近年來，電磁波譜中的太赫茲（THz）部分已被證明是推動大量新研究方向的有利平臺。其中一個例子就是基于超構(gòu)材料（metamaterial）的等離子體領(lǐng)域。它涉及許多新的現(xiàn)象，例如頻譜調(diào)制、波前操控、偏振轉(zhuǎn)換和有源超構(gòu)材料等。太赫茲頻率范圍內(nèi)超構(gòu)材料最有前途的應(yīng)用領(lǐng)域之一是生物傳感。

在太赫茲頻率，基于超構(gòu)材料的方法已占據(jù)領(lǐng)先地位，為集成到完整的芯片實驗室（lab-on-chip）器件鋪平了道路。最近的文獻報道表明，用于生物傳感、介電光譜和近場成像功能的全集成電子解決方案正逐步擴展到亞太赫茲（sub-THz）和太赫茲頻率范圍。

使用超構(gòu)材料進行生物傳感的最常見方法仍然是將介電材料覆蓋在諧振結(jié)構(gòu)的表面，從而改變諧振器的特性并使其諧振頻率發(fā)生偏移。隨后，通過基于遠(yuǎn)場傳感的傳輸實驗（見圖1）來測量頻率偏移。在太赫茲頻率，人們一直在努力提高基于諧振頻移的傳感器的靈敏度水平，以滿足生化診斷領(lǐng)域既定方法的標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 基于諧振頻移的生物傳感

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，波蘭科學(xué)院高壓物理研究所（Institute of High Pressure Physics PAS）和立陶宛維爾紐斯大學(xué)（Vilnius University）的研究人員組成的團隊提出了一種全電子方法，利用近場耦合電子傳感器實現(xiàn)了最先進的靈敏度。所提出的概念能夠有效地實現(xiàn)和探測所謂的超強耦合亞波長超構(gòu)原子（meta-atom）以及單個諧振電路，可使被測材料的體積限制在幾皮升的范圍內(nèi)。該傳感器已單片集成到具有成本效益的硅基CMOS技術(shù)中。本文的研究結(jié)果得到了數(shù)值和分析模型的支持，并通過實驗進行了驗證。這些成果為未來的研發(fā)奠定了基礎(chǔ)，勾勒出了太赫茲微流控芯片實驗室介電光譜傳感器的前景。上述成果以“A CMOS-integrated terahertz near-field sensor based on an ultra-strongly coupled meta-atom”為題發(fā)表于Scientific Reports期刊上。

基于太場效應(yīng)晶體管（TeraFET）的近場傳感器設(shè)計

研究人員提出了一種在亞太赫茲頻率下工作的近場傳感器解決方案（圖2）。

圖2 基于近場TeraFET探測器的傳感器概念的示意圖

研究人員設(shè)計了兩種不同的狹縫-偶極子（slot-dipole）天線，并采用臺積電（TSMC）的180 nm硅基CMOS工藝制造。其中一種被設(shè)計為諧振頻率為350 GHz，并在更高頻率處會出現(xiàn)快速衰減（圖2b中的結(jié)構(gòu)A），而另一種的諧振頻率為235 GHz，并在較寬的頻率范圍內(nèi)具有幾乎平坦的響應(yīng)（圖2c中的結(jié)構(gòu)D）。這兩種天線的環(huán)外徑相同，均為452 μm。由于D型天線是為低頻設(shè)計的，因此與A型天線的狹縫（邊長為100 μm、邊緣倒角為25 × 25 μm的正方形孔）相比，它的狹縫更大（直徑為164 μm的圓形）。此外，兩種天線的傳輸線設(shè)計也不同。

得益于多層金屬-介電結(jié)構(gòu)，CMOS技術(shù)為探索太赫茲應(yīng)用中基于超構(gòu)材料的場效應(yīng)晶體管（FET）解決方案提供了充分的自由度。因此，研究人員設(shè)計了一種工作在350 GHz的開口環(huán)諧振器（SRR），其面積為70 × 30 um2，間隙為10 μm，金屬化寬度為5 μm。該SRR具有與350 GHz天線相同的諧振頻率，可與之電磁耦合。

天線位于距離自由空間最近、距離襯底最遠(yuǎn)的金屬層。因此，它對施加到間隙近場的介電負(fù)載非常敏感。單獨的天線/耦合到SRR的天線的阻抗特性的頻譜變化會直接轉(zhuǎn)化為FET整流信號的變化。因此，覆蓋介電材料的天線的TeraFET探測器將給出與未覆蓋介電材料的探測器不同的信號。因此，可通過從襯底側(cè)施加的遠(yuǎn)場太赫茲輻射來探測被測試材料的近場介電特性。特別是，在圖2中，研究人員展示了通過基于耦合諧振器的TeraFET探測器進行近場檢測的概念可視化。圖2c和2d顯示了兩種不同方案中的太赫茲檢測機制：一種基于獨立天線；另一種基于天線耦合到SRR的耦合諧振器。

近場傳感方法的驗證

為了對傳感器的適用性進行實驗驗證，研究人員重點研究了基于235 GHz天線的探測器和基于耦合諧振器的探測器（350 GHz諧振天線與SRR耦合）對水和乙醇的響應(yīng)。

傳感器所需的太赫茲源部分可以進一步優(yōu)化。圖3展示了研究人員使用內(nèi)部設(shè)計的基于CMOS的太赫茲發(fā)射器進行光譜實驗的結(jié)果，該發(fā)射器可在248-261 GHz頻率范圍內(nèi)進行調(diào)諧。發(fā)射器采用了針對三次諧波發(fā)射進行優(yōu)化的Colpitts振蕩器概念，由臺積電代工廠提供的65 nm CMOS技術(shù)制造。圖3a展示了使用全電子CMOS制造的發(fā)射器-傳感器對的實驗設(shè)置。

圖3 傳感實驗的設(shè)置及結(jié)果

在相同的自由空間準(zhǔn)光學(xué)設(shè)置中，連續(xù)波光混頻器源（太赫茲源三號）被用于探測近場介電特性?；?35 GHz天線的探測器和基于耦合諧振器的探測器在255–260.5 GHz頻率范圍內(nèi)對乙醇和水的響應(yīng)分別如圖3b和3c所示。

最后，研究人員使用基于235 GHz諧振天線的探測器進行了一組實驗，以確定水溶液中材料的最低可分辨摩爾濃度的檢測下限（LDL），并與當(dāng)前最先進技術(shù)進行了比較（圖4）。

圖4 水中含乙醇混合物的實驗測量結(jié)果以及與最先進技術(shù)的比較

綜上所述，這項研究報道了基于太赫茲近場諧振器的傳感器的設(shè)計和表征結(jié)果，該傳感器采用180 nm CMOS技術(shù)制造，并具有集成天線的場效應(yīng)晶體管。根據(jù)諧振器近場內(nèi)相對介電常數(shù)變化引起的諧振曲線偏移原理，提出的傳感器提供了一種獨特的片上檢測機制。此外，該傳感器具有當(dāng)前太赫茲傳感技術(shù)前沿的更低檢測極限值，并且無需通過共軛機制和聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)等放大靈敏度或特異性的方法，就能以無標(biāo)記的方式對水環(huán)境中的有機分析物實現(xiàn)檢測。

總之，這項研究成果不僅有助于加深人們當(dāng)前對太赫茲近場傳感的理解，而且還為高頻微流控芯片實驗室介電光譜傳感器的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41598-024-61971-x