一种用于液体介电常数测量的反射式太赫兹超材料传感器

专利名称：一种用于液体介电常数测量的反射式太赫兹超材料传感器

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202210264568.9

专利申请（专利权）人：合肥工业大学
权利人地址：安徽省合肥市包河区屯溪路193号

专利发明（设计）人：尹治平,李先萍,张国振,杨军,高浩宇,邓光晟,李迎

专利摘要：本发明涉及一种用于液体介电常数测量的反射式太赫兹超材料传感器，包括：第一介质基板、金属谐振贴片、介质层、金属反射板和第二介质基板。该金属谐振贴片设有周期性排列的圆孔阵列结构，可在太赫兹波激励下实现谐振，其对称结构很大程度上减小了测量误差；金属谐振贴片上开有y轴方向的细缝并且贴片四周留有空隙，能将所有圆孔相连通，避免了空气堵塞在圆孔里对测量精度造成影响。介质层和金属反射板共同设置为水槽状结构，保证了传感器可以重复使用，极大降低成本。本传感器灵敏度为74.8GHz/RIU，线性相关系数高达0.999。并且本传感器结构简单且小型化，性能优越，适用于所有液体的折射率检测以及极少量的残留物检测，有利于太赫兹传感器的推广应用。

主权利要求：
1.一种用于液体介电常数测量的反射式太赫兹超材料传感器，其特征在于，包括：第一部分和第二部分；所述第一部分包括第一介质基板以及附着在所述第一介质基板表面的金属谐振贴片；所述第二部分包括第二介质基板、附着在所述第二介质基板表面的金属反射板、以及设置在所述金属反射板表面的介质层；
在进行液体介电常数测量时，所述第一部分与所述第二部分平行正对且互相接触；所述金属谐振贴片设置在所述第一介质基板靠近所述第二部分的一面；所述金属反射板设置在所述第二介质基板靠近所述第一部分的一面；所述介质层由设置在所述金属反射板四周边缘的聚苯乙烯构成；所述介质层位于所述金属反射板靠近所述第一部分的一侧；所述介质层与所述金属反射板构成水槽状结构，所述水槽状结构用于盛放待测液体；
所述金属谐振贴片包括N×N个呈周期性阵列结构分布的金属贴片单元；所述金属贴片单元中央开有圆孔，所述圆孔的直径小于所述金属贴片单元的边长；所述圆孔与所述金属贴片单元的第一边之间、所述圆孔与所述金属贴片单元的第三边之间均设有细缝；所述金属贴片单元为轴对称结构；所述金属贴片单元的第一边与第三边平行且正对；所述细缝将所述金属谐振贴片中同列的相邻两个金属贴片单元相连通；所述金属谐振贴片的边长小于所述介质层的内边长，使得在所述金属谐振贴片的四周形成环形通道；所述金属谐振贴片中的所有圆孔通过所述细缝和所述环形通道相连通。
2.根据权利要求1所述的反射式太赫兹超材料传感器，其特征在于，所述第一介质基板和所述第二介质基板的形状和大小相同；所述第一介质基板和所述第二介质基板的材质为石英、玻璃、硅片中的一种。
3.根据权利要求1所述的反射式太赫兹超材料传感器，其特征在于，所述金属谐振贴片和所述金属反射板的材质为金、银、铜中的一种。
4.根据权利要求1所述的反射式太赫兹超材料传感器，其特征在于，所述金属贴片单元的边长小于进行液体介电常数测量时采用的太赫兹波的波长。
5.根据权利要求4所述的反射式太赫兹超材料传感器，其特征在于，进行液体介电常数测量时，所述太赫兹波沿垂直于所述金属谐振贴片所在平面的方向入射。
6.根据权利要求1所述的反射式太赫兹超材料传感器，其特征在于，所述N为正整数且N>10。
7.根据权利要求1所述的反射式太赫兹超材料传感器，其特征在于，所述介质层的厚度等于聚苯乙烯微球的直径。 说明书 : 一种用于液体介电常数测量的反射式太赫兹超材料传感器技术领域[0001] 本发明涉及太赫兹技术领域，特别是涉及一种用于液体介电常数测量的反射式太赫兹超材料传感器。背景技术[0002] 太赫兹波是指频率为0.1‑10THz范围的电磁波，对应的波长范围为3mm‑30um。太赫兹波介于毫米波与红外光之间。因太赫兹波在电磁波谱中处于特殊位置，因此太赫兹波具有一些特殊性质：穿透性、瞬态性、低能性等。[0003] 超材料是一种具有周期性排列的人工电磁材料，它可以通过调节结构的几何形状、尺寸大小、分布形式等，来改变材料的电磁属性，从而获得不同特性。超材料的性质不是取决于构成材料的本质，而是取决于人工设计的结构。[0004] 基于太赫兹的超材料传感器，因具有高品质因子Q(Q＝f/FWHM，f为吸收峰对应的频率，FWHM为半高全宽对应的频率)的高谐振响应特性，从而呈现出窄带宽。传感器的Q值越高，则能量越集中，传感器对能量集中区域的场分布的变化会更加敏感，传感器的传感性能也会提高。因此可实现高灵敏度(S＝Δf/Δn，Δf是指当折射率变化Δn时，所引起的谐振频率的变化值)的传感检测。基于太赫兹的超材料传感器，可通过外界物质的折射率的改变来实现谐振点或者谐振峰的红移。[0005] 太赫兹传感器原理是将待检测的介电常数转化为传感器可以测量到的电磁参量，比如S参数或者谐振点的偏移量，然后建立起介电常数与该电磁参量之间的测量关系并换算，从而用电磁参量来表示介电常数。基于太赫兹波段谐振结构的传感器具有体积小型化、测试精度较高、检测对象的适用范围大等优点。[0006] 在日常生活中，很多相似物质不易区分，并且微量物质的残留不易测出，一些有害物质或者元素，比如水果蔬菜上的农药残留等，会对人体造成一定的伤害。因此设计出一款适用于微量液体检测的传感器很有必要。[0007] 目前，国内外太赫兹超材料传感器对于一些差异性不大的物质或者微量元素差异的物质的检测灵敏度还不够高，限制了太赫兹传感器的应用；此外，传统的传感器结构繁琐、器件笨重、操作复杂。因此，如何设计出结构简单且小型化的高灵敏度太赫兹超材料传感器，是本领域迫切需要解决的问题。发明内容[0008] 本发明的目的是提供一种用于液体介电常数测量的反射式太赫兹超材料传感器，以实现结构简单且小型化的高灵敏度太赫兹超材料传感器。[0009] 为实现上述目的，本发明提供了如下方案：[0010] 一种用于液体介电常数测量的反射式太赫兹超材料传感器，包括：第一部分和第二部分；所述第一部分包括第一介质基板以及附着在所述第一介质基板表面的金属谐振贴片；所述第二部分包括第二介质基板、附着在所述第二介质基板表面的金属反射板、以及设置在所述金属反射板表面的介质层；[0011] 在进行液体介电常数测量时，所述第一部分与所述第二部分平行正对且互相接触；所述金属谐振贴片设置在所述第一介质基板靠近所述第二部分的一面；所述金属反射板设置在所述第二介质基板靠近所述第一部分的一面；所述介质层由设置在所述金属反射板四周边缘的聚苯乙烯构成；所述介质层位于所述金属反射板靠近所述第一部分的一侧；所述介质层与所述金属反射板构成水槽状结构，所述水槽状结构用于盛放待测液体；[0012] 所述金属谐振贴片包括N×N个呈周期性阵列结构分布的金属贴片单元；所述金属贴片单元中央开有圆孔，所述圆孔的直径小于所述金属贴片单元的边长；所述圆孔与所述金属贴片单元的第一边之间、所述圆孔与所述金属贴片单元的第三边之间均设有细缝；所述金属贴片单元为轴对称结构；所述金属贴片单元的第一边与第三边平行且正对；所述细缝将所述金属谐振贴片中同列的相邻两个金属贴片单元相连通；所述金属谐振贴片的边长小于所述介质层的内边长，使得在所述金属谐振贴片的四周形成环形通道；所述金属谐振贴片中的所有圆孔通过所述细缝和所述环形通道相连通。[0013] 可选地，所述第一介质基板和所述第二介质基板的形状和大小相同；所述第一介质基板和所述第二介质基板的材质为石英、玻璃、硅片中的一种。[0014] 可选地，所述金属谐振贴片和所述金属反射板的材质为金、银、铜中的一种。[0015] 可选地，所述金属贴片单元的边长小于进行液体介电常数测量时采用的太赫兹波的波长。[0016] 可选地，进行液体介电常数测量时，所述太赫兹波沿垂直于所述金属谐振贴片所在平面的方向入射。[0017] 可选地，所述N为正整数且N>10。[0018] 可选地，所述介质层的厚度等于聚苯乙烯微球的直径。[0019] 根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：[0020] 本发明提供了一种用于液体介电常数测量的反射式太赫兹超材料传感器，包括：第一部分和第二部分；所述第一部分包括第一介质基板以及附着在所述第一介质基板表面的金属谐振贴片；所述第二部分包括第二介质基板、附着在所述第二介质基板表面的金属反射板、以及设置在所述金属反射板表面的介质层；在进行液体介电常数测量时，所述第一部分与所述第二部分平行正对且互相接触；所述金属谐振贴片设置在所述第一介质基板靠近所述第二部分的一面；所述金属反射板设置在所述第二介质基板靠近所述第一部分的一面；所述介质层由设置在所述金属反射板四周边缘的聚苯乙烯构成；所述介质层位于所述金属反射板靠近所述第一部分的一侧；所述介质层与所述金属反射板构成水槽状结构，所述水槽状结构用于盛放待测液体；所述金属谐振贴片包括N×N个呈周期性阵列结构分布的金属贴片单元；所述金属贴片单元中央开有圆孔，所述圆孔的直径小于所述金属贴片单元的边长；所述圆孔与所述金属贴片单元的第一边之间、所述圆孔与所述金属贴片单元的第三边之间均设有细缝；所述金属贴片单元为轴对称结构；所述金属贴片单元的第一边与第三边平行且正对；所述细缝将所述金属谐振贴片中同列的相邻两个金属贴片单元相连通；所述金属谐振贴片的边长小于所述介质层的内边长，使得在所述金属谐振贴片的四周形成环形通道；所述金属谐振贴片中的所有圆孔通过所述细缝和所述环形通道相连通。本发明提供的反射式太赫兹超材料传感器，结构简单且小型化，利于携带、测量方便，且结束后易于清洗；所述金属谐振贴片包括N×N个呈周期性阵列结构分布的金属贴片单元，其对称结构可以有效地减小由于摆放位置有偏差而给测量结果带来的误差，提高测量精度；此外，所述金属谐振贴片中细缝和所述金属谐振贴片四周环形通道的设计，能够避免测量时圆孔中气泡对谐振频率的影响，从而进一步提高测量精度。[0021] 此外，本发明所述的反射式太赫兹超材料传感器，无需辅助加电，操作简便，易于检测，且对测量环境的要求低。测量时选用垂直于金属谐振贴片所在平面方向的入射太赫兹波，能够避免细缝对谐振频率产生影响。所述反射式太赫兹超材料传感器中，介质层与金属反射板构成水槽状结构，清洁后可以重复实验，极大降低成本。[0022] 本发明所述的反射式太赫兹超材料传感器灵敏度高，为74.8GHz/RIU，且线性相关系数高达0.999，适用于所有液体的介电常数测量。介质层高度仅为微米级别，可用于极少量残留物的检测。所述反射式太赫兹超材料传感器所用材料皆为常规材料，易于实现，且成本低廉，非常适合太赫兹传感器的推广应用。附图说明[0023] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。[0024] 图1为本发明实施例提供的用于液体介电常数测量的反射式太赫兹超材料传感器的结构示意图；[0025] 图2为本发明实施例提供的反射式太赫兹超材料传感器的俯视透视图；[0026] 图3为本发明实施例提供的金属谐振贴片中金属贴片单元的结构示意图；[0027] 图4为本发明实施例提供的反射式太赫兹超材料传感器的谐振点随介质层介电常数变化的仿真结果示意图；[0028] 图5为本发明实施例提供的反射式太赫兹超材料传感器的频率与折射率的关系示意图；[0029] 符号说明：1‑第一介质基板，2‑金属谐振贴片，3‑介质层，4‑金属反射板，5‑第二介质基板，6‑环形通道，21‑金属贴片单元，211‑圆孔，212‑细缝。具体实施方式[0030] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。[0031] 本发明的目的是提供一种用于液体介电常数测量的反射式太赫兹超材料传感器，以实现结构简单且小型化的高灵敏度太赫兹超材料传感器。[0032] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。[0033] 图1为本发明实施例提供的用于液体介电常数测量的反射式太赫兹超材料传感器的结构示意图。参见图1，本发明提供的一种用于液体介电常数测量的反射式太赫兹超材料传感器，包括：第一部分和第二部分；所述第一部分包括第一介质基板1以及附着在所述第一介质基板1表面的金属谐振贴片2；所述第二部分包括第二介质基板5、附着在所述第二介质基板5表面的金属反射板4、以及设置在所述金属反射板4表面的介质层3。[0034] 在进行液体介电常数测量时，所述第一部分与所述第二部分平行正对且互相接触。所述金属谐振贴片2设置在所述第一介质基板1靠近所述第二部分的一面；所述金属反射板4设置在所述第二介质基板5靠近所述第一部分的一面。所述介质层3由设置在所述金属反射板4四周边缘的聚苯乙烯构成；所述介质层3位于所述金属反射板4靠近所述第一部分的一侧；所述介质层3与所述金属反射板4构成水槽状结构，所述水槽状结构用于盛放待测液体。[0035] 参见图2和图3，所述金属谐振贴片2包括N×N个呈周期性阵列结构分布的金属贴片单元21。所述金属贴片单元21中央开有圆孔211，所述圆孔211的直径小于所述金属贴片单元21的边长。所述金属贴片单元21整体为方形，该方形结构依次连接的四条边分别称为第一边、第二边、第三边和第四边。所述圆孔211与所述金属贴片单元21的第一边之间、所述圆孔211与所述金属贴片单元21的第三边之间均设有细缝212；所述金属贴片单元的第一边与第三边平行(平行于图3中x轴方向)且正对；所述金属贴片21单元为轴对称结构。参见图2，所述细缝212将所述金属谐振贴片2中同列的相邻两个金属贴片单元21相连通。并且所述金属谐振贴片2的边长小于所述介质层3的内边长，使得在所述金属谐振贴片2的四周形成环形通道6；所述金属谐振贴片2中的所有圆孔211通过所述细缝212和所述环形通道6相连通。[0036] 在一个具体实施例中，所述第一介质基板1和所述第二介质基板5均为长方体形，且二者的形状和大小相同。所述第一介质基板1和所述第二介质基板5的材质为石英、玻璃、硅片中的一种。[0037] 所述金属谐振贴片2设置有周期性排列的金属圆孔阵列结构，该阵列结构包括N×N个呈周期性阵列结构分布的金属贴片单元21，其中N为正整数且N>10。所述圆孔阵列结构可在太赫兹波激励下实现谐振，其对称结构很大程度上减小了测量误差。[0038] 所述金属谐振贴片2开有y轴方向的细缝212，将同列的所有圆孔211相连通。金属反射板4四周边缘设置有聚苯乙烯，聚苯乙烯设置在金属反射板4的上表面，形成所述介质层3，所述介质层3和金属反射板4制成“水槽”状，中间用于放置待测液体。所述介质层3的高度由聚苯乙烯微球控制，所述介质层的厚度等于聚苯乙烯微球的直径。[0039] 介质层3和金属反射板4设置为水槽状结构，保证了本发明传感器可以重复使用，极大降低成本。所述金属谐振贴片2的边长要小于“水槽”的内边长，使得贴片2四周留有空隙，从而在金属谐振贴片2的四周形成环形通道6，能将所有列的圆孔211相连通，避免了空气堵塞在圆孔211里会对测量精度造成影响。具体地，当待测液体置于槽内，并将第一介质基板1盖在其上方，谐振贴片2圆孔211里的气泡通过细缝212被排出至环形通道6，该设计极大提高了测试精度。且为了避免设计的y轴细缝212会对谐振频率造成影响，在测试时采用垂直于y轴方向的线偏振入射波，进一步提高精度。[0040] 所述金属谐振贴片2和所述金属反射板4的材质为金、银、铜中的一种。[0041] 所述金属贴片单元21的边长小于进行液体介电常数测量时采用的太赫兹波的波长。太赫兹的波长仅为3mm‑30um，本发明的金属谐振贴片单元21边长小于其波长，实现本发明的传感器小型化。且金属谐振贴片2设置有行数和列数均大于10的阵列，大大地提高了谐振峰值，利于测试。进行液体介电常数测量时，所述太赫兹波沿垂直于所述金属谐振贴片2所在平面的方向入射。[0042] 本发明提供的反射式太赫兹超材料传感器与现有技术相比，至少具有以下优点：[0043] 1、本发明所述的反射式太赫兹超材料传感器，是一种对称结构，可以有效地减小由于摆放位置有偏差而给测量结果带来的误差，提高测量结果的精度。[0044] 2、本发明所述的反射式太赫兹超材料传感器，其谐振贴片2结构添加y轴细缝212的设计，当滴入待测液体后，将第一介质基板1盖上，在压力及张力的作用下，谐振贴片2圆孔211里的小气泡会顺着细缝212被排出至最外侧的环形通道6，让液体完全浸没谐振结构，避免了气泡对谐振频率的影响，从而进一步提高测量精度。[0045] 3、本发明所述的反射式太赫兹超材料传感器，为了避免y轴细缝212对谐振频率产生影响，测试时选用垂直于y轴的入射太赫兹波。[0046] 4、本发明所述的反射式太赫兹超材料传感器，无需辅助加电，操作简便，易于检测，且对测量环境的要求低。[0047] 5、本发明所述的反射式太赫兹超材料传感器，将第二部分设置为“水槽状”的结构，清洁后可以重复实验，极大降低成本。[0048] 6、本发明所述的反射式太赫兹超材料传感器，结构简便且小型化，利于携带、测量方便，且结束后易于清洗。[0049] 7、本发明所述的反射式太赫兹超材料传感器，是一种适用于所有液体介电常数的检测的反射式太赫兹超材料传感器，具体可应用于各类物质的检测(例如对各种食用油的检测)、相似物质的区分与鉴定、折射率的检测以及微量物质或元素残留的检测。由于介质层3高度仅为微米级别，可用于极少量残留物的检测。[0050] 8、本发明所述传感器灵敏度高，为74.8GHz/RIU，且线性相关系数高达0.999。[0051] 9、本发明提出的反射式太赫兹超材料传感器，所用材料皆为常规材料，易于实现，且成本低廉，非常适合太赫兹传感器的大规模推广应用。[0052] 下面结合附图提供本发明反射式太赫兹超材料传感器的一个具体实施例。[0053] 本实施例中，所述第一介质基板1和所述第二介质基板5为形状、大小均相同的长方体，且材质均为石英。金属反射板4上表面的四周为聚苯乙烯，形成方框状的介质层3，介质层3和金属反射板4共同构成水槽状。介质层3的厚度由聚苯乙烯微球控制，在本实施例中，所述聚苯乙烯微球选用直径45um，即介质层3的厚度为45um。[0054] 本实施例中，所述谐振贴片2设置于所述第一介质基板1朝向所述第二介质基板5的表面。利用镀膜机，通过蒸镀方式将谐振贴片2固定于所述第一介质基板1上，所述谐振贴片2的谐振结构可以实现谐振功能。[0055] 本实施例中，所述谐振贴片2包括N×N个呈周期性分布的金属贴片单元21，N为正整数。因太赫兹的波长为30um‑3mm，本实施例实验测试采用波段为90‑140GHz，对应波长为2.5mm，本实施例谐振贴片单元21的边长小于该波长，阵列的行数与列数大于10，增大谐振峰值，利于测试。[0056] 图3为本发明的谐振贴片2的金属贴片单元21的结构示意图，参见图3，金属贴片单元21包括：圆孔211、细缝212。所述圆孔211位于单元21的中心。优选地，本实施例中，所述金属贴片单元21长与宽均为p＝1600um，圆孔211半径r＝700um。本实施例中，细缝212设置为y轴方向，w为细缝的宽度。金属贴片单元21的材质为金属，在本实施例中，贴片2材质具体为铜。金属反射板4设置于所述第二介质基板5朝向所述第一介质基板1的表面，实现反射功能。[0057] 图4为本发明传感器的吸收峰的谐振点随不同介电常数的变化曲线示意图。图4显示随着介电常数ε的增大，谐振峰的位置向左发生了红移。[0058] 将待测液体置于“水槽状”介质层3内，盖上第一介质基板1以及附着在其上的谐振贴片2，将太赫兹波沿垂直于y轴的方向入射到第一介质基板1，本实施例将回波最大损耗的谐振点作为主要指标。利用数值仿真对不同介电常数下的传感器反射波频率响应曲线进行计算，使计算结果与实验结果相拟合，可以实现待测液体折射率的检测。[0059] 图5为本发明传感器的频率与折射率的关系图，图5中横坐标为折射率(Refractiveindex)，纵坐标为频率(Frequency)。整理谐振点位置与不同分析物折射率的数据，然后利用线性回归模型得到图5。本发明传感器灵敏度为74.8GHz/RIU，且线性相关系数高达0.999。[0060] 本发明提供的一种高灵敏度液体介电常数测量太赫兹传感器，包括第一介质基板1、金属谐振贴片2、介质层3、金属反射板4、第二介质基板5。所述金属谐振贴片2设有周期性排列的圆孔阵列结构，所述圆孔结构可在太赫兹波激励下实现谐振，其对称结构很大程度上减小了实验误差；所述金属谐振贴片2开有y轴方向的细缝212以及贴片四周留有空隙，能将所有圆孔211相连通，避免了空气堵塞在圆孔211里对测试精度造成影响，提高测试精度。介质层3设置为水槽状结构，保证了本发明传感器可以重复使用，极大降低成本。本传感器灵敏度为74.8GHz/RIU，线性相关系数高达0.999。并且本发明传感器结构简单且小型化，性能优越，适用于所有液体的检测、折射率检测，以及极少量的残留物检测，有利于太赫兹传感器的推广应用。[0061] 本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。[0062] 本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

专利地区：安徽

专利申请日期：2022-03-17

专利公开日期：2024-07-26

专利公告号：CN114578141B