一种基于太赫兹全金属超材料的微流传感芯片

技术领域

本发明涉及光学测量领域，特别是涉及一种基于太赫兹全金属超材料的微流传感芯片，主要应用于液体折射率检测。

背景技术

传感器是一种检测装置，能感受被测量的信息并将其按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息进行输出，以满足信息传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。目前，传感器已广泛应用于社会发展及人类生活的各个领域，并且在发展经济、推动社会进步方面起着越来越重要的的作用。

超材料是一种人工合成的亚波长电磁超材料，其具有许多自然材料所不具有的特性，比如能让光、电磁波改变它们通常的性质，而这样的效果是传统材料无法实现的，因而超材料是最近电磁领域的研究热点之一。超材料的成分上没有什么特别之处，它的奇特性质源于其精密的几何结构以及尺寸大小，其中的微结构大小尺度小于它作用的波长，因此其得以对波施加影响，可用等效介电常数和等效磁导率来表征其电磁响应。当入射光的能量耦合到超材料时，可以产生谐振，在透射谱中可以观察到一个透射谷或者投射峰，由于超材料谐振对周围介质的变化什么敏感，因此超材料常被用于传感领域。

目前现有技术中，有的超材料传感器能够实现GHz频率范围内的的折射率检测，但是普遍的，国内外太赫兹超材料折射率传感器对于某些微量物质或微小浓度物质的检测灵敏度还不够高，从而限制了太赫兹传感器的应用。并且目前用于实验测量的太赫兹时域光谱系统的频谱分辨率较低，影响了传感检测的精度。

如何设计出结构简单、制备容易、成本较低且适宜批量生产的能在THz频率范围内实现液体折射率检测的太赫兹波折射率传感器是目前急需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于太赫兹全金属超材料的微流传感芯片，以解决上述现有技术存在的问题，。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种基于太赫兹全金属超材料的微流传感芯片，具体内容如下：

本发明提供一种基于太赫兹全金属超材料的微流传感芯片，包括全金属超材料层(1)、微流通道(2)。

所述全金属超材料层(1)表面加工若干个成周期排布的镂空图案，所述镂空图案作为传感器单元使用。

所述微流通道(2)包括微流通道液体入口(4)、微流通道中间部分(3)和微流通道液体出口(5)，所述微流通道中间部分(3)的一端与所述微流通道液体入口(4)连接，所述微流通道中间部分(3)的另一端与所述微流通道液体出口(5)连接，并且三者形成一个物理上连通的整体。

所述微流通道(2)附着在所述全金属超材料层(1)表面上并且覆盖所述镂空图案。

优选地，所述全金属超材料层(1)材料为不锈钢，所述镂空图案成周期排布。

优选地，所述镂空图案为一个正方形单元加一个长方形单元再加一个正方形单元形成的镂空哑铃图案。

优选地，所述微流通道(2)由聚二甲基硅氧烷材料PDMS采用软刻蚀技术制成。

优选地，所述微流通道液体入口(4)与所述微流通道液体出口(5)通过冲洗工艺制成。

所述微流传感芯片工作波段为太赫兹波段，当电场方向沿着TE波入射时，产生一个磁环偶极子和一个电偶极子，两者发生干涉产生一个透射峰，待测液体从所述微流通道液体入口(4)进入，与所述全金属超材料层(1)直接接触后再从所述微流通道液体出口(5)流出，通过对透射峰峰值波长漂移的检测能够实现对待测液体折射率的检测。

本发明公开了以下技术效果：本发明所提出的基于太赫兹全金属超材料的微流传感芯片，采用全金属超材料结构，并且在全金属超材料层表面加工镂空的哑铃图案，能够同时产生磁环偶极子与电偶极子，两者相干涉产生的透射峰比单个电偶极子产生的透射峰有窄的半高全宽，具有更好的传感性能。图案结构简单，通过激光雕刻就可以加工完成，制作成本低且易于加工，兼顾了微米级激光加工的难度和更高灵敏度的传感需求。通过超材料结构设计即可在0.5THz-1.5THz频率范围实现661.38GHz/RIU的高灵敏度的液体折射率检测。

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为本发明基于太赫兹全金属超材料的微流传感芯片的结构示意图；

图2为本发明全金属超材料镂空单元结构尺寸示意图；

图3为本发明全金属超材料镂空单元周期排列示意图；

图4为Z＝50微米处的表面电流图；

图5为Y＝0微米处的磁场图；

图6在0.5THz-1.5THz频率范围内，折射率从1变化到1.4的透射谱曲线；

图7为折射率与对应的峰值波长的线性拟合图。

其中，图1中1为全金属超材料层，2为微流通道液体入口，3为微流通道中间部分，4为微流通道液体出口。

图2中，M为哑铃镂空图案中正方形单元的边长，L为长方形单元长度，W为长方形单元宽度。

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。

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1-7所示，基于太赫兹全金属超材料的微流传感芯片。本发明基于太赫兹全金属超材料的微流传感芯片结构示意图如图1所示，微流传感芯片包括全金属超材料层1和微流通道2，微流通道2包括微流通道液体入口4、微流通道中间部分3和微流通道液体出口5。其中全金属超材料层1采用不锈钢材料制成，其厚度为50um。

如图2所示，其为本发明全金属超材料镂空单元结构尺寸示意图，每个镂空图案从功能角度可视为测量液体折射率用的传感器单元。镂空图案在全金属超材料层1所在的XY平面呈100×100个的周期排布。每个镂空图案沿X轴方向为一个正方形单元加一个长方形单元再加一个正方形单元，所述正方形单元边长都为M＝40um，所述长方形单元长为L＝40um，宽为W＝20um，在形状上看可以看做是一个对称型的哑铃图案。并且镂空单元加工在成周期排布的矩形单元内，周期排布的矩形单元的尺寸为横向px＝150微米*py＝120微米，其周期排布如图3所示，其为本发明全金属超材料镂空单元周期排列示意图。

微流通道2由聚二甲基硅氧烷材料PDMS采用软刻蚀技术制成，然后采用冲洗工艺在微流通道2的两端分别制作微流通道液体入口4和微流通道液体出口5。微流通道2是由微流通道液体入口4、微流通道中间部分3和微流通道液体出口5构成的一个整体，并且微流通道2覆盖在全金属超材料层1上且覆盖住镂空图案。微流传感芯片工作时待测液体从所述微流通道液体入口4注入，流过微流通道中间部分3再通过所述微流通道液体出口5流出，形成全金属超材料层-待测液体-微流通道的工作状态。

当垂直入射的入射电磁波极化方向沿着哑铃短轴时，可以激发一个磁环偶极子和一个电偶极子，对应的在0.5-1.5THz频率范围内产生一个透射峰，然后待测液体从微流通道液体入口4进入，与全金属超材料层1直接接触，再从微流通道液体出口5流出，通过对透射峰峰值波长漂移的检测，能够实现0.5-1.5THz频率范围内的高灵敏度的液体折射率检测。

图4-6为本实施例的仿真试验结果图,当本发明基于太赫兹全金属超材料的微流传感芯片处于工作状态,有电磁波入射到传感芯片表面时,传感芯片金属表面会有变化的表面电流产生,如图4为Z＝50微米处的表面电流图,由于此表面电流为变化的,进而会产生磁场,如图5为本实施例Y＝0微米处的磁场图。通过采用不同折射率的液体进行试验，可得到不同频率的入射电磁波的频率与不同折射率液体折射率的拟合关系图。如图6为在0.5THz-1.5THz频率范围内，液体折射率从1变化到1.4的透射谱曲线，图7为折射率与对应的峰值波长的线性拟合图。从而验证了本发明传感芯片采用超材料结构设计，可在0.5THz-1.5THz频率范围实现661.38GHz/RIU的高灵敏度的液体折射率检测。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。