基于电磁超结构的温度感知技术研究
发布时间：2021-09-19 07:01
电磁超结构是一类人工合成的具有奇异电磁特性的结构型材料,其具有区别于自然界材料的反常介电常数?和磁导率?特性。电磁超结构产生奇异电磁响应的强弱与结构的材料组成、结构形状与参数、电磁环境等因素密不可分,具有按需设计的优势。此外,汞作为唯一一种常温、常压下以液体形式存在的单质金属,具有优秀的导电性、导热性、热膨胀性等特性。本论文利用汞具有的多种优异特性,研究汞与高Q值电磁超结构的有效融合,实现基于汞基高Q值电磁超结构的温度感知技术一体化设计,以达到提升温度感知灵敏度、分辨率的目的;并通过电路设计实现信号发生、自动检测等功能,完成高灵敏度、高分辨率汞基温度感知传感器模块化设计。本文的主要贡献和创新点归纳如下:1根据等效电路分析方法,推导出了一种宽边耦合型汞基开口谐振环电磁超结构的等效电感、电容等相关参数,并对该结构的电磁特性进行了仿真研究,进行了介电常数、磁导率等参数的理论计算和仿真结果对比研究,验证了其正确性。2利用经典偶极子的谐振频率公式,结合热膨胀理论公式,推导了汞基经典偶极子结构的热灵敏度公式,并通过电磁仿真软件进行了仿真验证,探索了灵敏度提升具体途径;进而研究了多种类型谐振模式的汞...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：94 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Arritt.B.J等人的分析模型[13]
工业、医疗领域得到了应用。(a)(b)图1-4(a)Bakir.M等人设计的温度传感器的温度变化曲线图[15];(b)Bakir.M等人设计的温度传感器的温度-频偏图[15]2018年XiaoxiaZheng等人研究了一种基于氧化钒（VO2）薄膜的超结构反射转换器[16]，结构如图1-5所示。结果表明，在4.95THz至9.39THz处实现了90％以上的宽带偏振转换率（PCR），并且在三个峰处可以获得高于98.9％的PCR。并且该混合超结构转换器被证明具有温度调谐的电磁特性。绝缘体-金属相变的不同温度可以改变VO2薄膜导电性，宽带偏振转换率（PCR）随温度变化明显改变。图1-5XiaoxiaZheng等人设计的混合超结构[16]另外，在生物传感领域，A.V.Kabashin等研究者展示了一种改进的等离子体超结构生物传感技术[17]，该等离子体超结构能够支持多孔纳米棒层中的引导模式。受益于探测场与纳米棒之间结合的活性生物物质与层内强大的等离子体介导的能量限制之间的大量重叠，这种超结构提供了对棒之间介质的折射率变化的增强的敏感性（超过每个折射率单位30000纳米）。证明了使用标准链霉抗生物素蛋白-生物素亲和力模型的方法可行性，并且与传统的无标记等离子体装置相比，结果表明小分析物检测上限显著改善。X.Xu等人设计了一种基于光子的灵活超结构器件[18]，在可见光红外区域工作，具有高灵敏度的应变响应。通过电子束光刻在具有30nm最小线宽的（萘二甲酸乙二醇酯）基板上制造由30nm厚的Au或Ag的开环谐振器（SRR）组成的超结构。谐振吸收可以从IR调整到可见光范围。使用Ag的U形SRR超结构表现出
第一章绪论72012年E.Ekmekci等人使用海水作为双面开口谐振环（DSRR）的填充介质，探索分析了其温度感知特性[28]。该传感器可用于微波和太赫兹应用中的化学，生物和压力传感。这种新颖的传感器利用双面开环谐振器（DSRR）拓扑结构，该拓扑结构还需要有夹在两个相同的宽边耦合SRR单元之间的附加传感介质，其中层间介质主要是二氧化硅气凝胶和海水，结构如图1-7所示。随着该层间介质的介电常数响应于诸如温度，湿度，密度，浓度或压力的环境参数的变化而改变，DSRR传感器谐振频率因此发生偏移。作为研究的证明，实验结果和理论数值非常的一致。还针对该传感器拓扑结构呈现了三种不同真实场景的应用，以展示湿度传感器、密度传感器和温度传感器都具有非常好的灵敏度。图1-7E.Ekmekci等制作的双面开口谐振环结构[28]2014年，F.Zhang等采用钛酸锶钡（Ba0.5Sr0.5TiO3，BST）作为温敏介电材料，分析了由其构成电磁超结构实现温度感知的机理并完成了10~50℃温度范围内的传感验证[29]，实验结果如图1-8所示，可以发现谐振曲线出现了明显的偏移。图1-8F.Zhang等验证得到的钛酸锶钡实验数据[29]2015年，H.Karim等在铌酸锂（LiNbO3）温敏介电材料的基础上，设计了多种闭合谐振环（CRR）和开口谐振环（SRR）电磁超结构单元[30,31]，利用金属垫圈作为CRR结构，钛酸钡（BTO）作为介电材料，结构如图1-9所示。在室温下使用网络分析仪连接的一对喇叭天线作为发射源，测试、分析制造的传感器响应。通过分析其温度感知灵敏度，结果表明CRR结构具有更高的灵敏度，可达7.286MHz/℃。
本文编号：3401249
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：94 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Arritt.B.J等人的分析模型[13]
工业、医疗领域得到了应用。(a)(b)图1-4(a)Bakir.M等人设计的温度传感器的温度变化曲线图[15];(b)Bakir.M等人设计的温度传感器的温度-频偏图[15]2018年XiaoxiaZheng等人研究了一种基于氧化钒（VO2）薄膜的超结构反射转换器[16]，结构如图1-5所示。结果表明，在4.95THz至9.39THz处实现了90％以上的宽带偏振转换率（PCR），并且在三个峰处可以获得高于98.9％的PCR。并且该混合超结构转换器被证明具有温度调谐的电磁特性。绝缘体-金属相变的不同温度可以改变VO2薄膜导电性，宽带偏振转换率（PCR）随温度变化明显改变。图1-5XiaoxiaZheng等人设计的混合超结构[16]另外，在生物传感领域，A.V.Kabashin等研究者展示了一种改进的等离子体超结构生物传感技术[17]，该等离子体超结构能够支持多孔纳米棒层中的引导模式。受益于探测场与纳米棒之间结合的活性生物物质与层内强大的等离子体介导的能量限制之间的大量重叠，这种超结构提供了对棒之间介质的折射率变化的增强的敏感性（超过每个折射率单位30000纳米）。证明了使用标准链霉抗生物素蛋白-生物素亲和力模型的方法可行性，并且与传统的无标记等离子体装置相比，结果表明小分析物检测上限显著改善。X.Xu等人设计了一种基于光子的灵活超结构器件[18]，在可见光红外区域工作，具有高灵敏度的应变响应。通过电子束光刻在具有30nm最小线宽的（萘二甲酸乙二醇酯）基板上制造由30nm厚的Au或Ag的开环谐振器（SRR）组成的超结构。谐振吸收可以从IR调整到可见光范围。使用Ag的U形SRR超结构表现出
第一章绪论72012年E.Ekmekci等人使用海水作为双面开口谐振环（DSRR）的填充介质，探索分析了其温度感知特性[28]。该传感器可用于微波和太赫兹应用中的化学，生物和压力传感。这种新颖的传感器利用双面开环谐振器（DSRR）拓扑结构，该拓扑结构还需要有夹在两个相同的宽边耦合SRR单元之间的附加传感介质，其中层间介质主要是二氧化硅气凝胶和海水，结构如图1-7所示。随着该层间介质的介电常数响应于诸如温度，湿度，密度，浓度或压力的环境参数的变化而改变，DSRR传感器谐振频率因此发生偏移。作为研究的证明，实验结果和理论数值非常的一致。还针对该传感器拓扑结构呈现了三种不同真实场景的应用，以展示湿度传感器、密度传感器和温度传感器都具有非常好的灵敏度。图1-7E.Ekmekci等制作的双面开口谐振环结构[28]2014年，F.Zhang等采用钛酸锶钡（Ba0.5Sr0.5TiO3，BST）作为温敏介电材料，分析了由其构成电磁超结构实现温度感知的机理并完成了10~50℃温度范围内的传感验证[29]，实验结果如图1-8所示，可以发现谐振曲线出现了明显的偏移。图1-8F.Zhang等验证得到的钛酸锶钡实验数据[29]2015年，H.Karim等在铌酸锂（LiNbO3）温敏介电材料的基础上，设计了多种闭合谐振环（CRR）和开口谐振环（SRR）电磁超结构单元[30,31]，利用金属垫圈作为CRR结构，钛酸钡（BTO）作为介电材料，结构如图1-9所示。在室温下使用网络分析仪连接的一对喇叭天线作为发射源，测试、分析制造的传感器响应。通过分析其温度感知灵敏度，结果表明CRR结构具有更高的灵敏度，可达7.286MHz/℃。
本文编号：3401249
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