一种基于人工局域表面等离激元的高灵敏度微波微流传感器

1.本发明属于微波传感技术领域，特别涉及一种基于人工局域表面等离激元的高灵敏度微波微流传感器。


背景技术：

2.随着射频微波电路的应用从最初的国防和军事领域迅速扩展到民用和商业领域之后，传感器设计技术快速发展，设计一种高灵敏度的传感器，快速准确地获得微波材料的磁电性能，已经成为电子学、通信和其他相关领域关注的焦点。微波谐振式传感器因其无源、低成本、体积小、高可靠性、高灵敏度以及非侵入式等优点，广泛应用于生物、医学、化工等领域，其中用于液体介电常数检测的研究一直受到学者的广泛关注。液体的介电常数是频率的函数，随着频率的升高而减小，基于目前的技术发展水平，介电常数无法被直接测量，常将其转化为其他物理量，比如s参数和电流电压等物理参数。
3.表面等离激元是一种具有高度束缚态的表面波电磁模式，电磁场被局限在金属表面很小的范围内并发生近场增强，其是由光入射到金属与介质的交界面，金属表面区域的自由电子集体振荡，与光子在外部电磁场的激励下相互作用而形成。然而在微波段或太赫兹波段，大部分金属被视为理想电导体(perfect electrical conductor,pec)，电磁波无法渗透入金属表面,因此表面等离激元无法传输。可通过人工添加周期性金属结构模拟光波段的电磁特性，产生类似于表面等离激元的电磁现象，成为人工表面等离激元。人工表面等离激元已在天线、滤波器和传感器等方面表现出良好的性能。根据振荡类型，可将其分为人工表面等离极化激元(spoof surface plasmon polaritons，sspp)和人工局域表面等离激元(spoof localized surface plasmons,slsp)。
4.近年来，基于人工局域表面等离激元谐振传感器的研究成为了当前研究的热点。公布号为cn 111856148 a的中国专利文献公开了一种高灵敏度液体介电常数测量微波传感器，包括介质基板和立体容器结构；所述介质基板包括两个馈电端口、两组λ/4阶跃阻抗谐振器、一个矩形辐射贴片，辐射贴片中间加载csrr(互补分裂谐振环)结构；立体容器结构位于介质基板中央，底部为介质基板，通过两条平行耦合线实现馈电。但是，这种传感器存在对不同溶液介电表征不够灵敏的缺点。


技术实现要素：

5.为解决现有技术存在的上述技术问题，本发明的提供了一种基于人工局域表面等离激元的高灵敏度微波微流传感器，能够显著提高传感器对不同溶液进行介电表征时的灵敏度。
6.本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
7.一种基于人工局域表面等离激元的高灵敏度微波微流传感器，包括介质层和金属层，所述的介质层包括第一介质基板、第二介质基板，所述的金属层包括顶层、中间层、底层，顶层为slsp谐振器，中间层为微带线，底层为金属地；所述的顶层位于第一介质基板的
上表面，中间层位于第一介质基板和第二介质基板之间，底层位于第二介质基板的下表面。
8.进一步设置，第一介质基板上与微带线对应的位置刻蚀有方形孔，所述的微带线通过方形孔连接sma(small a type)连接头；两条所述的微带线之间呈90
°
分布。
9.进一步设置，所述的slsp谐振器为含交指的四分之一结构，交指上方设有pdms(聚二甲基硅氧烷)，pdms内部含微流控通道。
10.进一步设置，所述的交指包括第一交指、第二交指。
11.进一步设置，所述的第一交指的数量为六，第二交指的数量为二；第一交指为旋转角度为13
°
、宽度为0.4mm的圆环；第二交指的长度为0.4mm、宽度为0.25mm。
12.进一步设置，所述的微带线包括输入端口、输出端口、金属圆盘，金属圆盘设置于微带线末端。
13.进一步设置，所述的输入端口与输出端口宽度为1.25mm、长度为11mm，所述的金属圆盘半径为2mm。
14.进一步设置，所述的第一介质基板与第二介质基板的介电常数为2.2、损耗角正切为0.0009、厚度为0.508mm。
15.进一步设置，所述的第一介质基板与第二介质基板为尺寸相同的方形结构，边缘对齐层叠设置。
16.综上所述，本发明具有以下有益效果：
17.1、本发明中slsp谐振器的强电场及场约束能力，使传感器对金属周围介质介电常数的变化特别敏感，显著提高了传感器对不同溶液进行介电表征时的灵敏度。
18.2、本发明把lsp波限制在小于波长的范围内，突破了衍射极限，实现了紧凑的总体尺寸，有利于平面微波谐振传感器的集成，减小了传感器的电尺寸。
19.3、本发明中slsp谐振器可结合微流控系统，用于液体材料介电常数的检测时，可以在很大程度上减少待测液体用量。
附图说明
20.图1是优选实施例基于人工局域表面等离激元的高灵敏度微波微流传感器的三维结构示意图；
21.图2是优选实施例基于人工局域表面等离激元的高灵敏度微波微流传感器的顶层结构示意图；
22.图3是优选实施例基于人工局域表面等离激元的高灵敏度微波微流传感器的中间层结构示意图；
23.图4是优选实施例基于人工局域表面等离激元的高灵敏度微波微流传感器的slsp单元示意图；
24.图5是优选实施例基于人工局域表面等离激元的高灵敏度微波微流传感器的色散曲线示意图；
25.图6是优选实施例基于人工局域表面等离激元的高灵敏度微波微流传感器的slsp传感器全模s参数示意图；
26.图7是优选实施例基于人工局域表面等离激元的高灵敏度微波微流传感器的slsp传感器全模电场分布示意图；
27.图8是优选实施例基于人工局域表面等离激元的高灵敏度微波微流传感器的slsp传感器四分之一模s参数示意图；
28.图9是优选实施例基于人工局域表面等离激元的高灵敏度微波微流传感器的slsp传感器四分之一模电场分布示意图；
29.图10是优选实施例基于人工局域表面等离激元的高灵敏度微波微流传感器的pdms微流控通道三维示意图；
30.图11是优选实施例基于人工局域表面等离激元的高灵敏度微波微流传感器的pdms微流控通道二维平面示意图；
31.图12是优选实施例基于人工局域表面等离激元的高灵敏度微波微流传感器的s参数与不同的待测液体介电常数仿真结果示意图；
32.图13是优选实施例基于人工局域表面等离激元的高灵敏度微波微流传感器的三种slsp结构的谐振频率与不同待测液体介电常数的关系示意图；
33.图14是优选实施例基于人工局域表面等离激元的高灵敏度微波微流传感器的三种slsp结构示意图。
34.附图标记，1、微带线；2、第一交指；3、第二交指；4、金属圆盘；5、金属地；6、第一介质基板；7、第二介质基板；8、方形孔。
具体实施方式
35.以下结合附图对本发明优选实施例作详细说明。
36.如图1所示，优选实施例一种基于人工局域表面等离激元的高灵敏度微波微流传感器，包括介质层和金属层，介质层包括第一介质基板6、第二介质基板7，金属层包括顶层、中间层、底层，顶层为slsp谐振器，中间层为微带线1，底层为金属地5；顶层位于第一介质基板6的上表面，中间层位于第一介质基板6和第二介质基板7之间，底层位于第二介质基板7的下表面。
37.第一介质基板6与第二介质基板7的介电常数为2.2、损耗角正切为0.0009、厚度为0.508mm。第一介质基板6与第二介质基板7为尺寸相同的方形结构，边缘对齐层叠设置。
38.第一介质基板6上与微带线1对应的位置刻蚀有方形孔8，微带线1通过方形孔8连接sma连接头；两条微带线1之间呈90
°
分布。微带线1包括输入端口、输出端口、金属圆盘4，金属圆盘4设置于微带线1末端。输入端口与输出端口宽度为1.25mm、长度为11mm，金属圆盘4半径为2mm。
39.slsp谐振器为含交指的四分之一结构，交指上方设有pdms，pdms内部含微流控通道。交指包括第一交指2、第二交指3。第一交指2的数量为六，第二交指3的数量为二；第一交指2为旋转角度为13
°
、宽度为0.4mm的圆环；第二交指3的长度为0.4mm、宽度为0.25mm。
40.如图2、图3所示，顶层为slsp谐振器，中间层为两条50欧姆阻抗匹配的微带线1，底层为金属地5；两条微带线1之间呈90
°
分布。
41.如图10所示，slsp谐振器为含交指的四分之一结构，交指上方设有pdms，pdms内部含微流控通道。
42.工作原理：
43.如图1、图3所示，本发明优选实施例基于人工局域表面等离激元的高灵敏度微波
微流传感器，为双端口器件，包括介质层和金属层，介质层包括第一介质基板6、第二介质基板7，金属层包括顶层、中间层、底层，顺序依次为顶层slsp谐振器、第一介质基板6、中间层微带线、第二介质基板7、底层金属地5。第一介质基板和第二介质基板为尺寸相同的方形结构，边缘对齐层叠设置，均采用罗杰斯5880系列的介质基板，介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，厚度为0.508mm。顶层为含第一交指、第二交指的四分之一模slsp谐振器，第一交指的数量为6，第二交指的数量为2。第一交指、第二交指上方置有pdms，内部设有微流控通道。通过交指进一步束缚电场最强的区域，增强电场与待测液体的相互作用，从而提升灵敏度。中间层为两条50欧姆阻抗匹配的微带线，包括输入端口和输出端口，两条微带线呈90度分布。微带线末端为金属圆盘，可减小微带线末端的反射波，增加电磁能量的宽带耦合，微带线的输入输出端宽度为1.25mm，长度为11mm，金属圆盘的半径为2mm，微带线与所述sma连接头之间焊接连接，sma连接头用于连接矢量网络分析仪。
44.优选实施例设计在三维电磁仿真软件ansys hfss环境进行，相关尺寸如表1所示。
45.表1-基于人工局域表面等离激元的高灵敏度微波微流传感器的相关尺寸表
[0046][0047]
如图4、图5所示，对优选实施例的场约束性能进行测试。采用商业软件cst微波工作室的本征模求解器对传统结构和相同尺寸下设计的含交指的slsp谐振器进行了数值本征模模拟，得到本发明的色散曲线。由上至下分别表示光线、传统的slsp谐振器和所提出slsp谐振器的波矢量，其中β0表示自由空间的波矢量，传统的slsp谐振器和所提出的slsp谐振器结构的波矢量分别由β
x
和βy表示。很明显，在较低的频率下，三者的波矢量几乎重合，随着频率的升高，后两条曲线逐渐远离光线。尤其是接近截止频率的时候，β
x
和βy要远大于β0，说明本优选实施例与传统的sisp谐振器都具备慢波特性。因此，在传统的slsp谐振器上增加交指，可以降低lsp波(激光冲击强化波)的渐进频率，提高场限制能力，有助于实现较低的辐射损耗和互耦特性。同时，在相同的频率下，βy比β
x
更大。也就是说，所提出的交指slsp谐振器比传统的slsp谐振器具有更强的亚波长限制和慢波效应。将波矢量βy和相速度以及群速度通过v
p
＝ω/β
p
和vg＝ω
·
dω/dβy相联系，了解到随着βy的增加相速度和群速度逐渐减小，电磁波的速度减慢，使得电场高度局域化，对周围环境变化更敏感，进一步证实了交指结构提供了更多场与溶液的相互作用，可提高本优选实施例的灵敏度。
[0048]
为进一步缩小传感器体积，对全模和四分之一模slsp传感器进行了全波电磁模拟。在xoy平面上绘制了全模两个谐振点m1和m2的模拟二维电场分布，如图6、图7所示。分别对应偶极模式和四极模式。如图8、图9所示，从四分之一模结构谐振点m1′
的电场分布图中可以看出，该模式是全模slsp传感器四极模式的四分之一，这些模式都是高度局域化的。
[0049]
如图10、11所示，微流控通道由聚二甲基硅氧烷(pdms)材料组成。pdms被设计成和等离子体谐振器一样的环形去贴合slsp传感器。当微流控通道流入不同介电常数的待测液体时，谐振频点会发生位移。通过频点的相对偏移量，可表征传感器的灵敏度。pdms厚度为5mm,通道的宽度和厚度分别为0.7mm和0.5mm。微流控通道详细的参数设计如下：r＝55μm，
r1＝25μm，r2＝45μm，d＝3.5μm，和
[0050]
如图12所示，待测液体的介电常数从1增加到80，优选实施例传感器的谐振频率由3.18ghz降低到了2.31ghz，频率偏移量为870mhz，相对灵敏度为0.34％，本发明优选实施例相比于现有的slsp传感器灵敏度显著提升。
[0051]
如图13、图14所示，传统的slsp传感器灵敏度只有0.07％。添加了第一交指后，灵敏度就提高了一倍多，达到0.21％。因为增加交指使局部电场增强，强电场更集中，因而对液体介电常数的变化更为灵敏。然后，在不增加尺寸的情况下，为了获得更高的灵敏度，在交指内部添加了第二交指，灵敏度达到了0.34％。通过图6-图9的电场分布图也可以看出，电场被紧紧束缚在交指区域。在slsp谐振器上方放置pdms，使微流控通道正对交指，从而保证待测液体流经电场最强的区域，以达到提高灵敏度的目的。
[0052]
本优选实施例与现有的slsp谐振式传感器相比，显著的提高了传感器对不同液体介电常数进行表征时的灵敏度，减少了传感器的电尺寸，并采用交指结构充分利用电场最强的区域增强灵敏度的同时减少液体用量。
[0053]
上述的实施方式仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施方式做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。