CN112966557A - 一种用于生物体检测的超材料传感器及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于生物体检测的超材料传感器及其检测方法，其中，基板上端面设置有带通滤波器，基板下端面设置有两互补开口谐振环。本发明基于互补开口谐振环和带通滤波器的特性，利用手指接触传感器时会导致通频带内传输系数参数发生变化，结合无接触时通频带内传输系数参数进行比对，即可判定是否有生物体靠近，判断手指真假，保证指纹识别时更加安全、准确，有效减少不法分子的犯罪机会。

Description

一种用于生物体检测的超材料传感器及其检测方法

技术领域

本发明属于生物电磁学技术领域，涉及生物体的检测和识别，具体涉及一种用于生物体检测的超材料传感器及其检测方法。

背景技术

现代社会对个人身份识别的准确性、安全性提出了很高的要求，尤其是商业、工业、军事基地等一些特殊场所，对于身份验证的要求更加严苛。传统的身份识别方式主要包括人脸识别、虹膜识别、指纹识别等，其中，人脸识别受成像条件、年龄变化等因素影响；虹膜识别在人患眼疾后会导致虹膜纹理变化，使识别出现偏差、错误；人的一生，无论是青年、中年还是老年阶段，指纹都始终如一，具有高度稳定性，因而指纹识别有其他识别方式所不具备的一些优势。

当下，指纹识别技术在门禁、考勤以及手机等系统中广泛应用。许多单位、公司及政府机构都建有员工指纹特征数据库，用于考勤及其它个人身份识别应用。但是，指纹特征数据库的管理普遍比较混乱，用户指纹信息丢失、泄露问题时有发生(用户生物数据库被盗案例屡见不鲜，如2015年7月，美国联邦人事管理局就有超过2210万相关个人信息和560万指纹数据泄露)，被不法分子盗取后将会导致极大隐患。以考勤系统为例，不法分子会利用指纹信息制作假指纹，而现有指纹传感器很容易被假指纹欺骗，继而导致财物、机密等被盗取，因此需要在使用指纹识别的同时集成生物体检测技术。

发明内容

针对上述背景技术中指出的问题，本发明提出一种用于生物体检测的超材料传感器及其检测方法，准确识别用户生物特征有效性，作为现有指纹传感器的补充，解决假手指问题。

本发明所采用的技术方案为：

一种用于生物体检测的超材料传感器，包括基板，所述基板上端面设置有带通滤波器，所述基板下端面设置有两互补开口谐振环，所述基板左右侧各设置有一SMA接头；

所述带通滤波器包括第一矩形铜板，所述第一矩形铜板沿所述基板长度方向覆在所述基板上端面中间位置；所述第一矩形铜板中间位置开设有横向直槽，所述横向直槽垂直于所述第一矩形铜板长度方向；所述横向直槽四角位置沿所述第一矩形铜板长度方向向外延伸出第一L形槽，各第一L形槽长段与所述横向直槽相连通，位于所述横向直槽同侧的两第一L形槽短段相对；各第一L形槽短段末端向内垂直延伸出第二L形槽，各第二L形槽长段与对应第一L形槽短段相连通，位于所述横向直槽同侧的两第二L形槽短段相背；所述带通滤波器整体为中心对称结构；

所述两互补开口谐振环并排开设在第二矩形铜板中间位置，沿所述第二矩形铜板长度方向分布，所述第二矩形铜板与所述基板等大，覆在所述基板下端面上；互补开口谐振环包括内环槽和外环槽，内外环槽开口方向相反，所述两互补开口谐振环各自的外环槽开口方向相同；

两SMA接头的馈电针分别与所述第一矩形铜板相连，所述两SMA接头的接地针分别与所述第二矩形铜板相连。

进一步地，互补开口谐振环内、外环槽开口正对所述基板长边。

进一步地，所述基板的材质为PPO。

进一步地，所述带通滤波器和所述两互补开口谐振环外表面均附着有一层防腐蚀薄膜。

进一步地，防腐蚀薄膜为PMMA材料。

进一步地，所述基板长×宽×厚为26×19.5×1mm；所述第一矩形铜板长×宽为8.1×7mm。

进一步地，所述横向直槽长×宽为5.5×2.8mm；第一L形槽长段长度为6mm，短段长度为2.55mm；第二L形槽长段长度为4.64mm，短段长度为0.8mm。

进一步地，互补开口谐振环结构中，内、外环槽宽度及环槽间间距均为0.2mm，内、外环槽开口宽均为0.2mm，外环槽外圈半径为1.1mm，内环槽外圈半径为0.7mm；所述两互补开口谐振环中心间距为3.6mm。

一种用于生物体检测的超材料传感器的检测方法，当手指敲击/触碰传感器时，改变传感器周边电场，电场改变转换为带通滤波器通频带内传输系数参数变化，不同物体接触传感器时，带通滤波器通频带内传输系数参数变化不同，依此检测出不同物体；

上式中，f_H为传感器通频带的高频，f_L为传感器通频带的低频；T(f)为手指接触传感器时的传输系数值，S(f)为无手指接触传感器的传输系数值，均可通过实验测得。

进一步地，f_H为10GHz，f_L为8GHz。

本发明的有益效果在于：

本发明的传感器尺寸小，结构简单，成本低。当假手指靠近或触碰本传感器时，根据通频带内传输系数的不同衰减有效判断手指真假，检测生物体的有效性。本发明为片状结构，易于与各种智能终端集成，精度高，可保证指纹识别时更加安全、准确，有效减少不法分子的犯罪机会。

附图说明

图1为超材料传感器的结构示意图；

图2为超材料传感器的立体结构示意图；

图3为图1的俯视图；

图4为图3中，带通滤波器的放大图；

图5为图1的仰视图；

图6为有无生物体接触传感器时的S21参数对比图；

图7为不同物体接触传感器时的S21参数对比图；

图8为无生物体接触时传感器周围电场分布图；

图9为有生物体接触时传感器周围电场分布图；

附图标记：1-基板，2-带通滤波器，3-互补开口谐振环，4-SMA接头。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明的用于生物体检测的超材料传感器及其检测方法作进一步地详细说明。

如图1至5所示，一种用于生物体检测的超材料传感器，包括基板1，基板1上端面设置有带通滤波器2，基板1下端面设置有两互补开口谐振环3，基板1左右侧各设置有一SMA接头4。

带通滤波器2包括第一矩形铜板，第一矩形铜板沿基板1长度方向覆在基板1上端面中间位置。第一矩形铜板中间位置开设有横向直槽，横向直槽垂直于第一矩形铜板长度方向。横向直槽四角位置沿第一矩形铜板长度方向向外延伸出第一L形槽，各第一L形槽长段与横向直槽相连通，位于横向直槽同侧的两第一L形槽短段相对。各第一L形槽短段末端向内垂直延伸出第二L形槽，各第二L形槽长段与对应第一L形槽短段相连通，位于横向直槽同侧的两第二L形槽短段相背。带通滤波器2整体为中心对称结构。

两互补开口谐振环3并排开设在第二矩形铜板中间位置，沿第二矩形铜板长度方向分布，第二矩形铜板与基板1等大，覆在基板1下端面上。互补开口谐振环3包括内环槽和外环槽，内外环槽开口方向相反，两互补开口谐振环3各自的外环槽开口方向相同。带通滤波器2和互补开口谐振环3均通过铜板蚀刻工艺制作。

两SMA接头4的馈电针分别与第一矩形铜板相连，两SMA接头4的接地针分别与第二矩形铜板相连。

本实施例中，互补开口谐振环3内、外环槽开口正对基板1长边(经试验，该开口朝向相对于朝向短边，或其他，效果更好)。

基板1的材质为PPO，相对介电常数为3.6，具有收缩率低，尺寸稳定性好且耐腐蚀等优点。

带通滤波器2和两互补开口谐振环3外表面均附着有一层防腐蚀薄膜，防腐蚀薄膜为PMMA材料。

基板1长×宽×厚为26×19.5×1mm。第一矩形铜板长×宽为8.1×7mm。

横向直槽长×宽为5.5×2.8mm。第一L形槽长段长度为6mm，短段长度为2.55mm。第二L形槽长段长度为4.64mm，短段长度为0.8mm。

互补开口谐振环3结构中，内、外环槽宽度及环槽间间距均为0.2mm，内、外环槽开口宽均为0.2mm，外环槽外圈半径为1.1mm，内环槽外圈半径为0.7mm。两互补开口谐振环3中心间距为3.6mm。

一种用于生物体检测的超材料传感器的检测方法，当手指敲击/触碰传感器时，改变传感器周边电场，电场改变转换为带通滤波器2通频带内传输系数参数变化，不同物体接触传感器时，带通滤波器2通频带内传输系数参数变化不同，依此检测出不同物体。

上式中，f_H为传感器通频带的高频，f_L为传感器通频带的低频。T(f)为手指接触传感器时的传输系数值，S(f)为无手指接触(即待机状态时)传感器的传输系数值，均可通过实验测得。本实施例中，f_H为10GHz，f_L为8GHz。

本发明的超材料传感器工作原理为：

根据互补开口谐振环3(CSRR)的局域电磁场特性以及带通滤波器2(BPF)的通频特性，当生物体触碰(以手指为例，即手指敲击传感器)时，将带来传感器周边电场的改变，通过带通滤波器2，电场的改变就转换为易测量的通频带内传输系数参数的变化。将变化进行数学处理，并对处理得到的数据进行比对，就可实现区分手指(生物体)的不同模式特征。

在传感器的中间区域为感应生物体(下面以手指为例)的基准区域。传感器具有一个对接近媒质敏感的通频带，当手指触碰传感器时，将带来传感器周边电场的改变(参见图8和图9)，通过带通滤波器，电场的改变就转换为通频带内传输系数参数的变化。即当手指未接触时，传感器存在相对平坦的通带，而当生命体触碰后，平坦的通带内传输系数会出现较大幅度的衰减，对此衰减值进行处理可以确定手指完成了一次敲击。发明人先后又对其他非生物体做以上类似实验，其接触或非接触时频带内传输系数依据公式(1)都会产生不同程度的衰减。由此，可根据频带内传输系数的变化积分值判断是否有生物体。

下面对实验情况进行介绍。为了模拟生物体对传感器S21参数(即通频带内传输系数)的影响，按照人体手指结构和各部分组织的相对介电常数、电导率建立人体手指模型(代替生物体，下面生物体用人体上肢手指来代替)。手指模型从下往上分为以下几个部分：皮肤层(相对介电常数31.1、电导率8.01S/m)、脂肪层(相对介电常数8.8、电导率1.71S/m)、肌肉层(相对介电常数42.8、电导率10.6S/m)、骨骼层(相对介电常数12.7、电导率3.86S/m)。

图6是有无手指接触传感器时的S21参数对比图，没有生物体接触传感器的时候，该传感器在3.2GHz-12GHz带宽内有较为平整的通带，当有手指敲击的时候，该通带的平整性被破坏，尤其在10GHz附近传输系数变化特别明显，其传输系数衰减将近10dB，故由此对比传输系数S21曲线的衰减程度可以辨别有无手指接触。

图7是不同物体接触传感器时S21参数变化图，此处不同物体和上述同理，采用各种材料的不同介电常数建立了物体模型，此处表现出不同材料接触传感器时依据公式(1)，在设计的通频带内，S21参数的变化量不同，即此传感器可用来区分(检测)不同的物体。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术方法范围内，可轻易想到的替换或变换方法，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于生物体检测的超材料传感器，其特征在于，包括基板(1)，基板(1)上端面设置有带通滤波器(2)，基板(1)下端面设置有两互补开口谐振环(3)，基板(1)左右侧各设置有一SMA接头(4)；

带通滤波器(2)包括第一矩形铜板，所述第一矩形铜板沿基板(1)长度方向覆在基板(1)上端面中间位置；所述第一矩形铜板中间位置开设有横向直槽，所述横向直槽垂直于所述第一矩形铜板长度方向；所述横向直槽四角位置沿所述第一矩形铜板长度方向向外延伸出第一L形槽，各第一L形槽长段与所述横向直槽相连通，位于所述横向直槽同侧的两第一L形槽短段相对；各第一L形槽短段末端向内垂直延伸出第二L形槽，各第二L形槽长段与对应第一L形槽短段相连通，位于所述横向直槽同侧的两第二L形槽短段相背；带通滤波器(2)整体为中心对称结构；

所述两互补开口谐振环(3)并排开设在第二矩形铜板中间位置，沿所述第二矩形铜板长度方向分布，所述第二矩形铜板与基板(1)等大，覆在基板(1)下端面上；互补开口谐振环(3)包括内环槽和外环槽，内外环槽开口方向相反，所述两互补开口谐振环(3)各自的外环槽开口方向相同；

两SMA接头(4)的馈电针分别与所述第一矩形铜板相连，所述两SMA接头(4)的接地针分别与所述第二矩形铜板相连。

2.根据权利要求1所述的用于生物体检测的超材料传感器，其特征在于，互补开口谐振环(3)内、外环槽开口正对基板(1)长边。

3.根据权利要求1所述的用于生物体检测的超材料传感器，其特征在于，基板(1)的材质为PPO。

4.根据权利要求1所述的用于生物体检测的超材料传感器，其特征在于，带通滤波器(2)和所述两互补开口谐振环(3)外表面均附着有一层防腐蚀薄膜。

5.根据权利要求4所述的用于生物体检测的超材料传感器，其特征在于，防腐蚀薄膜为PMMA材料。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的用于生物体检测的超材料传感器，其特征在于，基板(1)长×宽×厚为26×19.5×1mm；所述第一矩形铜板长×宽为8.1×7mm。

7.根据权利要求6所述的用于生物体检测的超材料传感器，其特征在于，所述横向直槽长×宽为5.5×2.8mm；第一L形槽长段长度为6mm，短段长度为2.55mm；第二L形槽长段长度为4.64mm，短段长度为0.8mm。

8.根据权利要求6所述的用于生物体检测的超材料传感器，其特征在于，互补开口谐振环(3)结构中，内、外环槽宽度及环槽间间距均为0.2mm，内、外环槽开口宽均为0.2mm，外环槽外圈半径为1.1mm，内环槽外圈半径为0.7mm；所述两互补开口谐振环(3)中心间距为3.6mm。

9.一种用于生物体检测的超材料传感器的检测方法，其特征在于，当手指敲击/触碰传感器时，改变传感器周边电场，电场改变转换为带通滤波器(2)通频带内传输系数参数变化，不同物体接触传感器时，带通滤波器(2)通频带内传输系数参数变化不同，依此检测出不同物体；

上式中，f_H为传感器通频带的高频，f_L为传感器通频带的低频；T(f)为手指接触传感器时的传输系数值，S(f)为无手指接触传感器的传输系数值，均可通过实验测得。

10.根据权利要求9所述的用于生物体检测的超材料传感器的检测方法，其特征在于，f_H为10GHz，f_L为8GHz。

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