13.2。
相较于现有传感器，本发明中所述传感器在提高了Q值的同时保持了较高的灵敏度。三个谐振峰包含了更多的样品信息，提高了探测的灵敏度和精确度。金属方形谐振阵列包含在微流通道内，增加了液体与超材料的接触面积，使局域电场得到增强，从而提高了传感器灵敏度。金属反射镜面使太赫兹波局域在金属表面，不会产生透射现象，从而增强了太赫兹波穿过样品的次数，使反射太赫兹波可以携带更多的样品信息，提高传感精度和灵敏度。
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装置及其核心思想；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)
1.一种具有金属方形谐振阵列的太赫兹微流传感器，其特征在于，包括：盖层、金属矩形谐振阵列、金属反射镜面和衬底；
所述衬底的表面设置所述金属反射镜面；所述金属反射镜面和所述盖层相对设置，所述金属反射镜面和所述盖层之间的空隙形成微流通道；所述金属矩形谐振阵列设置在所述微流通道内，且位于所述盖层的表面；
所述金属矩形谐振阵列包括多个金属矩形谐振单元，所述金属矩形谐振环单元包括两个相同的金属矩形谐振环，所述金属矩形谐振环螺旋绕制而成；两个所述金属矩形谐振环的外环相接；两个所述金属矩形谐振环旋转对称；
所述金属矩形谐振环包括内环和外环，所述内环和所述外环连接，所述内环包括依次连接的第一谐振部、第二谐振部和第三谐振部，所述外环包括依次连接的第四谐振部、第五谐振部、第六谐振部和第七谐振部，所述第三谐振部和所述第四谐振部连接；
所述第一谐振部和所述第二谐振部平行，所述第三谐振部和所述第一谐振部垂直，所述第四谐振部和所述第六谐振部均和所述第三谐振部平行，所述第五谐振部和所述第七谐振部均和所述第一谐振部平行。
2.根据权利要求1所述的具有金属方形谐振阵列的太赫兹微流传感器，其特征在于，所述盖层的厚度为40μm-60μm。
3.根据权利要求1所述的具有金属方形谐振阵列的太赫兹微流传感器，其特征在于，所述盖层的材料为硅、石英、聚酰亚胺、含氟聚酰亚胺、聚乙烯或者聚四氟乙烯。
4.根据权利要求1所述的具有金属方形谐振阵列的太赫兹微流传感器，其特征在于，所述金属矩形谐振阵列的厚度为0.1μm-0.2μm。
5.根据权利要求1所述的具有金属方形谐振阵列的太赫兹微流传感器，其特征在于，所述金属矩形谐振阵列的材料为Al、Au、Ag、Cu或钛铂金合金。
6.根据权利要求1所述的具有金属方形谐振阵列的太赫兹微流传感器，其特征在于，所述微流通道的高度为5μm-10μm，宽度为1000μm-5000μm。
7.根据权利要求1所述的具有金属方形谐振阵列的太赫兹微流传感器，其特征在于，所述金属反射镜面的厚度为0.1μm-0.2μm。
8.根据权利要求1所述的具有金属方形谐振阵列的太赫兹微流传感器，其特征在于，所述金属反射镜面的材料为Al、Au、Ag、Cu或钛铂金合金。
9.根据权利要求1所述的具有金属方形谐振阵列的太赫兹微流传感器，其特征在于，所述衬底的厚度为10μm-500μm。
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2021
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