一种基于耦合型人工局域表面等离激元的柔性传感器

摘要

本发明提供一种基于耦合型人工局域表面等离激元的柔性传感器，该柔性传感器包括两个同心金属圆环，即位于中心的大金属圆环(2)和小金属圆环(4)；在大金属圆环与小金属圆环之间设有两种相间隔分布的金属光栅；在大金属圆环的左右两侧对称分布有金属圆弧(5)，在两个金属圆弧(5)外侧为由微带线(7)、周期性开槽(8)组成的人工表面等离激元传输线(12)；人工表面等离激元传输线与外界激励源连接的部分设有过渡段；介质基板(11)下部为待测样品层。该传感器通过测量谐振频率的偏移量实现对待测量的物理量的变化进行探测，具由高灵敏度，高品质因数，样品更换灵活，可广泛应用在柔性探测和生物传感、可穿戴器件、无损探测等领域。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于耦合型人工局域表面等离激元的谐振传感器，属于微波工程领域。

背景技术

微波谐振式传感器是通过把待测的物理量转换为谐振频率从而实现测量的一种传感器，其具有体积小，重量轻，能耗小和可靠性佳等优点，在保证一定精确度的同时具有成本低的特点，现已广泛应用于生物医学、环境污染监测、无损探测等领域。

局域表面等离激元是电磁波与金属表面自由电子相互作用形成的电子疏密波。在金属的等离频率范围内，由于入射电磁波使得金属内传导电子震荡，从而实现了电场的亚波长的局域化，但由于这一现象要求入射频率较高，因此在毫米波频段内无法实现这一现象。

人工局域表面等离激元，指的是一种通过人工放置周期性的波纹结构以增加电磁场和金属的接触面积，实现类似于局域表面等离激元的物理现象，人工局域表面等离激元的色散关系与局域表面等离激元类似，且可以把这一电场局域化的现象往更低的频段延伸，具有大的工程意义。

由于人工局域表面等离激元可以电场出现亚波长的局域化，从而提高电场于与样品的相互作用，因而基于此原理设计传感器有更高的灵敏度。而耦合型人工局域表面等离激元比非耦合型的人工局域表面等离激元具有更高的品质因数。由于采用耦合型人工局域表面等离激元制作的谐振传感器具有相比于传统的微带谐振环制作的谐振传感器具有小体积，高品质因数，对外界环境变化灵敏等优点。

人工局域表面等离激元的可以使用微带线或者人工表面等离激元传输线进行激发，现有的基于人工局域表面等离激元的谐振传感器大多采用微带线进行激发，这就不可避免的需要使用大面积的金属板作为地，考虑阻抗匹配，微带线和地之间的距离相对固定，又由于其电场分布主要集中在人工表面等离激元和金属地之间，因而对其可探测的样品种类和尺寸都有较为固定，同时，由于金属板的存在，限制了其作在柔性传感器领域的运用。因此，设计一种不依赖于金属地的人工局域表面等离激元具有重要意义。此外，由于微带线激励的人工局域表面等离激元所需要的基板相对较厚，为了适应更多工程环境下的探测要求，提高电场与待测样品的相互作用，研究一种具有超薄结构的人工局域表面等离激元也是十分必要的。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于提供一种具有高品质因数和灵敏度的基于耦合型人工局域表面等离激元的柔性传感器，该柔性传感器采用了微波段人工局域表面等离激元结构，通过将电磁波束缚在表面等离激元结构附近，提高了传感器谐振是的品质因数和传感器的灵敏度。同时采用柔性材料作为基板实现了使其可以作为柔性传感器，采用人工表面等离激元传输线实现了对人工局域表面等离激元结构的高效激励。

技术方案：本发明的一种基于人工表面等离激元的柔性传感器通过以下技术方案实现。

该柔性传感器包括两个同心金属圆环，即位于中心的大金属圆环和位于大金属圆环中心的小金属圆环；在大金属圆环与小金属圆环之间设有两种相间隔分布的金属光栅，即与大金属圆环内侧的第二金属光栅和小金属圆环外侧的第一金属光栅；在大金属圆环的左右两侧对称分布有金属圆弧，在两个金属圆弧外侧为由微带线、周期性开槽组成的人工表面等离激元传输线；人工表面等离激元传输线与外界激励源连接的部分设有过渡段；大金属圆环、小金属圆环、第一金属光栅，第二金属光栅、金属圆弧、金属槽线、和微带线设置在柔性介质板上部，介质基板下部为待测样品层。

所述第二金属光栅的外端与大金属圆环的内侧相接，沿大金属圆环圆周周期性排列；第一金属光栅内端向圆心方向延伸，与小金属圆环之间留出一个间隙。

所述第一金属光栅的内端与小金属圆环相连沿小金属圆环圆周向周期排列，第一金属光栅的外端沿半径方向向外方向延伸，与大金属圆环之间留出一个间隙。

所述金属圆弧外侧与人工表面等离激元传输线之间设有阻抗匹配枝节，两侧的人工表面等离激元传输线设置在大金属圆环和小金属圆环的一条直径方向上。

所述人工表面等离激元传输线与外界激励源连接的部分设有过渡段，该过渡段由金属槽线和五级开槽匹配段组成，金属槽线位于五级开槽匹配段外的两侧。

所述的介质基板为柔性材料，能进行旋转和弯折，用于微小形变量的探测，当传感器发生弯折时，传感器的谐振峰值频率会发生偏移，从而根据测量的谐振频率反演计算出形变。

所述的柔性传感器用于环境介电常数的探测，当传感器周围的介质介电常数发生变化时，传感器的谐振峰值频率会发生偏移，从而根据测量的谐振频率反演计算出介电常数。

所述柔性传感器介质基板下部为待测样品层，用于放置测试样品，由于样品引发的介电常数变化使得传感器的谐振峰值发生偏移，从而计算出所述谐振器对于待测样品改变的灵敏度S(f)以及灵敏值FoM；其中

有益效果：本发明的一种基于耦合型人工局域表面等离激元的柔性传感器的有益效果为：

1、本发明的寸很小。本发明通过使用微波段耦合形局域人工表面等离激元,压缩了表面电流的路径长度并使得表面电流路径长度远小于局域人工表面等离激元的大小。本发明中传感器的尺寸可以小于工作波长，其传感器尺寸可达到波长的五分之一以下。

2、本发明采用耦合型局域人工表面等离激元结构作为谐振器结构，增强了对电磁场的束缚能力，提高了传感器的灵敏度。

3、本发明通过采用柔性基板，对不同形状的样品实现了较好的贴合，增加了使用的灵活度，拓展了应用范围。

4、本发明通过人工表面等离激元传输线激励人工局域表面等离激元，比使用微带线激励的效率更高

5、本发明具有高品质因数。本发明的偶极子、四极子、六极子和八极子的品质因数分别为87.26、71.56、87.37和116.13。

6、本发明具有高灵敏度。谐振器周围介电常数变化时，本发明的偶极子、四极子和六极子的传感灵敏值FoM分别为20.4RIU

7、本发明易于加工，成本低廉，且可以适用于多种场合，并可以在这一结构基础上等比例缩放实现不同频率段下的传感功能。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的散射参数S

图3是本发明在的近场电场测量结果示意图；

图4是本发明在实施例1中作为传感器的层状结构侧视图；

图5是本发明在实施例1中作为传感器的散射参数S

图中有：第一金属光栅1、大金属圆环2、第二金属光栅3、小金属圆环4、金属圆弧5、阻抗匹配枝节6，微带线7、周期性开槽8、金属槽线9、五级开槽匹配段10、介质基板11、人工表面等离激元传输线12、待测样品层13、介质层14、金属层15。Yuanzhoou

具体实施方式

该传感器由柔性基板，微波段的耦合型人工表面局域等离激元，人工表面等离激元传输线，以及用于激励耦合型人工表面局域等离激元的圆弧结构组成。在传感器中心为一大一小两个同心金属圆环，在大金属圆环和小金属圆环分别与等间距设置金属光栅相连。在金属圆环两侧设置由用于激励耦合型人工表面局域等离激元的金属圆弧，同时两对称金属圆弧和有周期性开槽结构的人工表面等离激元传输线相连接，在传感器两侧是对称的匹配段，用于和SMA接口匹配。所有金属部件下方为柔性介质基板，用于与待测样本贴合。

外侧大金属圆环与周期性的金属光栅相连，光栅指向圆心，且光栅末端与内部小金属圆环之间由一个圆环形区域作为间隙；内侧的金属圆环和周期性金属光栅相连，金属光栅沿径向向外，与外侧金属圆环之间存在圆环形间隙，内外的圆环间隙宽度相等。

外侧的大金属圆环两侧在同一条直径上设有对称的两个金属圆弧，金属圆弧圆心与大金属圆环和小金属圆环圆心相同。金属圆弧与人工表面等离激元传输线相连，人工表面等离激元传输线长度方向沿大金属圆环和小金属圆环方向设置。在传感器两侧有与设有用于与SMA接口匹配的过渡段，其中周期性开槽结构通过5级开槽和指数金属槽线进行匹配，匹配金属槽线满足方程y＝C

谐振时的品质因数内外环半径之差调控，当增大内外环半径差变大时品质因数值增大。谐振频率受传感器内外圆环尺寸，随着传感器内外圆环尺寸减少，谐振频率增加。

谐振品质因数受与金属光栅与其不相连的圆环形间隙的宽度，以及圆环内部等间距分布的金属光栅的数量调控，在保证圆环形间隙大于0时，与当圆环形间隙的宽度减小，金属光栅数量增加时，谐振时品质因数增大。

所述传感器周围的环境的介电常数变化时，可以令谐振模式的频点发生偏移，通过测量频点频率偏移量Δf，折射率变化Δn，折射率可以表示为

待测样品放置在柔性介质基板下方，通过测量谐振频率的偏移量来测量待测样品的介电常数变化。

实施例：实施例为本发明的一种基于人工表面等离激元的柔性传感器用于检测基板下方的样品的介电常数的变化。

如图1和图4所示，基于人工表面等离激元的柔性传感器用于检测介质板下方待测样品介电常数变化的传感器应用，在上方的金属层15上包括两个同心金属圆环即大金属圆环2、小金属圆环4、两种间隔分布的金属光栅即与外侧圆环相连接的第一金属光栅1、与内侧圆环相连接的第二金属光栅3、对称分布在金属圆环两端的金属圆弧5、阻抗匹配枝节6，由微带线7、周期性开槽8组成的人工表面等离激元传输线12，用于与SMA接口相间接的过度段金属槽线9、五级开槽匹配段10；中部为介质层14；下方为待测样品层13。

本发明中的耦合型局域人工表面等离激元由一对同心的大金属圆环2、小金属圆环4和分别与两个金属圆环相连接的周期性第一金属光栅1第二金属光栅3组成。金属圆环的半径、金属光栅末端距离金属圆环的距离可调，并可以通过改变这些参数实现不同的谐振频率和品质因数。在保证金属光栅末端和金属环不相连接的情况下，通过减少金属光栅末端与金属圆环的距离，可以增加品质因数。

用于激励谐振圆环的人工表面等离激元传输线12采用周期性开槽结构，如图中7，8所示。周期为3mm。槽深为2mm，槽宽为1mm。在具体实施过程中。可以根据工作波长改变开槽结构的尺寸。

该传感器通过一个金属槽线9、五级开槽匹配段10组成的过渡段实现微波激励谐振圆环的人工表面等离激元的传输线与外界激励接口的匹配。其中周期性开槽结构通过五级开槽和指数金属槽线实现匹配，匹配金属槽线满足方程y＝C

如图2所示，在人工表面等离激元传输线处施加激励源之后，仿真散射参数S

如图3所示，在图2所示各谐振模式处能观察到清晰的低阶谐振和高阶谐振模式，其中谐振模式均为杂化谐振模式，大金属圆环2和第一金属光栅1组成的外部人工表面等离激元模式和小金属圆环4和第二金属光栅3组成的内部人工表面等离激元模式呈现模式相同、相位相反的杂化谐振模式，体现了人工表面等离激元的耦合特性。

如图4通过改变不同的样品，样品的介电常数ε

根据改变不同介电常数的可以令谐振模式的频点发生偏移，从而计算出所述传感器对于待测样品改变的灵敏度S(f)以及灵敏值FoM；其中

如图5所示，待测样品介电常数变化时，谐振模式不变，谐振频点移动。选取谐振模式稳定、谐振强度高、对环境变化灵敏度高的M1，M2，M3谐振模式作为传感谐振峰。其中M1的谐振范围为1.02GHz～1.22GHz之间，谐振强度为-0.09dB～--0.18dB之间，M2的谐振范围为1.8GHz～2.2GHz之间,谐振强度为-0.1dB～--0.2dB之间，M3的谐振范围为2.2GHz～2.7GHz之间,谐振强度为-0.15dB～-0.3dB之间。品质因数分别为85、104和154左右。

当待测样品的介电常数变化时，不同介电常数时的S

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。