一种高灵敏度太赫兹超表面传感器及其制备方法

1.本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种高灵敏度太赫兹超表面传感器及其制备方法。


背景技术：

2.太赫兹波是指波长为30-3000μm，频率在0.1-10thz之间的电磁波,介于红外和微波波段之间，属于宏观电子学向微观光子学的过渡区域。由于太赫兹波在电磁波谱的特殊位置，其具有光子能量低、穿透性强、特征吸收峰明显等独特的电磁性质。许多生物大分子的振动频率处于太赫兹波段，具有明显的特征吸收峰，因此传感器对微量物质的检测具有更高的灵敏度。近年来，由于微纳制造技术的快速发展，太赫兹超表面传感器在生态环境监测、食品药品分析、化学生物制品检测等领域有着广泛研究，是一种预处理简单、对待测物无损、灵敏度更高的检测手段。
3.目前针对太赫兹传感的研究中，大部分超表面传感器无法对某些超低浓度待测物或者痕量物质实现高灵敏检测，导致超表面传感器的可靠性不高，限制了太赫兹传感在很多领域的发展。并且，目前制备太赫兹超表面的方法主要是传统的光刻方法，这种方法制备过程复杂、周期长、成本高。因此，在太赫兹波段中设计出一款灵敏度更高、传感可靠性更好、制备方法更具柔性的超表面传感器是目前太赫兹传感领域急需解决的技术问题。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种高灵敏度太赫兹超表面传感器，实现太赫兹波段对微量液体样品的高灵敏度检测。
5.本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
6.一种高灵敏度太赫兹超表面传感器，包括：基底、介质层、金属微结构阵列、超疏液层和亲液阱，所述介质层位于所述基底上，所述介质层的上表面的一部分被所述金属微结构阵列覆盖，所述介质层的上表面的其余部分均被所述超疏液层覆盖，所述金属微结构阵列包括若干个金属微结构单元，每个所述金属微结构单元中的场强最大处均设有亲液阱，所述亲液阱设置于所述超疏液层上，并被所述金属微结构单元包围。
7.进一步的，所述金属微结构单元为u型开口环结构。
8.进一步的，所述金属微结构单元的材质包括金、银、铜。
9.进一步的，所述金属微结构单元的厚度为10-800nm，所述金属微结构单元的特征尺寸在μm-亚mm量级。
10.进一步的，所述介质层的材料为高阻硅。
11.进一步的，所述介质层的厚度为200μm。
12.一种高灵敏度太赫兹超表面传感器的制备方法，包括：
13.通过激光刻蚀直写在镀金属膜介质层上制备金属微结构阵列，形成太赫兹超表面；
14.在介质层上除去金属微结构阵列之外的其余表面，用激光表面处理方法制备超疏液层；
15.用激光表面处理方法在金属微结构单元场强最大处加工亲液阱。
16.进一步的，激光直写关键参数：波长200-1700nm、脉冲宽度10fs-500ns、功率1-30w、扫描速度10-1000mm/s、扫描次数1-100次。
17.进一步的，激光直写关键参数：波长200-1700nm、脉冲宽度10fs-500ns、功率5-50w、扫描速度为10-2000mm/s、扫描次数1-200次。
18.进一步的，激光直写关键参数：波长200-1700nm、脉冲宽度10fs-500ns、功率3-30w、扫描速度为10-1000mm/s、扫描次数1-200次。
19.本发明的有益效果：
20.本发明所述的太赫兹超表面传感器引入了具有亲疏液特性的超疏液层和亲液阱阵列，在超疏液层和亲液阱阵列的共同作用下，液体样品能够自主聚集在超表面传感器场强最大处，从而实现微量液体样品的超灵敏检测，并且使得检测的稳定性更高。
21.本发明所述的太赫兹超表面传感器的制备方法，通过激光直写工艺制备超表面大大缩短了加工周期，使得加工过程具有非常好的柔性和可设计性，实现了高效高质量的超表面精密加工，并且适用范围更广。
附图说明
22.图1为本发明提供的太赫兹超表面传感器的检测系统示意图；
23.图2为本发明实施例提供的太赫兹超表面传感器的单元结构示意图；
24.图3为本发明实施例提供的制备太赫兹超表面传感器的周期结构、超疏层和亲液阱的流程图；
25.图4为本发明实施例提供的太赫兹超表面传感器在谐振点处的电场分布图；
26.图5为本发明实施例提供的单元结构上放置微量分析物后的频移曲线图。
27.附图标记：
28.1-太赫兹波，2-金属微结构单元，3-液相待测物，4-亲液阱，5-超疏液层，6-基底，7-金属层，8-脉冲激光束，9-无分析物的频移曲线，10-分析物全覆盖的频移曲线，11-分析物在场强最大处的频移曲线。
具体实施方式
29.为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受于下面公开的具体实施的限制。
30.根据本发明实施例的一种高灵敏度太赫兹超表面传感器，包括：基底6、介质层、金属微结构阵列、超疏液层5和亲液阱4，所述介质层位于所述基底6上，所述介质层的上表面的一部分被所述金属微结构阵列覆盖，所述介质层的上表面的其余部分均被所述超疏液层5覆盖，所述金属微结构阵列包括若干个金属微结构单元2，每个所述金属微结构单元2中的场强最大处均设有亲液阱4，所述亲液阱4设置于所述超疏液层5上，并被所述金属微结构单
元2包围。超疏液层5和亲液阱4构成具有表面浸润性差异的表面。当液体分析物滴覆于传感器表面，在表面浸润性差异驱动下，液体分析物自主聚集于亲液阱4部位；亲液阱4设置于超表面传感器场强最大处，促进太赫兹波与分析物充分作用，提升太赫兹超表面传感器灵敏度。
31.所述金属微结构阵列包括若干呈周期性排列的金属微结构单元2，所述金属微结构阵列材料包括但不限于为金、银、铜等。金属微结构单元2的厚度为10-800nm，特征尺寸在μm-亚mm量级。介质层的材料为高阻硅，介质层的厚度为200μm。
32.本实施例中，金属微结构单元2为u型开口环，材料为银，厚度为200nm。介质层的材料为高阻硅，厚度为200μm。通过超疏液层5和亲液阱4的共同作用，使得液相待测物3能够自主富集在超表面的场强最大处。实验中，太赫兹波1垂直入射在传感器表面。
33.图2是本发明一种太赫兹传感器的单元结构示意图。为确定该结构的具体参数，利用cst软件进行仿真计算，按照图1和图2设计的结构和尺寸参数进行电磁仿真，电磁场方向沿z方向传播。谐振单元沿着x、y方向周期性在介质层上排列，金属微结构单元2的周期200μm，线宽20μm。开口环内的亲液阱4长80μm，宽100μm。
34.按照图3的流程制备太赫兹超表面传感器，具体加工步骤如下：
35.1)在所述硅基底6表面采用热蒸发镀膜工艺生长银膜形成金属层7，为增加银膜和硅基底6表面的结合强度，在蒸镀银膜前，先在硅基底6表面蒸镀厚度为10nm的铬膜，银膜厚度为200nm；
36.2)控制超快激光扫描路径在所述银膜上制备开口环阵列，超快激光的波长为355nm，脉冲宽度为15ps，功率为3-10w，扫描速度为10-100mm/s，扫描次数为5-40次。
37.3)控制激光参数及加工环境在所述硅基底6上制备超疏液层5。超快激光的波长为355nm，脉冲宽度为15ps，功率为5-20w，扫描速度为10-500mm/s，扫描间距为20μm，扫描次数为1-100次，同时在传感器表面不断吹送氩气，以减小结构表面的热影响区，并提高加工区域的加工质量。
38.4)在金属微结构单元2中场强最大的区域，用超快激光辐照调控局部区域表面特性，形成亲液阱4。超快激光的波长为355nm，脉冲宽度为15ps，功率为5-20w，扫描速度为10-1000mm/s，扫描间距为20μm，扫描次数1-200次。
39.当太赫兹波入射到传感器表面时，传感器金属表面的电场强度会发生改变，图4所示的谐振频率0.44thz处的电场强度最大。图5给出了在传感器表面分析物铺覆于整个表面，以及空间上聚集于场强最大处时的共振峰偏移状况。当10μl的百菌清溶液铺覆于整个表面，厚度为1μm，共振峰偏移8ghz；当10μl的百菌清溶液空间上聚集于场强最大处，厚度为3μm，共振峰偏移14ghz。由此可见，通过表面浸润性差异，可以显著提高传感灵敏度。
40.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。