CN110174450A - 一种高灵敏度人工等离激元传感器及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高灵敏度人工等离激元传感器及使用方法。包括介质基板(1)、介质基板(1)的正面设有微带波导结构，背面设有金属地(2)，微带波导结构上方铺设有待测介质薄膜(3)；所述的微带波导结构包括金属微带(4)，金属微带(4)的中部为人工表面等离激元段(5)，人工表面等离激元段(5)的两侧对称设置有局域型人工等离激元体(6)。本发明具有结构简单，精准度高，抗干扰强和灵敏度高的特点。
Description
技术领域
本发明涉及传感器领域，特别是一种高灵敏度人工等离激元传感器及使用方法。
背景技术
当今物联网时代，对各类高灵敏度传感器的需求量迅猛增长。这其中，等离激元结构在传感器由于具有局域电磁场增加、放大消逝场、慢波等特殊性质，因此能够改善传统传感器的低灵敏度和分辨率的现状，而且其体积小，有利于器件的集成化和小型化；它一般不改变检测物体的化学属性，具有无损检测、处理方式简单及耗时短、检测成本低等诸多优势。
然而，等离激元结构传感器的灵敏度及设计制造工艺复杂性仍是影响其实用的关键因素。目前提出的相关传感器的研究模型，由于其复杂设计理念和制造工艺，以及较低的Q值和灵敏度，使得该类传感器仍然无法应用于实际的生产生活中。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种高灵敏度人工等离激元传感器及使用方法。本发明具有结构简单，精准度高，抗干扰强和灵敏度高的特点。
本发明的技术方案。一种高灵敏度人工等离激元传感器，包括介质基板、介质基板的正面设有微带波导结构，背面设有金属地，微带波导结构上方铺设有待测介质薄膜；所述的微带波导结构包括金属微带，金属微带的中部为人工表面等离激元段，人工表面等离激元段的两侧对称设置有局域型人工等离激元体。
前述的高灵敏度人工等离激元传感器中，所述的人工表面等离激元段两侧边缘均分布有周期性排列的方槽，方槽沿人工表面等离激元段长度方向的中线对称。
前述的高灵敏度人工等离激元传感器中，所述的方槽的边长a1为0.05～1.0mm，方槽的周期p为0.1～2.0mm。
前述的高灵敏度人工等离激元传感器中，所述的局域型人工等离激元体包括椭圆等离激元体，椭圆等离激元体的周向上分布有扇形凹槽。
前述的高灵敏度人工等离激元传感器中，所述的椭圆等离激元体的椭圆边满足曲线方程：X2/a2+Y2/b2＝1；其中，a,b分别为椭圆长轴、短轴半径参数，a为1～16，b为0.8～14；
所述的扇形凹槽的心角θ为5°～25°。
前述的高灵敏度人工等离激元传感器中，所述的椭圆等离激元体与人工表面等离激元段间设有耦合间隙。
前述的高灵敏度人工等离激元传感器中，所述的耦合间隙的间隙β为0.03～1.0mm，耦合间隙的长度l为1～15mm。
前述的高灵敏度人工等离激元传感器中，待测介质薄膜的材料为对有毒气体吸附敏感的介质材料。
前述的高灵敏度人工等离激元传感器的使用方法，按下述方法进行：待测介质薄膜与环境中的有毒有害气体或生物病毒进行吸附反应，改变待测介质薄膜的介电常数，从而改变局域型人工等离激元体的谐振频率，以此实现对有毒有害气体或生物病毒的探测。
有益效果
与现有技术相比，本发明在介质基板正面设置微带波导结构，背面设置金属地，微带波导结构上方铺设待测介质薄膜；微带波导结构包括金属微带，金属微带的中部为人工表面等离激元段，人工表面等离激元段的两侧对称设置有局域型人工等离激元体。虽然，该传感器结构及制作工艺均较为简单，但是通过该结构，实现了电磁场通过人工表面等离激元段耦合到局域型人工等离激元体中，并高度局域化，其谐振频率可以随着上层覆盖的待测介质薄膜的介电常数的变化而线性变化，从而可以实现对介电常数的精准测试，也就实现了对待测介质薄膜吸附的有毒有害气体或生物病毒的精准探测。除此外，通过本发明的等离激元结构传感器结构，克服了目前现有技术中存在的各种技术难题，实现了等离激元结构传感器的实际应用。
本发明中，通过局域型人工等离激元体实现了电磁场的高度局域化，使电磁场被高度束缚在局域型人工等离激元体周围，高度局域化的电磁场大大降低了外界电磁信号对传感器探测灵敏度和线性度的干扰，进而提高了传感器的探测精度。申请人经过大量实验发现，当局域型人工等离激元体的结构为：边缘呈满足X2/a2+Y2/b2＝1方程的曲线，且该等离激元体(即椭圆等离激元体)周向上分布有扇形凹槽时，局域型人工等离激元体对电磁场能够起到很好地束缚效果；进一步地，当方程中a为1～16、b为0.8～14，扇形凹槽的心角θ为5°～25°时，局域型人工等离激元体对电磁场的束缚效果最佳。
本发明在人工表面等离激元段两侧边缘均分布有周期性排列的方槽，方槽沿人工表面等离激元段长度方向的中线对称；通过该结构，电磁场在耦合到局域型人工等离激元体前，能被很好地束缚在人工表面等离激元段周围，降低了耦合前电磁场的能量耗散，进而提高了局域型人工等离激元体电磁场探测的灵敏度。
本发明在椭圆等离激元体与人工表面等离激元段间设有耦合间隙；通过该耦合间隙，截去了局域型人工等离激元体靠近人工表面等离激元段的一部分，以此增加了人工表面等离激元段与局域型人工等离激元体的耦合长度；该结构提高了二者间的耦合性能，进一步提高了探测的线性度和灵敏度，进一步地，当耦合间隙的间隙β为0.03～1.0mm，耦合间隙的长度l为1～15mm时，耦合性能最佳。
此外，本发明的平面化电路结构还能实现与其他微波电路的集成，以实现传感器的小型化，因而能更好地适应当今物联网技术的发展。
本发明还能通过调节局域型人工等离激元体上分布的扇形凹槽的尺寸来调控电磁波的束缚效果，以及其谐振频率、线性度和灵敏度等参数，以此来得到不同测试灵敏度的传感器，其使用灵活，实际应用广泛。
综上，本发明具有结构简单，精准度高，抗干扰强和灵敏度高的特点。
为了证明本发明的有益效果，申请人进行了如下实验：
实验例1。
设计传感器样品，传感器样品的结构为：在介质基板的正面设有微带波导结构，背面设有金属地，微带波导结构上方铺设有待测介质薄膜；所述的微带波导结构包括金属微带，金属微带的中部为人工表面等离激元段，人工表面等离激元段的两侧对称设置有局域型人工等离激元体；所述的人工表面等离激元段两侧边缘均分布有周期性排列的方槽，方槽沿人工表面等离激元段长度方向的中线对称；所述的局域型人工等离激元体包括椭圆等离激元体，椭圆等离激元体的周向上分布有扇形凹槽；所述的椭圆等离激元体与人工表面等离激元段间设有耦合间隙；具体地，各结构的尺寸如表1所示；
表1
上述的传感器样品采用介电常数εr为6.00的介质基片，对该样品S参数及谐振频点的计算结果如图6～7所示。图6为该样品的S参数曲线，可以看到传感器样品具有很好的谐振特性，且其第一谐振模式的频点，随介电常数的变化连续平移(参见图7)。由此，可以做出谐振频点随介电常数的具体变化关系图(参见图8)。由图8可知，谐振频点随介电常数的变化呈现非常好的线性特性，且可以计算出，此时传感器的品质因数为272，探测灵敏度为294MHz/εr。由此可知，该传感器样品比传统文献报道的微带型传感器谐振单元灵敏度高出3倍，而比传统的微流传感器灵敏度57.3MHz/εr则高出5倍(刁连宝，太原理工大学硕士学位论文，基于超材料的宽频带微带折射率传感器的研究，2017年6月)。
将传感器样品采用介电常数εr＝5.8时的介质基片，并对其工作于6GHz时的表面电场分布做计算，结果如图9所示；再对其工作于10.96GHz时的表面电场分布做计算，结果如图10所示。由图9,10得知，该该传感器样品在通带内工作时，电场能量主要通过方槽结构的人工表面等离激元段从输入端传输至输出端，而在谐振点10.96GHz处工作时，电场能量集中于局域型人工等离激元体的扇形凹槽周围，而无法传至输出端，扇形凹槽处具有最大的灵敏探测区间，而且，这也可使得传感器抗电磁干扰的能力大大加强。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为图1的俯视图；
图3为介质基板的正面结构示意图；
图4为介质基板的背面结构示意图；
图5为图3的A处的结构示意图；
图6是传感器样品的S参数曲线图；
图7是传感器谐振频点随介电常数的变化关系图；
图8是传感器样品传感器谐振频点与介电常数变化间的线性关系图；
图9是传感器样品工作于6GHz时的垂直表面电场分布图；
图10传感器样品工作于10.96GHz时的垂直表面电场分布。
附图标记：1-介质基板,2-金属地,3-待测介质薄膜,4-金属微带,5-人工表面等离激元段，6-局域型人工等离激元体，7-方槽，8-椭圆等离激元体，9-扇形凹槽，10-耦合间隙。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
实施例1。一种高灵敏度人工等离激元传感器，构成如图1-5所示，包括介质基板1、介质基板1的正面设有微带波导结构，背面设有金属地2，微带波导结构上方铺设有待测介质薄膜3；所述的微带波导结构包括金属微带4，金属微带4的中部为人工表面等离激元段5，人工表面等离激元段5的两侧对称设置有局域型人工等离激元体6。
前述的人工表面等离激元段5两侧边缘均分布有周期性排列的方槽7，方槽7沿人工表面等离激元段5长度方向的中线对称。
前述的方槽7的边长a1为0.05～1.0mm，方槽7的周期p为0.1～2.0mm。
前述的局域型人工等离激元体6包括椭圆等离激元体8，椭圆等离激元体8的周向上分布有扇形凹槽9。
前述的椭圆等离激元体8的椭圆边满足曲线方程：X2/a2+Y2/b2＝1；其中，a,b分别为椭圆长轴、短轴半径参数，a为1～16，b为0.8～14；
所述的扇形凹槽9的心角θ为5°～25°。
前述的椭圆等离激元体8与人工表面等离激元段5间设有耦合间隙10。
前述的耦合间隙10的间隙β为0.03～1.0mm，耦合间隙10的长度l为1～15mm。
前述的待测介质薄膜3的材料为对有毒气体吸附敏感的介质材料，如二氧化锡薄膜。
前述的高灵敏度人工等离激元传感器的使用方法按下述方法进行：待测介质薄膜3与环境中的有毒有害气体或生物病毒进行吸附反应，改变待测介质薄膜3的介电常数，从而改变局域型人工等离激元体6的谐振频率，以此实现对有毒有害气体或生物病毒的探测。具体地，电磁场通过人工表面等离激元段5耦合到局域型人工等离激元体6中，并高度局域化，其谐振频率可以随着上层覆盖的待测介质薄膜3的介电常数的变化而线性变化，从而可以实现对介电常数的精准测试，也就实现了对待测介质薄膜3吸附的有毒有害气体或生物病毒的精准探测。
Claims (9)
1.一种高灵敏度人工等离激元传感器，其特征在于，包括介质基板(1)、介质基板(1)的正面设有微带波导结构，背面设有金属地(2)，微带波导结构上方铺设有待测介质薄膜(3)；所述的微带波导结构包括金属微带(4)，金属微带(4)的中部为人工表面等离激元段(5)，人工表面等离激元段(5)的两侧对称设置有局域型人工等离激元体(6)。
2.根据权利要求1所述的高灵敏度人工等离激元传感器，其特征在于，所述的人工表面等离激元段(5)两侧边缘均分布有周期性排列的方槽(7)，方槽(7)沿人工表面等离激元段(5)长度方向的中线对称。
3.根据权利要求2所述的高灵敏度人工等离激元传感器，其特征在于，所述的方槽(7)的边长a1为0.05～1.0mm，方槽(7)的周期p为0.1～2.0mm。
4.根据权利要求1所述的高灵敏度人工等离激元传感器，其特征在于，所述的局域型人工等离激元体(6)包括椭圆等离激元体(8)，椭圆等离激元体(8)的周向上分布有扇形凹槽(9)。
5.根据权利要求4所述的高灵敏度人工等离激元传感器，其特征在于，所述的椭圆等离激元体(8)的椭圆边满足曲线方程：X2/a2+Y2/b2＝1；其中，a,b分别为椭圆长轴、短轴半径参数，a为1～16，b为0.8～14；
所述的扇形凹槽(9)的心角θ为5°～25°。
6.根据权利要求4所述的高灵敏度人工等离激元传感器，其特征在于，所述的椭圆等离激元体(8)与人工表面等离激元段(5)间设有耦合间隙(10)。
7.根据权利要求6所述的高灵敏度人工等离激元传感器，其特征在于，所述的耦合间隙(10)的间隙β为0.03～1.0mm，耦合间隙(10)的长度l为1～15mm。
8.根据权利要求1所述的高灵敏度人工等离激元传感器，其特征在于，待测介质薄膜(3)的材料为对有毒气体吸附敏感的介质材料。
9.一种如权利要求1-8任一项所述的高灵敏度人工等离激元传感器的使用方法，其特征在于，按下述方法进行：待测介质薄膜(3)与环境中的有毒有害气体或生物病毒进行吸附反应，改变待测介质薄膜(3)的介电常数，从而改变局域型人工等离激元体(6)的谐振频率，以此实现对有毒有害气体或生物病毒的探测。
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