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一种自对准式太赫兹超表面微流体传感器及制备方法技术

技术编号:38604969 阅读:21 留言:0更新日期:2023-08-26 23:37
本发明专利技术公开了一种自对准式太赫兹超表面微流体传感器及其制备方法,属于液体检测及太赫兹生化传感领域。本发明专利技术利用MEMS工艺在硅基座上刻蚀加工二级台阶,通过在超薄石英盖层上制备由金属微阵列构成的太赫兹超表面,再将超薄石英盖层和硅底座键合及封装得到自对准式太赫兹超表面微流体传感器。本发明专利技术不仅解决了实测中的漏液问题,且将太赫兹超表面结构放置到加工好的硅基底的台阶内,自对准的同时,也形成了微流通道。通过硅基底上沉积的反射金属膜,阻止电磁波的向下透射的同时向上反射太赫兹波,使得微流通道内的待测物质处于强场能区域从而与太赫兹波充分作用,实现了较高的器件灵敏度和品质因子。灵敏度和品质因子。灵敏度和品质因子。

【技术实现步骤摘要】
一种自对准式太赫兹超表面微流体传感器及制备方法


[0001]本专利技术涉及液体检测及太赫兹生化传感领域,特别是涉及一种超表面吸收器集成微流通道的高品质因子和高灵敏度的自对准型太赫兹超表面微流体传感器。

技术介绍

[0002]太赫兹波(频率为0.1THz

10THz,波长3mm

0.03mm)是频率介于微波波段和红外波段之间的一种电磁波,其具有低光子能量、强穿透性、生物大分子指纹谱等独特性质,在生物样品检测领域具有巨大应用潜力。
[0003]电磁超材料是一种自然界不存在的具有亚波长周期结构的人工材料,其具有负介电常数和负磁导率等自然材料不具备的独特特性。
[0004]近年来,太赫兹时域光谱(THz

TDS)技术受到了广大研究工作者的青睐。由于癌变细胞的折射率和太赫兹波吸收率普遍高于正常细胞以及生物大分子在太赫兹频段独有的指纹谱等特点,太赫兹技术在癌变细胞和生物样品的检测方面具有独特优势。因此,基于太赫兹超表面和太赫兹时域光谱技术的太赫兹传感器在生化检测领域大放异彩。但现阶段大部分太赫兹生物传感器检测生物样品时,均是将生物样品干燥在传感器表面进行检测,这与大部分生物分子所处的液体环境相差较大,从而导致检测结果有较大误差。为了克服这个问题并解决待测样品水环境对太赫兹波强吸收问题,一种集成微流通道的太赫兹超表面传感器被提出。
[0005]2016年Laser&Photonics Reviews第10期6卷的962页报道了一种将微流通道集成到太赫兹吸收器内部的传感器结构,大大加强样品物质和太赫兹波的相互作用,实测获得了0.22THz/RIU的灵敏度和不到10的品质因子;2019年Biomedical Optics Express第10期8卷的3789页报道了一种双波段太赫兹超表面微流体传感器,两个吸收峰的实测灵敏度分别为0.47THz/RIU和0.51THz/RIU,品质因子也均仅在10左右。灵敏度和品质因子作为传感器最重要的两个性能指标,较低的灵敏度和品质因子大大限制了太赫兹传感器件的应用空间。

技术实现思路

[0006]针对上述现有技术中的问题,本申请提出了一种集微流通道和传感器于一体且具有高灵敏度、高品质因子的自对准式的太赫兹超表面微流体传感器。
[0007]本专利技术提供的技术方案如下:
[0008]一种自对准型太赫兹超表面微流体传感器,其特征在于,包括超薄石英盖层和硅基座,所述硅基座纵向刻蚀一级台阶和二级台阶,在整个台阶表面沉积金属薄膜作为反射金属膜,在所述超薄石英盖层上设有由金属微阵列构成的太赫兹超表面,超薄石英盖层嵌到与其尺寸相匹配的一级台阶上,太赫兹超表面和硅基底在二级台阶处构成微流通道,所述硅基座设有两个通孔与微流通道连接,用于注入和排出微流通道内待测液体样品。
[0009]本专利技术进一步提供了自对准型太赫兹超表面微流体传感器的制备方法,其步骤包
括:
[0010]1)在所述超薄石英盖层上制备由金属微阵列构成的太赫兹超表面,具体步骤为:
[0011]1‑
1)清洗超薄石英片,采用丙酮、异丙醇清洗,后烘干;
[0012]1‑
2)涂覆六甲基乙硅氮烷,用来增加光刻胶的粘附性和稳定性;
[0013]1‑
3)涂光刻胶并匀胶;
[0014]1‑
4)前烘后进行紫外曝光,并显影,使光刻胶图形化;
[0015]1‑
5)电子束蒸发依次镀Ti膜和金膜;
[0016]1‑
6)用丙酮进行清洗,去除表面多余的光刻胶,所述超薄石英盖层上形成金微结构阵列;
[0017]2)所述硅基座纵向刻蚀一级台阶和二级台阶,在整个台阶表面沉积金属薄膜作为反射金属膜,具体步骤为:
[0018]2‑
1)清洗硅片,依次采用丙酮、异丙醇清洗,后烘干;
[0019]2‑
2)涂光刻胶、匀胶、前烘;
[0020]2‑
3)曝光区域为一级台阶刻蚀区域;
[0021]2‑
4)将经曝光变性的光刻胶用显影液去除,然后坚影并进行显影检验;
[0022]2‑
5)对硅片进行首次干法刻蚀,刻蚀区域为一级台阶刻蚀区域,深度为超薄石英盖层的厚度;
[0023]2‑
6)准备做第二次干法刻蚀;
[0024]2‑
7)曝光区域为二级台阶刻蚀区域;
[0025]2‑
8)将经曝光变性的光刻胶用显影液去除,然后坚影并进行显影检验;
[0026]2‑
9)在一级台阶基础上进行第二次干法刻蚀,刻蚀区域为二级台阶刻蚀区域;
[0027]2‑
10)用丙酮进行清洗,去除台阶一侧多余的光刻胶;
[0028]2‑
11)在硅片另一侧操作,准备做第三次干法刻蚀,刻蚀硅通孔;;
[0029]2‑
12)紫外光照射通孔位置,使该区域光刻胶变形;
[0030]2‑
13)将经曝光变性的光刻胶用显影液去除,然后坚影并进行显影检验;
[0031]2‑
14)运用硅通孔刻蚀工艺,在硅片上进行第三次刻蚀,打孔;
[0032]2‑
15)用丙酮进行清洗,去除硅片上多余的光刻胶;
[0033]2‑
16)电子束蒸发依次在整个台阶表面镀Ti膜、金膜,形成发射金属膜;
[0034]2‑
17)在准备好的块状PDMS对应位置打通孔,与硅底座进行对准键合,并外接空心钢针,至此硅底座加工完成;
[0035]3)超薄石英盖层和硅底座的键合及封装
[0036]3‑
1)将超薄石英盖层圆周区域旋涂液态PDMS或UV无影胶;
[0037]3‑
2)超薄石英盖层放置到硅底座上的一级台阶上进行校准对位,待PDMS或UV无影胶固化,键合及封装完成。
[0038]本专利技术超薄石英层厚度h1=20μm~100μm,直径R1=10mm~20mm。所述金属微阵列采用Au、Ag、Al、Cu等常见金属,厚度为h2=120nm~250nm。所述金属微阵列的单元结构的形状为线条结构,其尺寸为长L=35μm~70μm,宽D=9μm~20μm,单元结构的周期P
x
=P
y
=70μm~140μm。所述太赫兹微结构的形状为空心方环结构,其尺寸为外围长A=35μm~70μm,外围宽B=15μm~30μm,方环线宽w=5μm~10μm,单元结构的周期P
x
=P
y
=70μm~140μm。所述一
级台阶为深度h4=20μm~100μm,R2=12~22mm的圆形空腔,该台阶的厚度与超薄石英层厚度一致,其直径略大于超薄石英层直径。所述二级台阶为边长C=3mm~12mm,深度h5=3μm~6μm的方形空腔。所述反射层的厚度120nm~250nm的Au、Ag、Al本文档来自技高网
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种自对准型太赫兹超表面微流体传感器,其特征在于,包括超薄石英盖层和硅基座,所述硅基座纵向刻蚀一级台阶和二级台阶,在整个台阶的表面沉积金属薄膜作为反射金属膜,在所述超薄石英盖层上设有由金属微阵列构成的太赫兹超表面,超薄石英盖层嵌到与其尺寸相匹配的一级台阶上,太赫兹超表面和硅基底在二级台阶处构成微流通道,所述硅基座设有两个通孔与微流通道连接,用于注入和排出微流通道内待测液体样品。2.如权利要求1所述的自对准型太赫兹超表面微流体传感器,其特征在于,所述超薄石英层厚度h1=20μm~100μm,直径R1=10mm~20mm。3.如权利要求1所述的自对准型太赫兹超表面微流体传感器,其特征在于,所述金属微阵列采用Au、Ag、Al或Cu,厚度为h2=120nm~250nm。4.如权利要求1所述的自对准型太赫兹超表面微流体传感器,其特征在于,所述金属微阵列的单元结构的形状为线条结构,其尺寸为长L=35μm~70μm,宽D=9μm~20μm,单元结构的周期P
x
=P
y
=70μm~140μm。5.如权利要求1所述的自对准型太赫兹超表面微流体传感器,其特征在于,所述太赫兹微结构的形状为空心方环结构,其尺寸为外围长A=35μm~70μm,外围宽B=15μm~30μm,方环线宽w=5μm~10μm,单元结构的周期P
x
=P
y
=70μm~140μm。6.如权利要求1所述的自对准型太赫兹超表面微流体传感器,其特征在于,所述一级台阶为深度h4=20μm~100μm,R2=12~22mm的圆柱形区域。7.如权利要求1所述的自对准型太赫兹超表面微流体传感器,其特征在于,所述二级台阶为边长C=3mm~12mm,深度h5=3μm~6μm的方形空腔。8.如权利要求1所述的自对准型太赫兹超表面微流体传感器,其特征在于,所述反射金属膜采用Au、Ag、Al或Cu,其厚度范围为120nm~250nm。9.如权利要求1所述的自对准型太赫兹超表面微流体传感器的制备方法,其步骤包括:1)在所述超薄石英盖层上制备由金属微阵列构成的太赫兹超表面,具体步骤为:1

1)清洗超薄石英片,采用丙酮、异丙醇清洗,后烘干;1

2)涂覆六甲基乙硅氮烷,用来增加光刻胶的粘附性和稳定性;1

3)涂光刻胶并匀胶;1

4)前烘后进行紫外曝光,并显影,使光刻胶图形化;1<...

【专利技术属性】
技术研发人员:吴文刚曹云昊孙宏顺陈雨萨熊仕松
申请(专利权)人:北京大学
类型:发明
国别省市:

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