CN208043653U - 一种基于电磁诱导透明效应的液体浓度检测系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及了一种基于电磁诱导透明效应的液体浓度检测系统，所述系统主要包括LED光源、准直镜、微流通道、废液收集器、超材料传感器、分光元件、前双胶合透镜、后双胶合透镜、成像器件、电脑。LED光源发出的光由准直镜准直后垂直入射到微流通道中的超材料传感器上产生电磁诱导透明效应，待测样品通过微流通道与超材料直接接触，由分光元件、前后双胶合透镜实现透射光的分光，光谱由成像器件接收，在电脑中形成光谱曲线。当待测样品浓度变化时，其折射率也会发生变化，则电磁诱导透明透射峰峰值波长将发生偏移，通过测量透射谱的峰值波长，可计算出液体浓度。本实用新型利用电磁诱导透明现象实现液体浓度的测量，准确度高，灵敏度好。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种液体浓度检测传感器，尤其是一种利用电磁诱导透明效应来检测溶液浓度的传感器，它属于光学测量领域。
背景技术
超材料是一种由人工合成的电磁材料，是近年电磁领域研究热点之一。通常超材料的周期单元尺寸比其工作波长要小，且不考虑单元之间的耦合，因此可以把超材料看成是一种连续媒质，用等效介电常数和等效磁导率来表征其电磁响应。人们可通过设计超材料的周期单元结构来得到所需要的介电常数ε和磁导率μ的值，并呈现出天然或化学合成材料不能具备的物理和电磁特性。
电磁诱导透明（Electromagnetically induced transparency，EIT）是一种关于光和物质相互作用的奇特现象，在共振电磁场条件下，原本不透明的介质会变为透明，出现一个具有光谱选择性的狭小透射峰。近年来，利用人工超材料实现类电磁诱导透明效应从而提高传感器的谐振Q值和测量灵敏度成为本领域的研究热点之一。全介质类EIT超材料是目前的新兴方向，它通过米氏谐振中的电谐振-电谐振，电谐振-磁谐振或者电谐振（磁谐振）与其他谐振相互耦合干涉相消形成EIT现象。由于谐振单元周期性的排列，单元之间的耦合使得辐射损耗得到抑制。并且可通过调节全介质超材料的尺寸和材料介电性质来控制谐振波长、谐振强度和品质因子。近年来，在基础研究、医药化工、医学诊断、食品制造以及环境保护等诸多领域，需要对液体浓度进行表征，这是由于液体浓度是反映液体特性的一个重要参数。如在医学诊断中某种液体浓度可用来表征身体的健康状况；在医药化工中可用液体浓度来检测化学反应的动态过程。通常，液体浓度与其折射率或吸收系数密切相关，因而可通过准确测试液体折射率或吸收谱来获得液体的浓度参数。常见方法有布里渊散射法、布拉格光栅衍射法、拉曼光谱法等。而电磁诱导透明作为一个新兴的现象，其灵敏度高，准确性好，在溶液折射率检测这一块拥有很好的应用前景。
发明内容
本实用新型就是利用能产生电磁诱导透明效应的超材料来搭建一个新型的液体浓度检测传感系统，进而达到可以测量溶液折射率并应用相应的公式计算出待测溶液的浓度的目的。由于不同的溶液折射率不同会使电磁诱导透明现象所产生的透明峰的波长发生偏移，而通过检测这个波长的偏移量就可以计算出相应待测物溶液的折射率。再通过待测溶液的浓度与折射率的关系公式就可以相应计算出待测物的溶液浓度了。本专利是设计了一个特定的超材料结构，使之可以产生电磁诱导透明现象，从而可以通过上述过程检测待测物溶液的折射率并计算出其溶液浓度。
为了完成上述目的，本实用新型的技术要求为：由LED光源（1）、准直镜（2）、微流通道（3）、废液收集器（4）、超材料传感器（5）、分光元件（6）、前双胶合透镜（7）、后双胶合透镜（8）、成像器件（9）、电脑（10）组成的系统。
如图1所示，由LED光源发出的光经由准直镜校准后变成平行光垂直入射到位于微流通道中的超材料传感器上产生电磁诱导透明效应，待测样品通过加载在超材料传感器上的微流通道与超材料直接接触，最后流入废液收集器。由透射光栅作为分光元件，把经由超材料传感器的透射光中不同波长的光聚焦在不同位置，由前后两个双胶合透镜优化光路，使其能在CCD上显示完整的波谱，再利用电脑中的数据采集卡将CCD的信号进行分析得到光谱曲线，并由此曲线得到峰值波长，计算波长偏移量。再整合峰值波长与液体折射率的关系公式与待测溶液浓度与折射率的关系公式，计算出待测溶液的浓度。
所述的电磁诱导透明超材料传感器其基底材料为二氧化硅，结构材料为硅；电磁诱导透明超材料的单个周期结构由一个棒和一个开口环组成：其中，棒宽w=75纳米，长l=300纳米，与下一个周期的开口环间隔k=45nm，开口环外径r2=114纳米，内径r1=60纳米，开口宽度g=32纳米，开口环与棒的间隔d=30纳米，整个结构的高度为h=55纳米，周期尺寸为横向Px=410纳米*纵向Py=375纳米。
与现有技术相比，本发明的特色与优势在于：
全介质超材料中实现的类电磁诱导透明效应是光与介质相互作用，在共振电磁场条件下，原本不透明的介质会变为透明，出现一个具有光谱选择性的狭小透射峰。本专利提出的折射率传感器是基于该效应来达到检测目的的，光谱偏移容易分辨。
全介质超材料与半导体生产工艺相容，易于大量生产，测试简便，稳定性高，并且由于超材料的结构尺寸可以达到微米级别，所以可以把传感器的结构做的紧凑，便于集成，利于实现多通道检测。
附图说明
图1是本专利提供的一种基于电磁诱导透明效应的液体浓度检测系统示意图。
图2是本专利提供的假想系统的光路示意图。
图3是本专利提供的微流通道的结构示意图。
图4是本专利提供的超材料传感器的结构制作方法示意图。
图5是本专利提供的超材料传感器的单周期结构示意图。
图6是本专利提供的超材料传感器的32周期结构示意图。
图7，图8是本专利提供的超材料传感器的电磁诱导透明现象示意图。
图9是本专利提供的超材料传感器在不同结构下的透射光谱图。
图10是本专利提供的超材料传感器在经微流通道通入不同浓度溶液情况下的透射光谱图。
图11是本专利提供的超材料传感器透射峰波长随着溶液折射率变化的关系曲线的线性拟合图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型进行进一步的说明。
如图1所示, LED光源发出的光由准直镜以校准为平行光垂直入射到位于微流通道中的超材料传感器上产生电磁诱导透明效应，待测样品通过加载在超材料传感器上的微流通道与超材料直接接触，由分光元件把经由超材料传感器的透射光中不同波长的光聚焦在不同位置，前后双胶合透镜优化光路，然后由成像器件接收，用数据连接线直接传输到电脑的数据采集卡（IEEE 1394卡）中，利用GRAMS Suite软件在电脑中合成光谱曲线。
如图2所示整个系统的光路图。其中准直镜（5）材料为H-KF6,前表面半径9.1mm，后表面半径8.4mm，边缘厚度2mm，面直径为10mm；前双胶合透镜（7）镜面直径为9mm，正透镜材料为H-K9L，前表面半径31.5mm，边缘厚度为1.9mm，后表面半径为67.4mm；负透镜材料为H-ZF4，前表面半径67.4mm，边缘厚度1.6mm，后表面为平面。后双胶合透镜（8）镜面直径为8mm，正透镜材料为H-LAK10，前表面半径11mm，边缘厚度为2.3mm，后表面半径为8.6mm；负透镜材料为H-ZF7L，前表面半径8.6mm，边缘厚度为1.648mm，后表面半径为35.8mm。
如图3所示微流通道由液体入口导管（1）、中间通道（2）、出口导管（3）组成，微流通道底部由超材料构成，顶部为聚二甲基硅氧烷构成。
如图4所示超材料结构的制作流程图，用电子束光刻将图案利用光刻胶描绘在SOI材料（最下层硅500微米，中间层二氧化硅2微米，最上层硅220纳米）的最上层硅上，应有图案的地方没有光刻胶，而没有图案的地方有光刻胶，然后用溅射机依次溅射金属钛和金属镍（Ti&Ni）对整个SOI片子覆盖，则应有图案的地方有金属，没有图案的地方的金属下面有光刻胶，之后采用剥离工艺将下面有光刻胶的金属去除，仅留下金属图案，再用反应离子蚀刻工艺将未被金属保护的硅除去，最后除去金属，从而得到超材料传感器的全部结构。
如图5所示，电磁诱导透明超材料的单个周期结构由一个棒和一个开口环组成。其中，棒宽w=75纳米，长l=300纳米，与下一个周期的开口环间隔k=45nm，开口环外径r2=114纳米，内径r1=60纳米，开口宽度g=32纳米，开口环与棒的间隔d=30纳米，整个结构的高度为h=55纳米，横向周期为px=410纳米，纵向周期为py=375纳米。图中的Ex方向代表入射光的电场方向，Hy代表入射光的磁场方向，Kz代表入射光的传播方向，三个方向两两垂直。其中Ex沿棒的方向。
如图6所示，多周期的超材料展示图，图中共有32个周期。
如图7所示，当结构仅为一个单棒时，波长在590nm左右的光垂直入射到结构上，与棒产生电谐振，电场沿棒方向，且形成环绕棒的磁场（颜色越深，表示其强度越大）。此时，该波长段的光基本没有透射，如图7中虚线部分所示。
如图8所示，在结构上加入开口环后，棒形成的磁场穿过开口环，产生了沿着开口环的电流，激发了暗模，与棒（明模）相互干涉（干涉相消），使得棒上的电磁场强度急剧减弱。此时在光谱图上就可以看到一个透射峰，如图9的实线部分所示。
运用上述结构进行仿真实验，仿真结果如图10所示，可以发现当不同折射率的溶液滴到超材料表面时，由超材料产生的电磁诱导透明现象的透射峰有不同程度的偏移，且液体折射率越大，峰值波长越长。
再将透射峰波长随着溶液折射率变化的关系曲线进行线性拟合，结果如图11所示，得到的透射峰波长随溶液折射率变化的关系公式为w=129.91*n+483.26,其中w代表波长，n代表溶液折射率。结果表明，峰值波长与液体折射率呈良好的线性关系，且灵敏度较高。这在测量结果的准确性上有很大的优势。以甘油与去离子水的混合溶液为例，浓度和折射率的对应关系如下表：
从表中数据可算出折射率与甘油与去离子水的混合溶液浓度关系式为n=12.8*∆+1.327，其中∆表示溶液浓度。因此再由透射峰波长随溶液折射率变化的关系公式就可以得到峰值波长与该液体浓度的关系曲线是w=1662.8*∆+655.65，灵敏度是1662.8，所以通过峰值波长的检测可以反推出待测液体浓度，且灵敏度较高。
需要指出的是，上述实施例仅为说明本发明的技术构思和特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能依此来限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于电磁诱导透明效应的液体浓度检测系统，由LED光源（1）、准直镜（2）、微流通道（3）、废液收集器（4）、超材料传感器（5）、分光元件（6）、前双胶合透镜（7）、后双胶合透镜（8）、成像器件（9）以及电脑（10）组成；从LED光源（1）发出的光经由准直镜（2）校准垂直入射超材料传感器（5）激发起电磁诱导透明效应，依次经分光元件（6）、前双胶合透镜（7）、后双胶合透镜（8），由成像器件（9）接收后在电脑（10）上获得透射光谱，待测液体经微流通道（3）与超材料传感器（5）直接接触，液体浓度与电磁诱导透明效应的峰值波长成线性关系，通过分析该波长数值实现液体浓度测定。
2.根据权利要求1所述的一种基于电磁诱导透明效应的液体浓度检测系统，其特征在于：所述LED光源（1）是发光二极管，工作波长范围为可见光波段。
3.根据权利要求1所述的一种基于电磁诱导透明效应的液体浓度检测系统，其特征在于：所述超材料传感器（5），其基底材料为二氧化硅，结构材料为硅，且至少有32个周期；单个周期结构由一个棒和一个开口环组成：其中，棒宽w=75纳米，长l=300纳米，与下一个周期的开口环间隔k=45nm，开口环外径r2=114纳米，内径r1=55纳米，开口宽度g=32纳米，开口环与棒的间隔d=30纳米，整个结构的高度为h=55纳米，周期尺寸为横向Px=410纳米*纵向Py=375纳米。
4.根据权利要求1所述的一种基于电磁诱导透明效应的液体浓度检测系统，其特征在于：所述微流通道（3）是用聚二甲基硅氧烷材料制成，包括液体入口导管、中间通道、出口导管。
5.根据权利要求1所述的一种基于电磁诱导透明效应的液体浓度检测系统，其特征在于：其准直镜材料H-KF6,前表面半径9.1mm，后表面半径8.4mm，边缘厚度2mm，面直径为10mm。
6.根据权利要求1所述的一种基于电磁诱导透明效应的液体浓度检测系统，其特征在于：前双胶合透镜（7）镜面直径为9mm，正透镜材料为H-K9L，前表面半径31.5mm，边缘厚度为1.9mm，后表面半径为67.4mm；负透镜材料为H-ZF4，前表面半径67.4mm，边缘厚度1.6mm，后表面为平面；后双胶合透镜（8）镜面直径为8mm，正透镜材料为H-LAK10，前表面半径11mm，边缘厚度为2.3mm，后表面半径为8.6mm；负透镜材料为H-ZF7L，前表面半径8.6mm，边缘厚度为1.6mm，后表面半径为35.8mm。
7.根据权利要求1所述的一种基于电磁诱导透明效应的液体浓度检测系统，其特征在于：所述成像器件（9）是电荷耦合器CCD或者是互补金属氧化物半导体CMOS图像传感器。
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