人工平面超材料的电磁特性及其传感应用研究

摘要

随着“中国制造2025”战略的推进和物联网应用的发展，传感技术得到了亘古未有的重视，更迎来了千载难逢的发展机遇。基于微纳加工工艺的新型生物、气体和光学等智能传感是当前传感技术研究的重点。超材料是一类具备自然界中天然材料所不具有的超常物理性能的人工复合材料，基于超材料的传感技术具备小型化、灵敏度高、结构简单和灵活度高等优势，在生物、气体和光学领域展现出广阔的应用前景，符合当前传感技术的发展趋势。　　论文面对“中国制造2025”和物联网对新型生物、气体和光学等智能传感的需求，从微波、太赫兹和红外光学三个波段入手，开展了超材料传感技术在生物、气体和光学领域中的应用研究。论文从描述电磁场的麦克斯韦方程组出发，阐述了超材料在电磁场中的理论基础，建立了集总元件等效电路模型和时域耦合模模型；设计、仿真和加工制备了用于生物传感的超材料试纸、双层互补式太赫兹生物传感器和用于气体传感的红外超材料多气体复合传感器；表征了所研制的超材料传感器的微观形貌；搭建了超材料传感器的测试平台；完成了超材料传感器在生物和气体传感上的性能测试；系统地分析了超材料传感器的测试结果和影响因素；讨论了超材料传感器对比其他类型传感器的传感优势。　　本论文的主要工作和研究结果如下：　　①从描述电磁场的麦克斯韦方程组出发，阐述了超材料在电磁场中的理论基础，讨论了超材料传感应用所涉及的电磁谐振特性，研究了电磁激励方式对超材料谐振特性的影响，建立了集总元件等效电路模型和时域耦合模模型。结果表明，集总元件等效电路模型适合于微波和太赫兹波段的超材料传感器的分析，时域耦合模模型适合于红外光学波段的超材料传感器的分析。　　②研究了超材料在微波领域的传感应用，采用荫罩式掩膜沉积技术和喷蜡打印技术制备了超材料试纸。超材料试纸利用谐振器感应免疫层析组件所捕获的目标分子可以实现目标分子的检测。结果表明，超材料试纸的检测极限和灵敏度分别达到了0.784ng/mL和10.214MHz(ng/mL)，其中，检测极限比用裸眼判断的胶体金试纸高63倍（50ng/mL），其稳定性比用荧光素标记物的荧光试纸的稳定性高18倍。此外，超材料试纸避免了光学方法中自吸收、镜面反射和长期信号猝灭等干扰。　　③研究了超材料在太赫兹领域的传感应用，采用光刻和电子束蒸镀工艺制备了双层互补式太赫兹生物传感器。传感器利用双层互补式超材料结构激发增强场可以高灵敏地感应场中分析物。结果表明，双层互补式结构可以提升传感器的灵敏度，互补式传感器的灵敏度比凸形传感器和凹形传感器的灵敏度分别高7到18倍。此外，传感器表现出很强的偏振不敏感性，并在±50°以上的宽入射角范围内可以保持高谐振状态。此外，互补式太赫兹生物传感器具备监测链霉亲和素和生物素结合的状态能力，检测生物素的灵敏度达到153GHz/μM。　　④研究了超材料在红外光学领域的传感应用，利用步进扫描光刻技术和离子束刻蚀技术加工制备出红外超材料多气体复合传感器。红外超材料多气体复合传感器利用表面增强红外吸收效应和金属有机框架功能材料可以实现更高性能的气体检测能力。结果表明，红外超材料多气体复合传感器可同时对CO2和CH4进行片上传感，其响应时间短（＜1分钟）、精度高（最大误差：CO2：1.1%，CH4：0.4%）、探测极限高（CO2：80ppm，CH4：230ppm）和在宽浓度范围（0ppm至2.5×104ppm）中具有出色的线性。所介绍的方法十分灵活，可以通过设计更多的谐振和开发合适的金属有机框架来扩展传感器的检测气体的数量。

目录

1 绪 论

1.1 课题研究背景

1.2.1 超材料的发展历史概述

1.2.2 微波超材料传感应用的研究现状

1.2.3 太赫兹超材料传感应用的研究现状

1.2.4 红外超材料传感应用的研究现状

1.3.1 本论文选题依据

1.3.2 本论文主要研究内容

2 平面超材料的传感理论与建模仿真

2.1 引言

2.2.1 超材料的理论基础

2.2.2 微波与太赫兹领域中超材料的电磁谐振特性

2.2.3 红外光学领域中超材料的表面增强红外吸收效应

2.3 超材料传感应用中的理论模型

2.3.1 集总元件等效电路模型

2.3.2 时域耦合模模型

2.3 超材料仿真分析中的数值计算方法

2.3.1 有限元算法（FEM）

2.3.2 时域有限差分法（FDTD）

2.4 本章小结

3 微波领域中超材料试纸的传感研究

3.1 引言

3.2 超材料试纸的工作机理

3.3.1 实验材料与仪器

3.3.2 超材料试纸的加工制备流程

3.3.3 超材料试纸亲水通道的加工及表征

3.3.4 超材料谐振器的加工及表征

3.3.5 测流免疫层析组件的加工

3.4 超材料试纸的传感性能

3.4.1 超材料试纸的测试平台

3.4.2 超材料试纸的一致性测试

3.4.3 超材料试纸的定量检测原理验证

3.4.4 超材料试纸用于金葡菌的定量检测

3.4.5 超材料试纸的检测优势分析

3.5 本章小结

4 太赫兹领域中超材料生物传感器的研究

4.1 引言

4.2.1 传感器的工作机理

4.2.2 传感器的高灵敏度分析

4.2.3 传感器的 Q值分析

4.2.4 传感器的偏振与入射特性分析

4.3.1 实验材料与仪器

4.3.2 传感器的加工与表征

4.4.1 传感器的测试平台

4.4.2 传感器的一致性测试

4.4.3 传感器用于生物素与链霉亲和素的检测

4.5 本章小结

5 红外光学领域中超材料气体传感器的研究

5.1 引言

5.2.1 多气体传感器的工作机理

5.2.2 多气体传感器的谐振可调性

5.2.3 多气体传感器的理论模型

5.2.4 多气体传感器增强效应的实验验证

5.3.1 实验材料与仪器

5.3.2 多气体传感器的加工制备

5.3.3 多气体传感器的表征分析

5.3.4 多气体传感器的吸附膜厚度确定

5.4.1 多气体传感器的测试平台

5.4.2 多气体传感器的稳态传感性能

5.4.3 多气体传感器的动态传感性能

5.4.4 多气体传感器的传感优势分析

5.5 本章小结

6 总结与展望

6.1 论文的主要研究内容与结论

6.2 论文的创新点

6.3 论文的不足与后续工作展望

参考文献

附录

A. 攻读博士学位期间发表的相关论文

B. 作者在攻读学位期间申请及授权 的专利

C. 作者在攻读学位期间参与的相关课题

D. 学位论文数据集

致谢