CN114062301A - 一种双频带超材料太赫兹微流传感器 - Google Patents

一种双频带超材料太赫兹微流传感器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种双频带超材料太赫兹微流传感器，通过在金属平面反射层和金属微结构层之间形成用于测量液体样本的微流通道，以及设置多个超材料单元周期性排列在金属微结构层上将微流通道与超材料进行结合，能够保障每次测量时对测量液体样本厚度进行精确控制，同时液体分析物与微流通道内电磁场空间充分重叠，增强了两者相互作用，提升了传感性能，能够在降低电磁能量损耗低的同时，提高品质因子和灵敏度，进而满足设计高性能传感器的需求。

Description

一种双频带超材料太赫兹微流传感器
技术领域
本发明涉及传感器件技术领域，特别是涉及一种双频带超材料太赫兹微流传感器。
背景技术
太赫兹波是指频率范围在0.1～10THz(对应波长为0.03～3毫米)的电磁波，该波段介于微波和红外之间，正好处于电子学到光子学的过渡区域。太赫兹波具有许多独特的性质：低光子能量与非电离性，与X光等射线相比，THz的光子能量为4.1meV，仅为毫电子伏特，远低于各种化学键的键能，不会对人体与生物组织造成结构性损坏；光谱指纹特性，THz波段包含了大多数生物大分子的转动或振动能级，特别是对于蛋白质与核酸生物有机大分子等，故可通过其特有的光谱特征识别，就如同利用指纹识别不同的人一样，故也称为其指纹性；另外还有其强穿透、吸水性、瞬态性、强分辨率、窄脉冲、宽带宽等优点被广泛应用于无损检测、通信、军用、医用等领域。其中，由于其特别具有优势的指纹性与低能量性，THz适用于生物传感检测。但最开始出现的利用太赫兹技术传感检测都需要进行标记，例如荧光标记、放射性核素标记、酶标记等，广泛应用于基因、蛋白质检测方面。但由于传统标记检测会破坏样本，且检测步骤复杂繁多，不利于快速检测与小型化器件从而进行更大范围的检测，故人们利用超材料与太赫兹传感器的结合发展了太赫兹超材料传感器。
超材料(Metamaterial)是人工设计的具有周期性排列的均匀等效电磁材料，其单元结构周期远远小于工作波长且具有一些自然界材料所不具备的特殊的电磁性质，例如负折射，负磁导率，负电导率、电磁诱导透明现象、完美吸收等。通过设计不同形状和尺寸的结构单元，超材料将产生不同的物理特性。在太赫兹频段内，周围环境折射率的微弱变化将会引起超材料电磁特性发生显著改变，太赫兹超材料适用于生物传感领域。
目前，太赫兹波段的生物传感技术仍未成熟完善，主要难点在于如何克服水对太赫兹波的强烈吸收。近年来随着微加工技术的不断进步，微流控技术为太赫兹传感检测提供了新的途径。现有微流技术能精确地将微流通道控制在一个很小的数量级，减少水对入射太赫兹波的吸收，从而提高传感器的灵敏度，但是依旧存在电磁能量损耗高、品质因子低等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有电磁能量损耗低、品质因子高、灵敏度高等特点的双频带超材料太赫兹微流传感器。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种双频带超材料太赫兹微流传感器，包括：依次设置的基底、金属平面反射层、金属微结构层和盖层；
所述金属平面反射层和所述金属微结构层之间形成用于测量液体样本的微流通道；
所述金属微结构层包括多个超材料单元；多个所述超材料单元周期性排列。
优选地，所述超材料单元上设置有第一谐振环、第二谐振环和第三谐振环；
所述第一谐振环和所述第三谐振环以所述第二谐振环为中心对称设置，且所述第一谐振环和所述第三谐振环上均设置有开口，所述第一谐振环的开口和所述第三谐振环的开口相对设置。
优选地，所述第二谐振环为“工”字形谐振环。
优选地，所述金属微结构层的厚度范围为0.05～0.3μm；所述金属微结构层的制备材料为金、银、铜、铁、铝、铬和镍中的至少一种。
优选地，所述金属微结构层的厚度为0.2μm。
优选地，多个所述超材料单元的排列周期为130μm。
优选地，所述金属平面反射层的厚度为0.2μm；所述金属平面反射层的制备材料与所述金属微结构层的制备材料相同。
优选地，所述盖层的厚度范围为50～120μm；所述盖层的制备材料为聚酰亚胺、石英、砷化镓、高阻硅、聚四氟乙烯、聚丙烯和聚甲基戊烯中的任意一种。
优选地，所述基底的厚度范围为1～500μm；所述基底的制备材料为高阻硅、聚酰亚胺和石英中的任意一种。
优选地，所述微流通道的厚度范围为8～12μm。
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：
本发明提供的双频带超材料太赫兹微流传感器，通过在金属平面反射层和金属微结构层之间形成用于测量液体样本的微流通道，以及设置多个超材料单元周期性排列在金属微结构层上将微流通道与超材料进行结合，能够保障每次测量时对测量液体样本厚度进行精确控制，同时液体分析物与微流通道内电磁场空间充分重叠，增强了两者相互作用，提升了传感性能，能够在降低电磁能量损耗低的同时，提高品质因子和灵敏度，进而满足设计高性能传感器的需求。
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为本发明提供的双频带超材料太赫兹微流传感器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的超材料单元的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的双频带超材料太赫兹微流传感器的最佳仿真结果图；
图4为本发明实施例提供的双频带超材料太赫兹微流传感器在谐振频率点的金属微结构与金属平面反射层对应位置的表面电流图；
图5为本发明实施例提供的双频带超材料太赫兹微流传感器的检测不同折射率液体样本的仿真结果图；
图6为本发明实施例提供的双频带超材料太赫兹微流传感器的不同谐振点随折射率变化的偏移量的线性拟合图。
符号说明：
1-盖层，2-金属微结构层，21-第一谐振环，22-第二谐振环，23-第三谐振环，3-微流通道，4-金属平面反射层，5-基底。
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电磁能量损耗低、品质因子高、灵敏度高等特点的双频带超材料太赫兹微流传感器。
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。
如图1所示，本发明提供的双频带超材料太赫兹微流传感器包括依次设置的基底5、金属平面反射层4、金属微结构层2和盖层1。
金属平面反射层4和金属微结构层2之间形成用于测量液体样本的微流通道3。
金属微结构层2包括多个超材料单元。多个超材料单元周期性排列。其中，图1中h为微流通道3的宽度，tc为盖层1的厚度。
如图2所示，超材料单元包括一“工”字形谐振环(第一谐振环21)与两个左右对称的开口谐振环(第二谐振环22和第三谐振环23)，超材料单元成周期排列，排列周期P优选为130μm，但不限于此。
基于上述结构，本发明提供的双频带超材料太赫兹微流传感器的实施原理如下：
在进行液体样本的检测时，对于上述提供的双频带超材料太赫兹微流传感器来说，将具有不同折射率的待测液体分析物注入到微流通道3会引起金属微结构周围环境介电参数的变化，进而改变超材料的谐振特性，如谐振频率、吸收率、半高宽等。通过监测超材料谐振频率的偏移量变化，就可实现对待测液体分析物的传感检测。
为了进一步优化上述提供的双频带超材料太赫兹微流传感器的性能，在本实施例中，金属微结构层2的厚度范围0.05～0.3μm，优选为0.2μm，金属微结构层2的制备材料为金、银、铜、铁、铝、铬、镍中的至少一种。
金属平面反射层4的厚度为0.2μm，制备材料与金属微结构层2材料相同。
盖层1厚度为50～120μm，优选为100μm，其制备材料为聚酰亚胺、石英、砷化镓、高阻硅、聚四氟乙烯、聚丙烯和聚甲基戊烯中的任意一种。
基底5的厚度范围为1～500μm，优选为10μm，其制备材料为高阻硅、聚酰亚胺、石英中的任意一种。
金属微结构层2与金属平面反射层4之间的微流通道3的厚度范围为8～12μm，优选为10μm。
以上具体参数的设置也可以根据实际检测需要进行优化配置，不仅限于此。
下面使用CST Microwave Studio软件中基于有限元算法的频域求解器对本发明提供的双频带超材料太赫兹微流传感器进行全波仿真。
如图2所示，超材料单元中的参数设置为：P＝130μm，m＝80μm，n＝95μm，t＝40μm，d＝6μm，e＝30μm，w＝6μm。图3为本发明实施例提供的一种双频带超材料太赫兹微流传感器的仿真结果图，分别产生的谐振频点为f1＝0.474THz、f2＝0.931THz，谐振峰Q值分别达到34和45。图4为本发明实施例提供的一种双频带超材料太赫兹微流传感器在两个谐振频率点的金属微结构层2与金属平面反射层4对应位置的表面电流图，从图4的(a)、(b)两部分可以看出此时谐振主要由中间“工”字形结构表面电流引起，“工”字形结构表面电流与金属平面反射层4对应位置表面电流方向相反。由图4的(c)、(d)两部分可以看出此时谐振主要由左右两侧开口谐振环结构引起，开口谐振环结构表面电流与金属反射层对应位置表面电流方向相反。因此可以得出结论，在谐振频率点处，在入射太赫兹波作用下金属微结构层2与金属平面反射层4会产生方向相反的电流，从而形成电流回路，该电流回路所激发磁场与入射太赫兹波偏振磁场方向一致，产生磁偶极子共振，加强了对入射太赫兹波吸收，从而增强了传感器Q值与灵敏度。
图5为本发明实施例提供的双频带超材料太赫兹微流传感器的对于不同折射率的液体样本的仿真结果图。从图5可以看出第一个谐振峰在折射率n由1.0到1.8的变化中向低频移动，且吸收率逐渐减小。第二个谐振峰在折射率n由1.0到1.8的变化中向低频移动，且与第一个谐振峰相比，其频率偏移量更大，同时，其吸收率较第一个谐振峰相比，减小更为明显。
图6为本发明实施例提供的双频带超材料太赫兹微流传感器的不同谐振点随折射率变化的偏移量的线性拟合图。通过图6可知本实施例提供的双频带超材料太赫兹微流传感器的两个谐振峰归一化灵敏度分别为132GHz/RIU、27GHz/RIU，均具有非常高的传感灵敏度。
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 (10)

1.一种双频带超材料太赫兹微流传感器，其特征在于，包括：依次设置的基底、金属平面反射层、金属微结构层和盖层；
所述金属平面反射层和所述金属微结构层之间形成用于测量液体样本的微流通道；
所述金属微结构层包括多个超材料单元；多个所述超材料单元周期性排列。
2.根据权利要求1所述的双频带超材料太赫兹微流传感器，其特征在于，所述超材料单元上设置有第一谐振环、第二谐振环和第三谐振环；
所述第一谐振环和所述第三谐振环以所述第二谐振环为中心对称设置，且所述第一谐振环和所述第三谐振环上均设置有开口，所述第一谐振环的开口和所述第三谐振环的开口相对设置。
3.根据权利要求2所述的双频带超材料太赫兹微流传感器，其特征在于，所述第二谐振环为“工”字形谐振环。
4.根据权利要求1所述的双频带超材料太赫兹微流传感器，其特征在于，所述金属微结构层的厚度范围为0.05～0.3μm；所述金属微结构层的制备材料为金、银、铜、铁、铝、铬和镍中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的双频带超材料太赫兹微流传感器，其特征在于，所述金属微结构层的厚度为0.2μm。
6.根据权利要求1所述的双频带超材料太赫兹微流传感器，其特征在于，多个所述超材料单元的排列周期为130μm。
7.根据权利要求4所述的双频带超材料太赫兹微流传感器，其特征在于，所述金属平面反射层的厚度为0.2μm；所述金属平面反射层的制备材料与所述金属微结构层的制备材料相同。
8.根据权利要求1所述的双频带超材料太赫兹微流传感器，其特征在于，所述盖层的厚度范围为50～120μm；所述盖层的制备材料为聚酰亚胺、石英、砷化镓、高阻硅、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所述的双频带超材料太赫兹微流传感器，其特征在于，所述基底的厚度范围为1～500μm；所述基底的制备材料为高阻硅、聚酰亚胺和石英中的任意一种。
10.根据权利要求1所述的双频带超材料太赫兹微流传感器，其特征在于，所述微流通道的厚度范围为8～12μm。
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