CN111740203A - 一种基于液态金属的高q值温度感知elc谐振结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于液态金属的高Q值温度感知ELC谐振结构，应用于温度感知探测领域，为解决现有传感器灵敏度低的问题，本发明根据反射型平面吸波体理论，通过添加反射板实现高Q值窄带宽吸波体结构，结合液态金属的膨胀性、流动性等特性设计而成，使该谐振单元具有高Q值特性，能实现较高的感知分辨率，同时为了提高温度感知能力，在结构中添加了一个储液结构，从而实现较高的感知灵敏度。

Description

一种基于液态金属的高Q值温度感知ELC谐振结构
技术领域
本发明属于感知探测、辐射控制领域，特别涉及一种温度感知探测技术。
背景技术
电磁超材料(Electromagnetic Metamaterials)是一类人工合成的具有奇异电磁特性的结构型材料，不仅在电磁学、光学、材料学等领域有着广泛应用前景亦为感知、识别、定位、通信等信息学应用领域新型器件设计与制备提供了有效途径。电磁超材料的谐振频率/强度等与单元结构参数、介质材料特性、周围环境因素存在强关联关系，据此可发展出基于电磁超材料的新型传感技术与实现方法，并可广泛用于感知和探测环境中介质、压力、湿度、温度、化学与生物等特性及变化。
在基于电磁超材料的传感应用领域，已经发展出了多种高性能的新型传感技术与设计方法。其感知原理为：在金属结构电磁超材料谐振工作频率处，电磁超材料基本单元内部聚集着大量的电场/磁场分量，由此电磁超材料的宏观谐振频率/强度特性将跟随单元内部的结构参数、介质材料特性与周围环境变化而产生相应改变，通过外部检测电路与处理算法，即可灵活地实现生物、化学、气体、压力、湿度、温度等传感监测。
高Q值，即低能量损耗，Q＝W_总/W_损耗，其中W指能量，但是通常由S参数使用Q＝f0/f3dB，即中心频率/半功率带宽，来计算Q的数值。同等工作中心频率下，Q值越高，意味着半功率带宽越窄，S参数曲线越尖锐，中心频率以外功率变化越大。因此当对传感器S参数输出数据进行采集时，经过数模转换器DAC后，采样得到的数据区分度越大，越易分辨出工作中心频率，误差越小，即拥有更高的频率分辨率，可根据公式转换为对应的温度分辨率。
在电磁超材料研究基础之上，电磁超材料吸波体能够有效的吸收特定频率的电磁波，其能够将入射电磁波能量转变为热能或者能够产生针对入射波反方向的场来抵消电磁波的能量。2008年，Landy团队提出了世界上第一种超材料吸波体，其设计的超材料吸波体在频率11.48GHz处强吸收效果达到99％，并且经过实验数据对照证明了吸波体良好的吸收特性。其结构是典型的金属-介质-金属模型。这种超材料吸波体的具有单元尺寸小、特定频率下吸收率高的特性，但是由于结构的上层金属开口环结构中心不对称，造成吸波体对入射波极化敏感并且高吸收的带宽很窄。
基于热膨胀系数差异性的温度感知技术结构设计巧妙、具有新颖性，但由于异质复合材料热膨胀系数差异性引起的形变量较为微弱，亦存在温度传感分辨率、灵敏度低以及动态范围小等机理缺陷，目前仅处于理论分析和可行性研究阶段。
汞(Hg，俗称水银)，作为一种人们熟知的天然温度敏感金属材料，具有稳定的体积热膨胀系数(0.18×10-3/℃)，已广泛应用于温度传感等领域(如水银柱温度计、水银开关等)。同时，汞的电导率为1.04×106S/m，是一种良好的导电金属材料。
结合热膨胀理论：
ΔV＝V0·ΔT·γ
ΔV：膨胀体积V0：初始体积
ΔT：温度变化量γ：膨胀系数
由上述公式，可得V0∝ΔV，每单位温度变化造成的膨胀体积与初始体积有直接的正相关线性关系，即初始体积越大，每单元温度变化产生膨胀体积越大，对应的谐振结构的形变就越大，采用适当结构时，如线形，环形等，表现为结构中细杆的长度增加越多，即V0∝ΔV，ΔV∝l，然后根据经典偶极子(被介质包裹下)谐振理论：
Figure BDA0002534108360000021
f0：偶极子谐振频率C0：3·108m/s
l：偶极子长度εr：介质板相对介电常数
结构的长度增加越多，对应的谐振频率的偏移也就越大，结构也就具有更高的灵敏度。
传感技术的工作原理、实现机理、设计方法、测试技术和降噪技术等，设计出高性能的有线/无线基于汞基超材料的温度传感器件样品，实验验证/标定其温度传感灵敏度、分辨率和感知范围等性能参数，探索其在高精度传感、物联网、智能制造等技术领域中的应用途径和技术方案，具有更高的灵敏度和分辨率特性，同时其设计方法更为简单、制作成本更低。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种基于液态金属的高Q值温度感知ELC谐振结构，可用于制作高灵敏度的温度传感器。
本发明采用的技术方案为：一种基于液态金属的高Q值温度感知ELC谐振结构，包括周期排列的谐振单元，各谐振单元包裹在介质层中，介质层下表面设置有金属反射板，金属反射板尺寸与介质层尺寸匹配；各谐振单元的结构为：在介质层中产生一个空心储液立体结构，以及在空心储液立体结构两侧分别产生一个左侧开口环状中空结构、右侧开口环状中空结构；所述左侧开口环状中空结构与空心储液立体结构形成闭环，所述右侧开口环状中空结构与空心储液立体结构形成闭环，所述谐振单元中填充液态金属。
左侧开口环状中空结构与右侧开口环状中空结构为对称结构，包括：八个中空的柱状结构，所述八个中空的柱状结构具体为纵向四个中空的柱状结构与横向四个中空的柱状结构，以及四个中空的圆弧结构；所述空心储液立体结构、八个中空的柱状结构、四个中空的圆弧结构连接形成一个∞字形状。
本发明的有益效果：本发明研究基于液态金属的高Q值高灵敏度谐振结构，通过添加反射板实现吸波体结构，结合液态金属的膨胀性、流动性等特性设计而成，使该谐振单元具有高Q值特性，能实现较高的感知分辨率，同时为了提高温度感知能力，在结构中添加了一个储液结构，从而实现较高的感知灵敏度。
附图说明
图1是本发明提供的基于液态金属的高Q值温度感知ELC谐振结构示意图；
图2是本发明提供的基于液态金属的高Q值温度感知ELC谐振结构单个单元三视图及尺寸；
图3是本发明提供的基于液态金属的高Q值温度感知ELC谐振结构的S参数(Q值)数据图；
图4是本发明提供的基于液态金属的高Q值温度感知ELC谐振结构的灵敏度数据图；
图5是本发明提供的基于液态金属的高Q值温度感知ELC谐振结构的电场幅值和电场矢量方向图；
图6是本发明提供的基于液态金属的高Q值温度感知ELC谐振结构的磁场幅值和磁场矢量方向图；
图7是本发明提供的基于液态金属的高Q值温度感知ELC谐振结构的电流方向图。
具体实施方式
为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。
本发明提供的一种基于液态金属的高Q值温度感知ELC谐振结构，由平面反射型吸波体结构，及液态金属的热膨胀性、流动性等特性共同设计而来，所有阵列单元(由液态金属注入构成)被包裹在介质中，液态金属通过在介质成型前或者介质上的通孔注入到介质中。本发明的谐振结构能在随着温度变化在2～40GHz产生有10～2500的Q值，1-6MHz/℃的灵敏度。
本发明的谐振结构包括周期排列的谐振单元，各谐振单元包裹在介质中，介质下表面设置有金属反射板，金属反射板尺寸与介质尺寸匹配；各谐振单元的结构为：在介质中产生一个空心储液立体结构，以及在空心储液立体结构左侧产生一个中空的环状结构，在空心储液立体结构右侧产生一个中空的环状结构，空心储液球体结构中存储有液态金属；
空心储液立体结构可以为正方体、长方体、球体中的一种，中空的柱状结构为圆柱体或长方体，如图1所示，空心储液立体结构为球体，左侧环状结构与右侧环状结构为对称结构，包括：八个中空的细圆柱体结构，以及四个中空的90°圆弧结构，所述八个中空的细圆柱体结构具体为四个纵向的中空的细圆柱体结构与四个横向的中空的细圆柱体结构，四个纵向的中心的细圆柱体结构中两个中空的细圆柱体结构较长，另两个中空的细圆柱体结构较短；所述空心储液球体结构、八个中空的细圆柱体结构、四个中空的90°圆弧结构连接形成一个∞字形状。八个中空的细圆柱体结构还可以是八个中空的细长方体结构。
如图2所示，本发明的谐振单元的结构参数包括：(1)单元的周期阵列排列方式；(2)阵列中单个单元的尺寸；(3)单元形状；(4)单元之间的间隔；(5)单元中圆弧结构的半径；(6)单元中圆弧结构的弯曲角度；(7)单元中的纵向细杆的长度；(8)单元中的横向细圆柱体结构的长度；(9)单元中的储液球体的半径；(10)单元中细圆柱体结构的线径；(11)单元中的球体与杆状体的偏移距离；(12)单元中细圆柱体结构外侧介质的壁厚；(13)单元中球外侧介质的壁厚。
根据本发明的优选实例，用于包裹汞的介质介电常数为2.5，液态金属还可以是镓铟合金或镓铟锡合金。
根据本发明的优选实例，金属反射板的基板厚度t为0.1mm。
根据本发明的优选实例，所述阵列单元排列方式为方形阵列排布。
根据本发明的优选实例，所述单个阵列单元的周期尺寸(2)C为6mm(工作频率：6.5GHz左右)，3mm(工作频率：13GHz左右)，1.5mm(工作频率：30GHz左右)，0.75mm(工作频率：40GHz左右)。
根据本发明的优选实例，所述阵列单元形状(3)为细圆柱体结构与球体和圆弧的组合。
根据本发明的优选实例，所述阵列单元之间的间隔(4)D为d*2，d为1.6mm(工作频率：6.5GHz左右)，0.8mm(工作频率：13GHz左右)，0.4mm(工作频率：26GHz左右)，0.2mm(工作频率：52GHz左右)。
根据本发明的优选实例，所述阵列单元中圆弧结构的半径(5)R1为1mm(工作频率：6.5GHz左右)，0.5mm(工作频率：13GHz左右)，0.25mm(工作频率：26GHz左右)，0.125mm(工作频率：52GHz左右)。
根据本发明的优选实例，所述阵列单元中圆弧结构的弯曲角度(6)θ为90°。
根据本发明的优选实例，所述阵列单元中的纵向细圆柱体结构的长度(7)b为1.7mm(工作频率：6.5GHz左右)，0.85mm(工作频率：13GHz左右)，0.425mm(工作频率：26GHz左右)，0.2125mm(工作频率：52GHz左右)。
根据本发明的优选实例，所述阵列单元中的横向细圆柱体结构的长度(8)a为1mm(工作频率：6.5GHz左右)，0.5mm(工作频率：13GHz左右)，0.25mm(工作频率：26GHz左右)，0.125mm(工作频率：52GHz左右)。
根据本发明的优选实例，所述阵列单元中的储液球体的半径(9)R为0.6mm(工作频率：6.5GHz左右)，0.3mm(工作频率：13GHz左右)，0.15mm(工作频率：26GHz左右)，0.075mm(工作频率：52GHz左右)。
根据本发明的优选实例，所述阵列单元中细圆柱体结构的线径(9)r为0.1mm(工作频率：6.5GHz左右)，0.05mm(工作频率：13GHz左右)，0.025mm(工作频率：26GHz左右)，0.0125mm(工作频率：52GHz左右)。
根据本发明的优选实例，所述阵列单元中的球体与细圆柱体结构的偏移距离(10)为0mm。
根据本发明的优选实例，所述阵列单元中细圆柱体结构外侧介质的壁厚(9)k1为0.3mm(工作频率：6.5GHz左右)，0.15mm(工作频率：13GHz左右)，0.075mm(工作频率：26GHz左右)，0.0375mm(工作频率：52GHz左右)。
根据本发明的优选实例，所述阵列单元中球外侧介质的壁厚(9)k2为0.1mm(工作频率：6.5GHz左右)，0.05mm(工作频率：13GHz左右)，0.025mm(工作频率：26GHz左右)，0.0125mm(工作频率：52GHz左右)。
根据本发明的优选实例，所述阵列单元的理论长度推导和计算公式为：
ΔV＝V0·ΔT·γ
Figure BDA0002534108360000051
Figure BDA0002534108360000061
可知V0∝ΔV，∝表示正比与，每单位温度变化造成的膨胀体积与初始体积有直接的正相关线性关系，即初始体积越大，每单元温度变化产生膨胀体积越大，对应的单元结构的形变就越大，采用本发明的环形结构时，表现为单元结构中细圆柱体的长度增加越多，即V0∝ΔV，ΔV∝l。单元结构的长度增加越多，对应的谐振频率的偏移也就越大，单元结构也就具有更高的灵敏度。
本实施例单元谐振结构尺寸为：10mm*10mm。
图3是本发明提供的基于液态金属的高Q值温度感知ELC谐振结构的S参数(Q值)数据图，其在初始温度条件下谐振在6.5GHz，谐振深度达到-35dB，具有高Q值特性；图3中横坐标表示谐振频率，纵坐标表示谐振深度。
图4是本发明提供的基于液态金属的高Q值温度感知ELC谐振结构的灵敏度数据图，基于前述阵列单元理论长度计算公式，当温度降低导致液态金属长度变短时，ELC谐振结构的频率快速向高频移动，表明其具有高度温度灵敏特性；图4中横坐标表示谐振频率，纵坐标表示谐振深度。
图5是本发明提供的基于液态金属的高Q值温度感知ELC谐振结构的电场幅值和电场矢量方向图，图6是本发明提供的基于液态金属的高Q值温度感知ELC谐振结构的磁场幅值和磁场矢量方向图，图7是本发明提供的基于液态金属的高Q值温度感知ELC谐振结构的电流方向图，图5-7进一步说明本发明的ELC结构在谐振频率处的电场能量聚集程度，说明其高Q值特性。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种基于液态金属的高Q值温度感知ELC谐振结构，其特征在于，包括周期排列的谐振单元，各谐振单元包裹在介质层中，介质层下表面设置有金属反射板，金属反射板尺寸与介质层尺寸匹配；各谐振单元的结构为：在介质层中产生一个空心储液立体结构，以及在空心储液立体结构两侧分别产生一个左侧开口环状中空结构、右侧开口环状中空结构；所述左侧开口环状中空结构与空心储液立体结构形成闭环，所述右侧开口环状中空结构与空心储液立体结构形成闭环，所述谐振单元中填充液态金属。
2.根据权利要求1所述的一种基于液态金属的高Q值温度感知ELC谐振结构，其特征在于，左侧开口环状中空结构与右侧开口环状中空结构为对称结构，包括：八个中空的柱状结构，所述八个中空的柱状结构具体为纵向四个中空的柱状结构与横向四个中空的柱状结构，以及四个中空的圆弧结构；所述空心储液立体结构、八个中空的柱状结构、四个中空的圆弧结构连接形成一个∞字形状。
3.根据权利要求2所述的一种基于液态金属的高Q值温度感知ELC谐振结构，其特征在于，所述空心储液立体结构为正方体、长方体、球体中的一种。
4.根据权利要求2或3所述的一种基于液态金属的高Q值温度感知ELC谐振结构，其特征在于，中空的柱状结构为圆柱体或长方体。
5.根据权利要求4所述的一种基于液态金属的高Q值温度感知ELC谐振结构，其特征在于，所述介质层介电常数为2.5。
6.根据权利要求5所述的一种基于液态金属的高Q值温度感知ELC谐振结构，其特征在于，所述液态金属为汞、镓铟合金、镓铟锡合金中的一种。
7.根据权利要求6所述的一种基于液态金属的高Q值温度感知ELC谐振结构，其特征在于，所述周期排列的谐振单元为方形阵列或多边形阵列。
8.根据权利要求6所述的一种基于液态金属的高Q值温度感知ELC谐振结构，其特征在于，单个谐振单元的周期尺寸为1～20mm。
9.根据权利要求6所述的一种基于液态金属的高Q值温度感知ELC谐振结构，其特征在于，相邻谐振单元之间的间隔为0.5～3mm。
10.根据权利要求6所述的一种基于液态金属的高Q值温度感知ELC谐振结构，其特征在于，圆弧结构的半径为0.25～1.5mm，优选的圆弧结构的弯曲角度为80°～110°；优选的，纵向中心柱状结构长度为0.2mm～2mm；优选的，横向中心柱状结构长度为0.2mm～1.5mm；优选的，八个中空的柱状结构宽度为0.2mm～2mm；优选的，空心储液立体结构与中空柱状结构的偏移距离为-2～+2mm；优选的，中空柱状结构外侧介质层的壁厚为0.1～0.4mm；优选的，空心储液立体结构外侧介质层的壁厚为0.02～0.1mm。
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