CN110308159B - 一种x波段的超材料吸波传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种X波段的超材料吸波传感器，由下至上分为三层，第一层为金属底板和底层基底，第二层为微流道层、第三层为顶层基底和谐振器，三层结构粘连为一体，构成一个吸波谐振单元。所述谐振器形成在顶层基底上，为内外双重环形结构，所述微流道层在上半部分刻蚀一条双环凹槽，形成微流道，所述微流道分布于正对谐振器的强电场谐振区域。被测液体注入传感器后可以改变微流道区域的介电常数，引起吸波频点的偏移，偏移程度可以作为不同被测液体的表征参数。当被测液体相对介电常数由1变化到4.6时，该传感器可以实现339MHz/单位介电常数的平均偏移量，且吸收率维持在95％以上。

Description

一种X波段的超材料吸波传感器
技术领域
本发明涉及超材料吸波传感器，属于微波传感检测领域。
背景技术
超材料是一种具有奇异电磁特性的人工复合材料，可以展现出许多自然界中难以存在的属性，例如负磁导率、负折射率等。超材料一般是平面结构，易于制造集成。由于人工设计具有明确的目标性，不断优化结构和探索出新的结构，可以将超材料制作成超薄成品，便于实际应用。
2010年，Na Liu等人成功设计出了第一个超材料吸波传感器，仿真表明该传感器可以对不同葡萄糖溶液进行传感检测，又因为具有超材料的优点，迅速引起了众多科学工作者的兴趣。但大多数报道的吸波传感器实际上只能用来区分酒精和水等介电常数差距较大的溶液，为了拓展其应用面，需要尽可能提高传感器灵敏度，才能区分介电常数差别较小的物质。因此，研究一种高灵敏度吸波传感器具有一定的应用潜力。
发明内容
本发明为了解决超材料吸波传感器尺寸大、灵敏度低的问题，目的在于提供一种X波段的单吸收峰高灵敏度吸波传感器，通过对结构设计及其参数优化调整，可以在谐振器周围激发强烈的电谐振模式，实现99％以上吸波性能。
本发明的技术方案如下：
一种X波段的超材料吸波传感器，所述传感器由下至上分为三层，第一层为金属底板和底层基底，第二层为微流道层、第三层为顶层基底和谐振器，三层结构粘连为一体，构成一个吸波谐振单元。
所述谐振器形成在顶层基底上，为内外双重环形结构，内环与外环为同心的金属环，内环中部左右两侧开口，上下侧与外环相连，整个谐振器上下左右对称。
所述微流道层在上半部分刻蚀一条双环凹槽，双环凹槽的外环不闭合，分别向微流道层的外侧延伸形成平行的流体注入端I和流出端O，内外两环通过平行沟道相连，微流道层与顶层基底粘合后，双环凹槽即形成完整的微流道；所述微流道分布于正对谐振器的强电场谐振区域。
有以上结构可以看出，X波段的超材料吸波传感器仅包含一个吸波谐振单元，电磁波仅照射到谐振单元，其中，谐振器内环开口可激发LC谐振，外环与内环的耦合作用进一步加强谐振，实现高吸收性能。所激发的强电场主要集中在谐振器周围，而且随着距离增加，电场强度减弱。微流道处于谐振器正下方，其双环结构可增加与强电场的作用范围，可有效增强谐振器诱导电场与微流通道内介电媒质极化作用，提高传感器灵敏度。
该传感器在X波段可以产生一个单吸收峰，在11.26GHz到10.044GHz范围内，可实现339MHz/单位介电常数的平均偏移量，且吸收率维持在95％以上。
对于本发明的传感器，进一步对结构参数做如下优化：
所述谐振器的内环开口角度α＝4°～12°，内径R0＝1.7～2.3mm，内环与外环宽度W1＝0.1～0.2mm，内外环间隔W2＝0.05～0.15mm，连接内外金属环的金属的两侧边与圆心连接形成的夹角θ＝10°～18°。
所述微流道层的结构参数为微流道宽P＝1～1.7mm，微流道之间的间隙a＝0.2～0.6mm，内环的内径R1＝1～1.5mm，内环的外径R2＝2.4～3.2mm，外环的外径R3＝4.5～5mm，微流道深度t3为0.3～0.5mm，微流道底部的厚度t4为0.3～0.5mm。
本发明采用上述技术方案的有益效果在于：
1、本发明应用单图案谐振器激发单频点吸收峰，通过合理结构设计和尺寸参数优化，可以在谐振器周围激发强烈的电谐振模式，可实现99％以上吸波性能，其吸波频点偏移量可作为表征被测液体介电特性的物理参量。
2、本发明所设计传感器，具有微流道解雇，且微流道分布于强电场谐振区域，增加了被测媒质所占强电场区域的有效体积比，有利于提高灵敏度。
3、本发明所涉及的传感器，仅包含一个谐振单元，有利于减少传感器尺寸，而且为平面结构，有利于实现小型化目的。
本传感器利用PCB工艺和微流控技术制作，可对介电常数相差较小的液体进行传感检测。
附图说明
图1是本发明提出X波段的超材料吸波传感器的透视图。
图2为本发明提出的吸波传感器的三层结构的示意图。
图3为本发明提出的吸波传感器的微流道层的示意图。
图4A和图4B为本发明提出的吸波传感器的谐振器示意图。
图5为本发明提出的吸波传感器的频谱图。
附图标记为：
A——谐振单元；
1——金属底板；2——底层基底；3——微流体；4——顶层基底；5——谐振器。
具体实施方式
为了清晰阐明本发明，下面将结合附图对本发明作进一步说明。
本发明所涉及的吸波传感器是基于单个谐振单元A实现本发明所述的吸波性能，即超材料吸波传感器仅包含一个吸波谐振单元，如图1矩形框所示，电磁波将直接照射到该单元中。谐振单元中的金属底板、底层基底、微流道层和顶层基底在x，y方向上适当延拓，达到适配测试波导尺寸的目的，形成完整的超材料吸波传感器。传感器顶角处的四个通孔用于对齐各层板材，上下四个半圆通孔用于装配固定波导。被测液体可由通道I进入，由通道O流出，并在顶层基底左侧增加两个引流基座，用于注入和抽取被测液体。
吸波传感器的具体结构如图2所示，传感器从下到上可分为三层：第一层为金属底板1和底层基底2，第二层为微流体3，第三层为顶层基底4和谐振器5。利用绝缘胶将三层结构粘连为一体，让微流道层的垂直上侧封闭，其上刻蚀的双环凹槽结构将形成完整的微流道，避免被测液体流出。
如图2所示，金属底板1可以是铬、金、银、铜等金属中的一种，但是不论哪种材料，厚度都必须远大于趋肤深度。金属底板厚度为0.035mm。
位于金属底板1上方的是底层基底2，厚度为0.254mm之间。其材料由低损耗材料制成，优选为Rogers RO4003，介电常数为ε＝3.55(1+i0.0027)。
第一层的金属底板1和底层基底2类似电路PCB板，PCB板顶层和底层都有金属层(板)，中间是基底(介质)。我们可以通过腐蚀工艺可以将顶层的金属板去掉，这样就只剩下金属底板和底层基底。
位于底层基底2上方的是微流道层3，如图3所示，上侧为平面结构图，下侧为截面图，在微流道层3上按照示意图中的双环进行刻蚀，所形成的双环凹槽位于微流道层的上半部分。双环凹槽的外环不闭合，分别向外侧延伸形成平行的流体注入端I和流出端O，内外两环通过平行沟道相连，微流道层3与顶层基底4粘合后，双环凹槽即形成完整的微流道。
流体从流体注入端I注入，依次流经外环部分流道，进入内环，然后由内环再流向外环另一部分流道，最后从外环的流程端O流出。
双环凹槽微流道分布于正对谐振器5的强电场谐振区域，增加被测媒质所占强电场分布体积比，有利于提高灵敏度。
微流道经过倒角设计，会降低液体流过时的阻力，而且其环形结构可以使液体抽取过程更加顺畅，方便实际操作。
微流道层3所选用的材料为聚四氟乙烯，具有抗腐蚀性，而且摩擦系数低，易于进行抽取液体操作。相应的结构参数为P＝1.47mm，a＝0.43mm，R1＝1.277mm，R2＝2.83mm，R3＝4.73mm，t3＝0.4mm和t4＝0.4mm。
如图2所示，位于微流道层3上方的是顶层基底4，所选用的材料和尺寸与底层基底2保持一致。
位于顶层基底4上方的为谐振器5，如图4A和图4B所示，谐振器5具有内外双重环形结构，内环与外环为同心的金属环，内环中部左右两侧开口，上下侧与外环相连，整个谐振器5上下左右对称。
谐振器相应的结构参数为α＝8°，内径R0＝2.05mm，金属环宽度W1＝0.15mm，内外环间隔W2＝0.1mm，连接内外金属环的金属的两侧边与圆心连接形成的夹角θ＝14°，t1＝0.035mm，t2＝0.254mm，S＝10.16mm，L＝20.86mm。
谐振器5的左右两边可以分别看作是开口谐振环，中间开口处可产生LC谐振。谐振器内环发生较强的欧姆损耗，而且内外环的耦合作用加强了谐振，产生了高吸收性能。
本实施例中的吸波传感器，其吸收率可以用公式计算：
A＝1-R-T＝1-|S11|2-|S21|2，
其中R和T分别表示透射和反射。
由于传感器的金属底板1厚度远大于趋肤深度时，透射率将几乎为0，吸收率可以简化为公式：A＝1–R，只要反射率R近似为0时，可以实现高性能吸波，即阻抗与外部空间完美匹配，电磁波不会反射回外部空间，在吸波器内部被消耗，由此产生的吸收峰的频点偏移量可以用来表征物质的介电特性，在传感领域具有应用价值。
本实施例中的吸波传感器，在电磁波正入射下的仿真结果如图5所示，该仿真结果由有限积分法计算得到。从图中可以看出，当被测媒质的相对介电常数从1变化到4.6时，吸收频点由11.26GHz红移到10.044GHz，实现了339MHz单位介电常数的平均偏移量，吸收率维持在95％以上。
以上仅为本申请的较好实施例子，本发明并不局限于上述实施方式，如果对本发明的各种改动或变形不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变形属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形。

Claims (10)

1.一种X波段的超材料吸波传感器，其特征在于：所述传感器由下至上分为三层，第一层为金属底板（1）和底层基底（2），第二层为微流道层（3），第三层为顶层基底（4）和谐振器（5），三层结构粘连为一体，构成一个吸波谐振单元；
所述谐振器（5）形成在顶层基底（4）上，为内外双重环形结构，内环与外环为同心的金属环，内环中部左右两侧开口，上下两侧与外环相连，整个谐振器（5）上下左右对称；
所述微流道层（3）在上半部分刻蚀一条双环凹槽，双环凹槽的外环不闭合，分别向外延伸形成平行的流体注入端I和流出端O，内外两环通过平行沟道相连，微流道层（3）与顶层基底（4）粘合后，双环凹槽即形成完整的微流道，所述微流道分布于正对谐振器（5）的强电场谐振区域。
2.根据权利要求1所述的X波段的超材料吸波传感器，其特征在于：所述谐振器（5）的内环左右侧的开口角度α = 4°~ 12°，内径R0 = 1.7~ 2.3 mm，内环与外环的宽度W 1 = 0.1 ~0.2 mm，内、外环间隔W 2 = 0.05 ~ 0.15 mm，连接内外金属环的金属的两侧边与圆心连接形成的夹角θ = 10°~ 18°。
3.根据权利要求1所述的X波段的超材料吸波传感器，其特征在于：所述微流道层（3）的结构参数为微流道宽P=1 ~ 1.7 mm，微流道之间的间隙a=0.2 ~ 0.6 mm，内环的内径R1=1~ 1.5 mm，内环的外径R2=2.4~ 3.2 mm，外环的外径R3=4.5 ~ 5 mm，微流道深度t 3为0.3~0.5 mm，微流道底部的厚度t 4为0.3~0.5 mm。
4.根据权利要求1所述的X波段的超材料吸波传感器，其特征在于：所述金属底板（1）和谐振器（5）的材料选择铬、金、银、铜金属中的一种。
5.根据权利要求4所述的X波段的超材料吸波传感器，其特征在于：所述金属底板（1）和谐振器（5）的材料选择铜，电导率为σ=5.8 × 107 S/m。
6.根据权利要求1所述的X波段的超材料吸波传感器，其特征在于：所述底层基底（2）和顶层基底（4）材料选择低损耗材料Rogers RO4003或Rogers RT5880。
7.根据权利要求1所述的X波段的超材料吸波传感器，其特征在于：所述底层基底（2）和顶层基底（4）材料选择Rogers RO4003，介电常数为ε = 3.55(1 + i0.0027)，厚度分别为0.1 ~ 0.4 mm。
8.根据权利要求1所述的X波段的超材料吸波传感器，其特征在于：金属底板（1）和谐振器（5）的厚度远大于趋肤深度，厚度在0.03 ~ 0.05 mm之间。
9.根据权利要求1所述的X波段的超材料吸波传感器，其特征在于：所述吸波谐振单元中的金属底板、底层基底和微流道层在x、y方向上进行延拓，适配测试波导尺寸。
10.根据权利要求1所述的X波段的超材料吸波传感器，其特征在于：所述顶层基底上设有两个引流基座，与微流道的流体注入端I和流出端O连通，用于注入和抽取被测液体。
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