基于超构材料的高灵敏度微波传感器

发布时间：2020-04-26 14:59

【摘要】：高灵敏度微波集成传感器的研究具有重要经济和社会意义,基于超构材料能够实现灵敏度更高、尺寸更小巧的平面集成微波器件。本论文围绕超构材料高灵敏度平面集成微波微流体传感器展开研究,主要研究内容及成果概括如下:第一,提出了一种结合1/4模基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide,SIW)和互补开口谐振环(Complement Split-Ring Resonator,CSRR)结构的无源微流体微波传感器,在提升器件品质因数(Quality factor,Q)的同时将其电尺寸减少1/3,实现了小尺寸高灵敏度的微流体微波传感器设计。第二,设计了一种基于开缝刻槽金属环的有源放大谐振器,通过引入低噪放芯片(Low Noise Amplifier,LNA)补偿结构损耗极大提升了其品质因数,首次实现了人工表面等离激元(Localized Surface Plasmons,LSP)放大并阐述了其工作机理。第三,提出了一种基于有源人工LSP的微波传感器,通过在45°开缝处引入LNA芯片补偿结构本身以及高损耗待测溶液带来的损耗,其品质因数提升了近2000倍,实验验证了其高灵敏度。第四,设计了一种基于耦合臂放大人工LSP的微流体葡萄糖溶液传感器,通过在刻槽环附近引入加载放大芯片的耦合臂,在不改变其谐振模式的情况下,实现了极高灵敏度和分辨率的葡萄糖溶液传感器。第五,设计了一套基于有源人工LSP传感器的葡萄糖溶液浓度检测系统,实现了从射频源到检波分析的一体化系统原型。
【图文】：

微波传感器,微波谐振腔,平面电路,相消

表示传感器最小相对介电常数变化时的频率偏移量（大多数情况下，高分辨率意味着高灵敏度）。图1.1 中我们总结了不同微波传感器的品质因数与其对应的测量灵敏度，主要包括以下三种：（1）微波谐振腔[15-17]，（2）基于相消原理（Destructive Interference, DI）的平面电路微波传感器[18-22]，（3）平面集成的谐振式微波传感器[23-26]。为了便于比较，我们将文中给出的能够准确测量的最小溶液浓度变化统一转换为此时对应的最小相对介电常数变化 Δr（Δr越小说明其灵敏度越高）。图 1.1 近年来不同微波传感器的品质因数（Q）与其对应的测量灵敏度观察图一可以看到检测效果比较好的是微波谐振腔和基于相消原理的平面电路，他们的 Q 值一般在 102~103量级，最好的基于相消原理的平面电路传感器可以达到 105量级[22]，拥有相对较高的分辨率。然而微波谐振腔体积大而且重，，不利于

生物传感器,微带线,材料

图 1.2 微带线激励 SRR 的超构材料生物传感器[36]；（a）加工样品及细节；（b）不同生物分子对应谐振频率变化2010 年贺训军教授等人提出一种 SRR 开口尖端化的新型微波传感器[38]，如图1.3（b）中插图所示。相比普通 SRR，SRR 开口处做尖端处理可以大大提升传感器的谐振强度和灵敏度，作者通过多组不同实验样品比较两者传感差异，实验证明了尖端开口 SRR 具有高灵敏度的优良特性，如图 1.3（b）所示。随后，W. W 等人也
【学位授予单位】：上海大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB34;TP212

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