一种人工局域表面等离激元有源振荡传感器

本发明属于传感器领域，具体涉及一种以人工局域表面等离激元谐振器作为滤波网络的有源振荡器，其振荡频率随传感信号变化。

背景技术：

1、传感器是一种对环境中特定参数产生响应，并将该参数的变化信息转换为电信号，以进行后续信息传输处理的器件、模块或系统。传感器技术，和计算机技术、通信技术一起并称为信息技术的三大支柱。

2、微波频段的谐振式传感器，其发展可追溯到1959年发明的石英晶体微天平(quartz crystal microbalance)，其可理解为一种有源的谐振式传感器。随着微波印刷电路和微波集成电路的发展，更多灵活的无源谐振结构如微带环、射频识别天线等被用于传感。超材料的概念和设计方法为谐振结构带来更加丰富和灵活的选择，如开口环、左右手传输线等。得益于和平面印刷电路及半导体集成电路的兼容性，微波谐振式传感器具有优越的集成度、普遍的环境适应性及对噪声和震动的高鲁棒性；并且与信号检测电路及通信电路有着天然的兼容性，因此在万物互联网络(internet of things)传感器领域具有巨大的技术优势和发展潜力。

3、近年来基于人工局域表面等离激元(spoof localized surface plasmons,slsp)的微波谐振式传感器受到广泛的关注和快速发展。人工局域表面等离激元，通过亚波长的人工电磁微结构实现等效负介电常数，从而在微波频段重现光频局域表面等离激元的模式特性，实现深亚波长场束缚性和高局域灵敏度。基于人工局域表面等离激元的传感器，已经在气体传感、生化传感(如葡萄糖溶液浓度、酒精溶液浓度)等领域得到了应用验证；并且已经实现超小型化的无线物联传感系统。

4、然而，现有的人工局域表面等离激元传感器，都是基于无源的谐振结构。虽有一些报道是在人工局域表面等离激元的谐振结构内部加载放大器，但该放大器只起到补偿无源谐振器损耗的作用，可以提高无源谐振器的品质因子；但谐振器作为传感器的检测信号，仍然需要外加微波源。这种谐振式传感器的检测方式很大程度上限制了其应用，尤其是向集成化物联传感器的发展。本发明提出的人工局域表面等离激元有源振荡传感器，可以将无源的谐振传感信号转化为有源振荡信号频率，简化了其信号检测复杂度。另一方面，基于人工局域表面等离激元谐振器的高品质因子，有源振荡信号的相噪得到大幅提升，也改善了传感信号检测精度。相比于其他基于有源振荡的微波谐振传感技术，人工局域表面等离激元展现了优异的传感灵敏度。因此，本发明将为微波谐振传感提供全新的技术路径，推动下一代集成化小型化物联传感的技术革新。

技术实现思路

1、发明目的：本发明旨在提供一种人工局域表面等离激元有源振荡传感器。

2、技术方案：本发明采用如下技术方案：

3、一种人工局域表面等离激元有源振荡传感器，包括人工局域表面等离激元谐振器、微波放大器、耦合器；

4、所述的人工局域表面等离激元谐振器和微波放大器、耦合器形成一个闭合的环路；

5、所述的人工局域表面等离激元谐振器，由围绕圆周的多个放射状金属臂组成。

6、所述的放射状金属臂可以为放射状的直线或螺旋线。

7、所述的放射状金属臂可以从中心小圆盘向外发散，也可以从外圈圆环向中心汇聚。

8、所述的传感器电路形式可以为微带电路、共面波导电路、和介质集成波导电路。

9、所述的传感器电路的介质基板为fr4，f4b，rogers公司生产的ro4003、3003、4350、rt5880、5870、6002、6006、6010、6035、6202，nelco公司生产的n4000-13、n4000-13epsi的印刷电路或微波电路的介质基板，或为si、sio2、al2o3、gaas、gan的半导体或介质材料，或为柔性有机介质材料。

10、传感信号来自于人工局域表面等离激元谐振器表面或者近场范围内的介电常数变化，可以来自气体浓度、溶液浓度、谐振器表面的化学反应、温度变化、应力变化等。

11、有益效果：与现有技术相比，本发明公开的人工局域表面等离激元有源振荡传感器，其原理创新在于：(1)通过人工局域表面等离激元谐振器，实现更深亚波长电尺寸、更高品质因子和更高灵敏度；(2)通过人工局域表面等离激元与放大器的结合，形成有源振荡传感器，可以主动发射微波信号进行传感信号的测量，而不必依赖于矢量网络分析仪等带有激励源的大型设备。(3)基于人工局域表面等离激元的高品质因子，其有源振荡信号的相噪得到大幅改善，从而提升信号检测精度。

技术特征：

1.一种人工局域表面等离激元有源振荡传感器，其特征在于：包括人工局域表面等离激元谐振器、微波放大器、耦合器。

2.根据权利要求1所述的一种人工局域表面等离激元有源振荡传感器，其特征在于：所述的人工局域表面等离激元谐振器和微波放大器、耦合器形成一个闭合的环路。

3.根据权利要求1所述的一种人工局域表面等离激元有源振荡传感器，其特征在于：所述的人工局域表面等离激元谐振器，由围绕圆周的多个放射状金属臂组成。

4.根据权利要求3所述的一种人工局域表面等离激元有源振荡传感器，其特征在于：所述的放射状金属臂为放射状的直线或螺旋线。

5.根据权利要求3所述的一种人工局域表面等离激元有源振荡传感器，其特征在于：所述的放射状金属臂从中心小圆盘向外发散，或从外圈圆环向中心汇聚。

6.根据权利要求1所述的一种人工局域表面等离激元有源振荡传感器，其特征在于，传感器的电路形式为微带电路、共面波导电路、和介质集成波导电路。

7.根据权利要求1所述的一种人工局域表面等离激元有源振荡传感器，其特征在于，传感器电路的介质基板为fr4，f4b，rogers公司生产的ro4003、3003、4350、rt5880、5870、6002、6006、6010、6035、6202，nelco公司生产的n4000-13、n4000-13epsi的印刷电路或微波电路的介质基板，或为si、sio2、al2o3、gaas、gan的半导体或介质材料，或为柔性有机介质材料。

8.根据权利要求1所述的一种人工局域表面等离激元有源振荡传感器，其特征在于，传感信号来自于人工局域表面等离激元谐振器表面或者近场范围内的介电常数变化，来自气体浓度、溶液浓度、谐振器表面的化学反应、温度变化或应力变化。

技术总结
本发明公开了一种人工局域表面等离激元有源振荡传感器，包括人工局域表面等离激元谐振器、微波放大器、耦合器，以及辅助的电容电阻匹配电路。人工局域表面等离激元谐振器作为有源振荡器的滤波网络，和微波放大器形成环路，从而将无源人工局域表面等离激元谐振器的谐振频率转化为有源振荡信号的频率，并从耦合器输出。本发明的有源振荡传感器基于人工局域表面等离激元的高品质因数高灵敏度的谐振，实现对其表面介电环境的高精度传感；并且实现传感信号的有源输出。

技术研发人员：张璇如,崔铁军,刘宇
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13