雙頻帶太赫茲超材料吸波體傳感器傳感特性*

龐慧中 王鑫 王俊林 王宗利 劉蘇雅拉圖 田虎強(qiáng)

(內(nèi)蒙古大學(xué)電子信息工程學(xué)院, 呼和浩特 010021)

本文提出了一種雙頻帶太赫茲超材料吸波器, 該超材料吸波器在0.387和0.694 THz兩個(gè)諧振點(diǎn)的吸收率可達(dá)到99%以上, 實(shí)現(xiàn)了對(duì)入射太赫茲波的“完美吸收”.該雙頻帶太赫茲超材料吸波體傳感器在兩個(gè)諧振頻率處的Q值分別為28.1和29.3, 折射率靈敏度 S (f) 分別為39.5和85 GHz/RIU, 均具有較優(yōu)的傳感特性.研究結(jié)果表明, 對(duì)于該太赫茲超材料吸波器來(lái)說(shuō), 除了可以選用折射率較小的中間介質(zhì)層材料提高傳感特性外, 還可以根據(jù)待測(cè)物折射率的不同選取相應(yīng)的待測(cè)物厚度來(lái)提高傳感特性.本文設(shè)計(jì)的雙頻帶超材料吸波體傳感器可實(shí)現(xiàn)諧振頻率與待測(cè)物質(zhì)特征頻率間的多點(diǎn)匹配, 增加反映被測(cè)物質(zhì)差異的信息量, 從而提升物質(zhì)探測(cè)的準(zhǔn)確性和靈敏度.通過(guò)對(duì)三種食用油樣本的分析, 驗(yàn)證了本文所設(shè)計(jì)的雙頻帶太赫茲超材料吸波體傳感器的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值.本次研究豐富了雙頻帶超材料吸波體傳感器的種類, 在傳感檢測(cè)領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展空間.

1 引 言

太赫茲(terahertz, THz)波是指頻率在0.1-10 THz范圍內(nèi), 波長(zhǎng)在30-3000 μm的電磁波,在電磁波譜中介于紅外光與微波之間.太赫茲譜的能級(jí)與有機(jī)生物分子(如DNA、氨基酸、蛋白質(zhì)等)的轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)能級(jí)相對(duì)應(yīng)[1,2]; 太赫茲輻射的光子能量非常低, 所以在生物樣品檢測(cè)時(shí)不會(huì)造成生物電離[2]; 太赫茲波為亞毫米波, 位于微波與遠(yuǎn)紅外波相交疊的區(qū)間范圍內(nèi), 兼有兩種波譜的特點(diǎn)[3].這些優(yōu)點(diǎn)使得基于太赫茲波研究生物分子的結(jié)構(gòu)、分子之間的反應(yīng)、分子與環(huán)境的相互作用等具有天然的優(yōu)勢(shì).近年來(lái), 太赫茲探測(cè)技術(shù)的發(fā)展極大地促進(jìn)了太赫茲輻射基礎(chǔ)理論和應(yīng)用技術(shù)的研究, 為生物學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)等諸多學(xué)科的發(fā)展提供了新的研究手段[4-8], 并已在生物樣品的傳感檢測(cè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[9,10].通過(guò)測(cè)量被測(cè)極性物質(zhì),如藥品、食用油、有機(jī)材料等的太赫茲吸收光譜,并與預(yù)先建立的太赫茲光譜數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比較, 可以實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)樣品的快速定性鑒別.綜上所述, 基于太赫茲光譜技術(shù)的生物樣品檢測(cè)研究具有重要的科學(xué)意義, 為實(shí)現(xiàn)生物樣品的快速、免標(biāo)記、高靈敏度檢測(cè)奠定了基礎(chǔ).

自然材料對(duì)太赫茲頻段的電磁波難以產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁響應(yīng), 電磁超材料的出現(xiàn)彌補(bǔ)了這一缺陷.超材料(metamaterials, MMs)具有自然材料所不具備的超常物理性質(zhì), 能夠以一定的方式操控電磁波, 實(shí)現(xiàn)對(duì)入射電磁場(chǎng)的局域增強(qiáng), 這一特性引起了研究人員的廣泛關(guān)注與興趣.如今, 超材料已被廣泛應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)吸收器、濾波器和熱輻射器[11-13]等功能器件.由于超材料對(duì)周圍環(huán)境介電性質(zhì)的改變很敏感, 當(dāng)外界環(huán)境介電特性發(fā)生改變時(shí), 太赫茲波通過(guò)超材料后的諧振特性也會(huì)隨之發(fā)生改變, 因此通過(guò)測(cè)量改變的數(shù)值, 可以實(shí)現(xiàn)對(duì)超材料周圍物質(zhì)的傳感檢測(cè)和鑒別.

太赫茲超材料吸波體傳感器是太赫茲超材料的一種典型的功能器件, 通過(guò)將待測(cè)物質(zhì)與太赫茲超材料吸波體傳感器表層金屬諧振結(jié)構(gòu)單元相接觸, 監(jiān)測(cè)超材料吸波體傳感器吸收頻率的偏移可實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)樣品的傳感檢測(cè)[14-20].隨著太赫茲超材料吸波體傳感器的不斷創(chuàng)新與進(jìn)步, 國(guó)內(nèi)外研究人員圍繞著超材料吸波體傳感器的各個(gè)方面, 如諧振頻率的可控可調(diào)、寬角度入射、極化不敏感以及多頻帶吸收等展開(kāi)了深入探究[21-26].傳統(tǒng)的單頻帶超材料吸波體傳感器只能實(shí)現(xiàn)待測(cè)物質(zhì)的特征頻率與傳感器諧振頻率的單點(diǎn)匹配, 較少的信息數(shù)據(jù)量會(huì)影響傳感器的檢測(cè)精度和靈敏度, 雙頻帶超材料吸波體傳感器具有雙頻諧振峰, 可實(shí)現(xiàn)傳感器諧振頻率與待測(cè)物質(zhì)特征頻率間的多點(diǎn)匹配, 增加反映被測(cè)物質(zhì)差異的信息量, 從而提升物質(zhì)探測(cè)的準(zhǔn)確性和靈敏度.

太赫茲超材料傳感器主要性能參數(shù)有品質(zhì)因數(shù) Q、折射率靈敏度 S (f)、F OM(figure of merit)值等, 通過(guò)提升參數(shù)指標(biāo)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)物質(zhì)的高靈敏傳感檢測(cè).提升參數(shù)指標(biāo)的方法有很多種, 首先, 對(duì)于超材料表層金屬諧振器來(lái)說(shuō), 改變其諧振方式(LC諧振、Fano諧振、偶極子諧振等)產(chǎn)生更加尖銳的諧振峰以提高品質(zhì)因數(shù) Q[27,28]; 其次, 通過(guò)改變介質(zhì)層材料可以獲得更理想的折射率靈敏度 S (f)[29]; 此外, 設(shè)計(jì)合適的超材料單元結(jié)構(gòu), 實(shí)現(xiàn)具有多諧振峰的超材料吸波體傳感器, 也可以提升傳感器性能[30].

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一款雙頻帶太赫茲超材料吸波體傳感器, 深入分析了傳感器諧振頻率處的電磁場(chǎng)分布, 揭示了背后的傳感機(jī)理.通過(guò)分析不同折射率的待測(cè)物質(zhì)對(duì)超材料傳感器諧振頻率的影響,揭示了所設(shè)計(jì)的太赫茲超材料吸波體傳感器的傳感特性.通過(guò)分析不同厚度的待測(cè)物和不同中間介質(zhì)層材料對(duì)傳感特性的影響, 確定了最適合本文設(shè)計(jì)的超材料傳感器的待測(cè)物厚度和中間介質(zhì)層材料.以食用油品類的傳感鑒別為例, 驗(yàn)證了本次設(shè)計(jì)的雙頻帶太赫茲超材料吸波體傳感器可以實(shí)現(xiàn)介電常數(shù)相近的三種食用油的高靈敏度快速檢測(cè).綜上所述, 本文設(shè)計(jì)的雙頻帶太赫茲超材料吸波體傳感器在未來(lái)的生物醫(yī)學(xué)傳感領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用發(fā)展空間.

2 雙頻帶太赫茲超材料吸波體傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與傳感機(jī)理研究

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真

雙頻帶太赫茲超材料吸波體傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示, 該傳感器采用典型的“三明治”結(jié)構(gòu), 即由頂層金屬諧振結(jié)構(gòu)單元、中間介質(zhì)層以及底層連續(xù)金屬底板組成.其中底層連續(xù)金屬板的厚度要大于太赫茲波的趨膚深度, 避免太赫茲波發(fā)生透射, 通過(guò)合理設(shè)計(jì)頂層金屬諧振單元陣列結(jié)構(gòu)及中間介質(zhì)層厚度, 使入射太赫茲波在超材料內(nèi)部實(shí)現(xiàn)電磁諧振, 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)入射太赫茲波的完美吸收.頂層金屬諧振結(jié)構(gòu)單元與底層金屬底板采用的材料是金屬鋁(電導(dǎo)率 σ =3.56×107), 中間介質(zhì)層采用的材料是聚四氟乙烯(poly tetra fluoro ethylene, PTFE)材料, 相對(duì)介電常數(shù) εr=2.1, 損耗角正切值為0.002.

圖1 雙頻帶太赫茲超材料吸波體傳感器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1.Schematic diagram of dual-band THz MM absorber sensor structure.

采用電磁仿真軟件CST Microwave Studio 2020的頻域求解器對(duì)所設(shè)計(jì)的雙頻帶超材料吸波體傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真和優(yōu)化.在仿真過(guò)程中,太赫茲波垂直入射到超材料吸波器表面, 波矢量 k沿著 z軸方向, 電場(chǎng) E 沿著 x 軸方向, 磁場(chǎng) H 沿著 y軸方向.在 X —Y 平面上設(shè)置周期性的邊界條件,Z平面上設(shè)置開(kāi)放性的邊界條件, 以此來(lái)模擬無(wú)限周期陣列.

雙頻帶太赫茲超材料吸波體傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)如下:R1= 100 μm,W= 5 μm,R2= 25 μm,L1= 60 μm,L2= 10 μm.結(jié)構(gòu)單 元 周期 P =300 μm, 頂層金屬諧振結(jié)構(gòu)單元厚度為22.5 μm,中間介質(zhì)層厚度為4.5 μm, 底層金屬板的厚度為0.1 μm, 當(dāng)太赫茲波垂直入射時(shí)所對(duì)應(yīng)的吸收和反射特性曲線如圖2所示.超材料吸波體傳感器在f1= 0.387 THz和 f2= 0.694 THz處產(chǎn)生了兩個(gè)吸收峰, 吸收率分別為99.70 %和99.83 %, 實(shí)現(xiàn)了對(duì)入射太赫茲波的“完美”吸收.

圖2 雙頻帶太赫茲超材料吸波體傳感器吸收與反射特性仿真曲線Fig.2.Simulated absorption and reflection characteristic curve of dual-band THz MM absorber sensor.

雙頻帶太赫茲超材料吸波體傳感器兩個(gè)諧振峰的半高寬(full width half maximum,F WHM)分別為13.8和23.7 GHz.品質(zhì)因數(shù) Q值反映了傳感器的諧振特性, 即諧振峰越尖銳, 對(duì)應(yīng)的 Q值越大, 傳感器的靈敏度也越高.此外,Q值也決定了傳感器的分辨率,Q值越大, 傳感器的分辨率也越高.傳感器的品質(zhì)因數(shù)可定義為 Q(f)=f/FWHM(其中,f為諧振峰的諧振頻率,F WHM為諧振峰的半高寬).該傳感器吸收峰 f1處品質(zhì)因數(shù) Q= 28.1,吸收峰 f2處品質(zhì)因數(shù) Q= 29.3, 較高的品質(zhì)因數(shù)證明該結(jié)構(gòu)具有良好的傳感性能.

2.2 傳感機(jī)理分析

為了研究雙頻帶太赫茲超材料吸波體傳感器的諧振機(jī)理, 需要分析諧振頻率處的表面電場(chǎng)、表面和底面電流以及磁場(chǎng)分布.如圖3(a)所示, 諧振頻率 f1處的表面電場(chǎng)主要集中在外部大圓環(huán)的左右兩端, 說(shuō)明諧振頻率 f1處吸收峰是由于外部大圓環(huán)偶極子諧振產(chǎn)生的.圖3(b)為諧振頻率 f2處的表面電場(chǎng)分布, 可以看出, 電場(chǎng)主要集中分布于內(nèi)部小圓環(huán)及十字結(jié)構(gòu)的左右兩端, 同理可以說(shuō)明諧振頻率 f2處吸收峰是由于內(nèi)部小圓環(huán)及十字結(jié)構(gòu)偶極子諧振引起的.

圖3 (a) 諧振頻率 f 1 處表面電場(chǎng)分布; (b) 諧振頻率 f 2 處表面電場(chǎng)分布Fig.3.(a) Surface electric field distribution at the f 1 resonance frequency; (b) surface electric field distribution at the f2 resonance frequency.

如圖4(a)和圖4(b)所示, 太赫茲超材料吸波體傳感器兩個(gè)諧振頻率處表面電流主要集中在外部大圓環(huán)上下兩端和內(nèi)部圓環(huán)與十字結(jié)構(gòu)的上下兩端.底面電流如圖5(a)和圖5(b)所示, 底面與表面電流方向相反, 形成磁偶極子諧振.

圖4 (a) 諧振頻率 f 1 處表面電流分布; (b) 諧振頻率 f 2 處表面電流分布Fig.4.(a) Surface current distribution at the f 1 resonance frequency; (b) surface current distribution at the f 2 resonance frequency.

圖5 (a) 諧振頻率 f 1 處底面電流分布; (b) 諧振頻率 f 2 處底面電流分布Fig.5.(a) Undersurface current distribution at the f 1 resonance frequency; (b) undersurface current distribution at the f2 resonance frequency.

圖6(a)和圖6(b)所示為雙頻帶太赫茲超材料吸波體傳感器諧振頻率 f1和 f2處的磁場(chǎng)分布, 與電場(chǎng)形成的電偶極子諧振呈現(xiàn)對(duì)偶的狀態(tài).

圖6 (a) 諧振頻率 f 1 處磁場(chǎng)分布; (b) 諧振頻率 f 2 處磁場(chǎng)分布Fig.6.(a) Magnetic field distribution at the f 1 resonance frequency; (b) magnetic field distribution at the f 2 resonance frequency.

該雙頻帶太赫茲超材料吸波體傳感器結(jié)構(gòu)為中心對(duì)稱結(jié)構(gòu), 保證了對(duì)于不同極化方向的電磁波入射到超材料吸波體傳感器上均能形成強(qiáng)烈的諧振, 具有極化不敏感的特性.

3 雙頻帶太赫茲超材料吸波體傳感器傳感特性研究及性能改善

研究太赫茲超材料吸波體傳感器的傳感特性并改善其性能對(duì)擴(kuò)展傳感器的應(yīng)用范圍具有一定的參考價(jià)值.對(duì)于所設(shè)計(jì)的雙頻段太赫茲超材料吸波體傳感器來(lái)說(shuō), 將不同的待測(cè)物質(zhì)覆蓋在頂層金屬諧振結(jié)構(gòu)單元表面會(huì)導(dǎo)致周圍環(huán)境介電參數(shù)的改變, 進(jìn)而改變超材料吸波器的諧振特性(諧振頻率、吸收率、諧振峰半高寬等), 因此, 通過(guò)監(jiān)測(cè)該超材料吸波器諧振頻率的偏移、吸收率的改變以及諧振峰半高寬的變化, 可實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)物質(zhì)的傳感檢測(cè).

為了研究所設(shè)計(jì)的太赫茲超材料吸波體傳感器對(duì)不同的待測(cè)物質(zhì)進(jìn)行傳感檢測(cè)的性能, 如品質(zhì)因數(shù) Q和靈敏度 S (f)等, 將不同折射率的待測(cè)物覆蓋在太赫茲超材料吸波體傳感器上, 并對(duì)其吸收特性曲線進(jìn)行了一系列的仿真研究.

如圖7所示, 當(dāng)覆蓋待測(cè)分析物質(zhì)的折射率從n= 1增加到 n= 2時(shí)會(huì)導(dǎo)致諧振頻率 f1,f2處的兩個(gè)吸收峰出現(xiàn)不同程度的紅移, 且隨著折射率的增加, 諧振頻率 f1吸收峰的吸收率幾乎不變, 而諧振頻率 f2處吸收峰的吸收率逐漸下降.當(dāng)折射率從 n= 1增加到 n= 2時(shí), 諧振頻率 f2吸收率從99 %降低至90 %.由此可見(jiàn), 所設(shè)計(jì)的雙頻帶太赫茲超材料吸波體可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同折射率待測(cè)物質(zhì)的傳感檢測(cè).

圖7 折射率從 n = 1變化到 n = 2時(shí)雙頻帶太赫茲超材料吸波體的吸收特性仿真曲線Fig.7.Simulated absorption characteristic curve of dualband THz MM absorber with refractive index changes from n = 1 to n = 2.

為進(jìn)一步探究所設(shè)計(jì)的太赫茲超材料吸波體傳感器的傳感特性, 首先對(duì)本次設(shè)計(jì)的傳感器兩個(gè)吸收峰諧振頻率偏移與待測(cè)物折射率之間的關(guān)系進(jìn)行了研究.如圖8所示, 對(duì)待測(cè)物折射率的變化與兩個(gè)吸收峰諧振頻率偏移量之間的關(guān)系進(jìn)行了擬合.隨著折射率從 n= 1變化到 n= 2時(shí), 諧振頻率偏移量逐漸增加(相對(duì)于 n= 1時(shí)), 在諧振頻率 f1處 折 射 率 靈 敏 度 S (f)= 39.5 GHz/RIU, 在諧振頻率 f2處折射率靈敏度 S (f)= 85 GHz/RIU.由此可見(jiàn), 本文設(shè)計(jì)的傳感器具有較高的靈敏度.

圖8 待測(cè)分析物折射率從 n = 1變化到 n = 2時(shí)傳感器的諧振頻率偏移及其線性擬合Fig.8.Resonance frequency shift of the sensor and linear fitting with determined refractive index changes from n =1 to n = 2.

當(dāng)折射率從 n= 1變化到 n= 2時(shí), 仿真分析了待測(cè)物厚度對(duì)太赫茲超材料吸波體傳感器傳感特性的影響.當(dāng)太赫茲波垂直入射時(shí), 仿真了待測(cè)樣品的折射率和厚度發(fā)生變化時(shí), 諧振頻率的變化規(guī)律, 結(jié)果如圖9和圖10所示.可以看出, 當(dāng)待測(cè)分析物厚度 H 從5 μm逐漸增大到25 μm時(shí), 傳感器諧振頻率 f1處的折射率靈敏度 S (f1)從16 GHz/RIU逐漸增大, 當(dāng)厚度 H = 15 μm時(shí)折射率靈敏度達(dá)到最大, 即 S (f1)= 39.5 GHz/RIU; 諧振頻率 f2處的折射率靈敏度 S (f2)從39 GHz/RIU逐漸增加, 當(dāng)厚度 H = 15 μm時(shí)靈敏度最大, 即 S (f2)=85 GHz/RIU.隨著待測(cè)分析物厚度從15 μm逐漸增加時(shí), 所設(shè)計(jì)的傳感器靈敏度甚至出現(xiàn)了下降,這說(shuō)明適度增加待測(cè)分析物厚度對(duì)傳感器檢測(cè)的靈敏度有一定的提升, 但是提升并不是無(wú)限制的.對(duì)于該雙頻帶太赫茲超材料吸波體傳感器來(lái)說(shuō),待測(cè)分析物厚度在15 μm時(shí), 諧振場(chǎng)幾乎全部被局限在超材料和待測(cè)物質(zhì)中, 因此可以獲得較高的傳感靈敏度.

圖9 (a) 待測(cè)分析物折射率從 n = 1變化到 n = 2時(shí)諧振頻率 f1 偏移量及其線性擬合; (b) 待測(cè)分析物折射率從n = 1變化到 n = 2時(shí)諧振頻率 f 2 偏移量及其線性擬合Fig.9.(a) Resonance frequency shifts of f 1 resonance frequency with refractive index changes from n = 1 to n =2 and linear fitting; (b) resonance frequency shifts of f2 resonance frequency with refractive index changes from n =1 to n = 2 and linear fitting.

圖10 待測(cè)分析物厚度對(duì)傳感器折射率頻率靈敏度的影響Fig.10.Influence of the thickness of the analyte to be measured on the refractive index frequency sensitivity of the sensor.

當(dāng)傳感器折射率靈敏度相差不明顯時(shí), 通過(guò)FOM值也可以分析所設(shè)計(jì)的傳感器傳感特性,FOM值可以比較工作在不同波段傳感器的傳感性能.通常情況下,F OM 值可以定義為 FOM=S(f)/FWHM.該傳感器在諧振頻率 f1處 F OM= 2.86,在諧振頻率 f2處 F OM= 3.58.

此外, 為了提高設(shè)計(jì)的太赫茲超材料吸波體傳感器的傳感性能, 對(duì)不同材料作為中間介質(zhì)層對(duì)傳感性能的影響進(jìn)行了分析, 結(jié)果如圖11(a)和圖11(b)所示.當(dāng)中間介質(zhì)層材料分別為相對(duì)介電常 數(shù) εr= 4.3的FR-4、相 對(duì)介電 常 數(shù) εr= 2.68的PDMS和相對(duì)介電常數(shù) εr= 2.1的PTFE時(shí)傳感器的諧振頻率 f1處和諧振頻率 f2處偏移量及其線性擬合.從圖11(a)和圖11(b)可以看出, 當(dāng)相對(duì)介電常數(shù)(折射率)越低時(shí), 本文設(shè)計(jì)的雙頻帶太赫茲超材料吸波體傳感器的斜率越大(靈敏度越高).因?yàn)楫?dāng)相對(duì)介電常數(shù)越低時(shí), 中間介質(zhì)層材料對(duì)諧振場(chǎng)的束縛越小, 諧振場(chǎng)擴(kuò)展到了頂層諧振器的表面, 實(shí)現(xiàn)了與待測(cè)分析物的充分接觸, 提高了傳感器的傳感性能.

圖11 (a) 不同中間介質(zhì)層材料對(duì)傳感器諧振頻率 f1 處偏移量的影響及其線性擬合; (b) 不同中間介質(zhì)層材料對(duì)傳感器諧振頻率 f2 處偏移量的影響及其線性擬合Fig.11.(a) Influence of different dielectric layer materials on the resonance frequency f 1 shift of sensor and linear fitting; (b) influence of different dielectric layer materials on the resonance frequency f 2 shift of sensor and linear fitting.

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的雙頻帶太赫茲超材料吸波體傳感器的實(shí)際應(yīng)用效果, 選取了三種具有不同介電常數(shù)的食用油進(jìn)行了仿真分析, 分別是相對(duì)介電常數(shù) εr= 3的花生油、相對(duì)介電常數(shù) εr= 3.1的橄欖油和相對(duì)介電常數(shù) εr= 3.4的亞麻籽油.當(dāng)待測(cè)物厚度為15 μm時(shí), 基于雙頻帶太赫茲超材料吸波體傳感器的三種食用油諧振頻率變化如圖12(a)和圖12(b)所示, 由此可見(jiàn), 基于所設(shè)計(jì)的雙頻帶太赫茲超材料吸波體傳感器可以實(shí)現(xiàn)三種食用油的有效鑒別.

圖12 (a) 傳感器檢測(cè)食用油的諧振頻點(diǎn) f 1 ; (b) 傳感器檢測(cè)食用油的諧振頻點(diǎn) f2Fig.12.(a) Sensor resonance frequency f 1 of detects edible oil; (b) sensor resonance frequency f 2 of detects edible oil.

當(dāng)待測(cè)食用油為相對(duì)介電常數(shù) εr= 3, 厚度15 μm的花生油時(shí), 基于雙頻帶超材料吸波體傳感器仿真得到的兩個(gè)諧振頻率分別為 f1= 0.361 THz,f2= 0.640 THz, 相對(duì)于分析物折射率 n= 1, 厚度為15 μm時(shí)的諧振頻率偏移量分別為 Δ f1=0.028 THz,Δ f2= 0.073 THz.依據(jù)之前仿真得到的折射率靈敏度 S (f1)= 39.5 GHz/RIU,S (f2)=85 GHz/RIU, 以及計(jì)算得到的頻率偏移量, 根據(jù)折射率公式可推算出待測(cè)食用油的折射率為 n1=Δn1+1= 1.709,n2=Δn2+1= 1.858.同理當(dāng)待測(cè)食用油為相對(duì)介電常數(shù) εr= 3.4, 厚度15 μm的亞麻籽油時(shí), 基于雙頻帶超材料吸波體傳感器得到的兩個(gè)諧振頻率分別為 f1= 0.358 THz,f2= 0.635 THz, 折射率為 n1=Δn1+1= 1.784,n2=Δn2+1= 1.918.由此可見(jiàn), 根據(jù)諧振頻率 f1推算得到的食用油折射率更接近于實(shí)際情況, 而根據(jù)諧振頻率 f2推算得到的食用油折射率與實(shí)際情況相差較多, 這主要源于我們?cè)诜抡嬗?jì)算該超材料吸波體傳感器折射率靈敏度進(jìn)行線性擬合時(shí)引入了的誤差相對(duì)較大.綜上所述, 基于所設(shè)計(jì)的雙頻帶太赫茲超材料吸波器傳感器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)三種具有不同介電常數(shù)食用油的快速、高靈敏度傳感檢測(cè).

4 結(jié) 論

本文提出了一種雙頻帶太赫茲超材料吸波體傳感器, 在0.387和0.694 THz兩個(gè)諧振頻率點(diǎn)的吸收率可達(dá)到99 %以上, 實(shí)現(xiàn)了對(duì)入射太赫茲波的“完美吸收”.該雙頻帶太赫茲超材料吸波體傳感器Q值分別為28.1和29.3, 折射率靈敏度S(f)分別為39.5和85 GHz/RIU, 具有較優(yōu)的傳感特性.此外, 基于對(duì)所設(shè)計(jì)的雙頻帶太赫茲超材料吸波體傳感器表面電磁場(chǎng)以及電流分布的分析, 揭示了該傳感器的傳感機(jī)理.本文所設(shè)計(jì)的傳感器對(duì)不同折射率、不同厚度的待測(cè)物傳感性能進(jìn)行了分析,結(jié)果表明, 該傳感器在檢測(cè)折射率 n= 1-2區(qū)間范圍內(nèi)的待測(cè)物時(shí), 待測(cè)物厚度為15 μm傳感性能最佳, 靈敏度 S (f1)= 39.5 GHz/RIU,S (f2)=85 GHz/RIU.此外, 還通過(guò)分析不同中間介質(zhì)層材料選出了最適本文所設(shè)計(jì)的傳感器中間介質(zhì)層材料, 當(dāng)中間介質(zhì)材料折射率越低時(shí), 對(duì)諧振場(chǎng)的束縛越小, 實(shí)現(xiàn)了與待測(cè)分析物的充分接觸, 提高了傳感器的傳感性能.本文對(duì)不同品類食用油的傳感檢測(cè)驗(yàn)證了該傳感器的實(shí)際應(yīng)用能力, 通過(guò)對(duì)諧振頻率偏移量與靈敏度之間的關(guān)系仿真分析出的折射率在食用油折射率樣品范圍內(nèi), 證明了本文所設(shè)計(jì)的傳感器具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值.該雙頻帶太赫茲超材料吸波體傳感器與傳統(tǒng)的單頻帶傳感器相比,具有更優(yōu)良的傳感特性, 可以實(shí)現(xiàn)傳感器諧振頻率與待測(cè)物質(zhì)特征頻率間的多點(diǎn)匹配, 增加反映被測(cè)物質(zhì)差異的信息量, 從而提升物質(zhì)探測(cè)的準(zhǔn)確性和靈敏度.本文的研究豐富了雙頻帶超材料吸波體傳感器的種類, 在傳感檢測(cè)方面的應(yīng)用具有相當(dāng)?shù)膮⒖純r(jià)值.