基于多波段的太赫兹吸波体高灵敏传感器.pdf
《基于多波段的太赫兹吸波体高灵敏传感器.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于多波段的太赫兹吸波体高灵敏传感器.pdf(9页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇基于多波段的太赫兹吸波体高灵敏传感器李院平员,梁兰菊员,邱摇 福圆,黄成成圆(员郾 枣庄学院 光电工程学院,山东 枣庄摇 圆苑苑员远园;圆郾 安徽理工大学 电气与信息工程学院,安徽 淮南摇 圆猿圆园园员)摘摇 要基于目前多波段吸波器工艺复杂且波段较少,设计一种由两个开口谐振环所组成的多频段吸波体高灵敏传感器。采用时域有限积分法对其进行仿真分析。结果表明,所设计的传感器具有 源 个吸波率 怨远豫 以上的吸收峰。在其表面附着一层待测物,改变其折射率,发现其各波段吸收峰的频率与折射率之间均呈现良好的线性
2、特性,且在频率 枣 越猿郾 园怨缘 栽匀扎 处具有较高的灵敏度 怨员缘 郧匀扎辕 砸陨哉 和较高的 云韵酝 值 员怨。将其应用于不同浓度的葡萄糖溶液仿真检测,结果显示其可以有效传感 猿豫、缘豫、苑豫、怨豫浓度的葡萄糖。此吸波体高灵敏传感器的出现可以避免吸收峰少所带来的分析物无法检测及检测精度较低等问题,为葡萄糖的检测提供一种新的手段。关键词太赫兹;吸波体;多波段;传感器摇 摇中图分类号韵源源员郾 源文献标识码粤文章编号员园园源 原苑园苑苑(圆园圆猿)园缘 原园园圆源 原园怨园摇 引言太赫兹波是指频率在园郾 员 耀员园 栽匀扎,波长为园郾 园猿 耀猿 皂皂 的电磁波,介于微波和红外波之间。员怨世
3、纪之后,太赫兹波受到产业界的重点关注,目前在生物、化学、材料、天文、通信等各领域都展现了巨大的发展潜力员 原猿。自然材料对太赫兹波段的电磁波难以产生强烈的电磁感应,而人工电磁超材料的出现弥补了自然材料的这一不足源 原苑。如今超材料已广泛应用于吸波、滤波器等功能器件。由于太赫兹吸波器较容易形成具有高品质因子的吸收峰,而高品质因子是设计高性能传感器的一个重要指标,近年来对吸波体传感器的研究与日俱增。蕴粤晕阅再 等愿于 圆园园愿 年提出第一个完美吸收器。而后人们通过制备不同尺寸的结构图形或把不同尺寸的结构图形进行堆叠,产生多个吸收峰点。庞慧中等怨通过设计对称结构实现了双频带吸波器,但是吸波器 圆 个
4、频率点都比较低,且作为传感器时灵敏度最高只有 愿缘 郧匀扎辕 砸陨哉;葛宏义等员园采用双开口谐振环作为超表面及聚四氟乙烯作为基底设计了双频带吸波体传感器,传感器灵敏度可达 远怨猿郾 苑 郧匀扎辕 砸陨哉,并实现了不同浓度乙醇溶液的检测,基底材料聚四氟乙烯虽具有耐腐蚀、高低温性能良好的优点,但纯聚四氟乙烯易蠕变且耐摩损性能较差,易使便携式传感器的稳定性受到影响;李禹蓉等员员通过将猿 个不同尺寸的圆环进行叠加,产生 猿 波段吸波器,但未讨论其性能;李爱云等员圆采用二氧化钒制作微结构,实现了单吸收峰可调吸波器,但是波段单一;匀哉粤晕郧 等员猿采用石墨烯制作微结构实现了 源 吸收峰可调吸波器,并实现了
5、不同癌细胞的检测,但其谐振频率点较高,且石墨烯结构化实现较为困难,阻碍了该设计的进一步应用;杂粤粤 阅耘蕴阅陨晕 等员源所提出的高灵敏吸波体传感器在 员郾 园 耀猿郾 园 栽匀扎 频段有一个吸收率高达 怨怨郾 怨豫的吸波峰,但灵敏度欠佳。聚酰亚胺除了具有抗高温、耐溶剂性的优点外,机械强度高使其在抗拉伸及抗摩擦方面都有良源圆圆园圆猿 年 怨 月枣庄学院学报杂藻责郾 圆园圆猿第 源园 卷摇 第 缘 期允韵哉砸晕粤蕴 韵云 在粤韵在匀哉粤晕郧 哉晕陨灾耘砸杂陨栽再灾燥造郾 源园 晕韵郾 缘收稿日期圆园圆猿 原园缘 原圆缘基金 项 目 国 家 自 然 科 学 基 金(远员苑园员源猿源、远员苑猿缘园员园
6、、远员远苑缘员源苑);山 东 省 自 然 科 学 基 金(在砸圆园圆园云运园园愿、在砸圆园圆员园圆员愿园苑远怨)。作者简介李院平(员怨苑怨),女,山西芮城人,枣庄学院光电工程学院副教授,工学硕士,主要从事太赫兹功能器件的研究。好的表现。在本文中,采用实现方便、价格低廉的金属铝和聚酰亚胺材料,设计实现了 源 频段吸波器,分析了各频段吸波峰的吸波机理和品质因子,研究了其灵敏度,并对不同浓度的葡萄糖进行了仿真检测。员摇 吸波器结构设计采用传统三明治结构来进行吸波器设计。结构单元底部和表层均采用金属铝,其电导率为(猿郾 缘远藻 垣园苑)杂辕 皂,中间层采用柔性材料聚酰亚胺,相对介电常数为 猿郾 员,损
7、耗角的正切值为 园郾 园缘。设计吸波器结构如图 员 所示。图 员摇 吸波器结构示意图在结构中,内外环的宽度影响两环之间的耦合强度。改变内外环的宽度 憎,用时域有限积分法对其进行仿真分析,结果如图 圆 所示。图 圆摇 不同宽度下的吸收谱线图从图 圆 中可看出,内外环的宽度对第一个吸收峰影响轻微,而第二个吸收峰则出现一定程度的红移,第三个吸收峰因其吸收率较低,不予分析,第 源 和第 缘 吸收峰则对宽度的变化比较敏感。总体而言,当宽度为 远 皂 时,各吸收峰的吸收率都较高(超过 怨远豫),达到完美吸收。因此,所设计的吸波体各参数优化之后,结果表 员 所示。缘圆李院平,梁兰菊,邱摇 福,黄成成摇 基于
8、多波段的太赫兹吸波体高灵敏传感器表 员摇 单元结构尺寸表孕曾辕 皂孕赠辕 皂则葬辕 皂则遭辕 皂憎辕 皂毅员园园员园园源缘圆缘远猿园圆摇 吸波器机理及性能分析圆郾 员摇 吸波器仿真结果仿真环境:太赫兹波垂直照射到超表面,极化方向为 栽耘 波。边界条件:载 和 再 方向均设为 怎灶蚤贼糟藻造造,在 方向开放边界。先采用基于有限积分法的频域求解器分析计算吸波体的反射率,由于所设计结构底部的金属层厚度远大于太赫兹波在金属中的趋肤深度,太赫兹波传递到金属层中时将会实现全发射,使得透射率 栽()趋近为 园。吸收率员缘粤()越员 原 砸()原 栽()(员)式中:粤()为吸波体的吸收率,砸()为吸波体的反射
9、率,栽()为吸波体的透射率。因此,由公式(员)可知,吸波体反射率越小,则吸收率越高,当反射率趋于 园 时,达到完美吸波。图 猿 展示了所设计吸波体的反射率曲线(点划线)和吸收率曲线(实线)。图 猿摇 吸波体的反射和吸收谱线从图 猿 中可看出,此吸波体在图中所示的 源 个频率处,具有非常低的反射率,所以,其存在有源 个比较完美的吸收峰,各峰点频率分别为 园郾 苑源猿、员郾 源愿源、猿郾 园怨缘、猿郾 猿缘怨 栽匀扎。半高宽(枣怎造造 憎蚤凿贼澡 澡葬造枣 皂葬曾蚤皂怎皂,云宰匀酝)是用来衡量光波单色性的重要指标。在太赫兹传感器中,通常用峰值频率与半高宽的比值(即品质因子 匝)来衡量其对周围环境变
10、化的敏感性。此吸波体各峰处的半高宽及 匝 如表 圆 所示。表 圆摇 吸波体各峰参数表吸收峰频率辕 栽匀扎半高宽辕 郧匀扎匝吸收率辕 豫员园郾 苑源猿苑愿郾 苑缘怨郾 源猿缘怨怨郾 苑圆员郾 源愿源员源园郾 远愿员园郾 缘源怨怨苑郾 员猿猿郾 园怨缘员源猿郾 员远圆员郾 远圆园怨怨郾 缘源猿郾 猿缘怨源愿郾 员远远怨郾 苑源园怨远郾 员远圆枣庄学院学报圆园圆猿 年第 缘 期从表 圆 可以看出,吸收峰 源 处有最高的品质因子 匝,但其吸收率是最低的。圆郾 圆摇 吸波机理根据等效媒质理论,当吸波器的相对波阻抗足够接近自由空间的阻抗,则可最大程度减少反射员远 耀员愿。由式(员)可知,只要吸收器对太赫兹
11、波的反射率趋近于 园,则可达完美吸收。吸波器的相对波阻抗在 越则(憎)则(憎槡)越(员 原 杂员员)圆原 杂圆圆员(员 垣 杂员员)圆垣 杂圆圆槡员(圆)式中:杂员员为反射系数,杂圆员为透射系数,并均可通过仿真求取。吸波体对太赫兹波的反射率 砸 与吸波体的相对波阻抗有关,其关系为:砸 越在 原 在园在 垣 在园圆(猿)式中:在园为自由空间的波阻抗,在 则是吸波器的相对波阻抗。通过公式(猿)可以发现,当 在 和 在园相等时,砸 越园,则可得完美吸波峰。为了分析所设计吸波体的吸收性能,仿真分析了所设计吸波体各吸波段的相对波阻抗,仿真结果如图 源 所示。图 源摇 吸波体各波段吸收峰与相对波阻抗从图源
12、 可以看出,在吸波体的源 个吸波峰处,波阻抗的实部趋近于员,而虚部趋近于园,实现了与自由空间的相对完美匹配(在园越员),因此获得较为完美的吸波效果。圆郾 猿摇 谐振机理为了能更好的分析吸波器的物理机理,仿真分析了各吸波峰处的表面电场(图 缘郾 葬 耀 凿),表面电流(图 缘郾 藻 耀 澡)和底板电流(图 缘郾 蚤 耀 造)。苑圆李院平,梁兰菊,邱摇 福,黄成成摇 基于多波段的太赫兹吸波体高灵敏传感器图 缘摇 吸波器 源 个吸收峰处的表面电场、表面电流和底板电流分布图葬 耀 凿 为吸波器 源 个吸收峰处的表面电场分布;藻 耀 澡 则是吸波器 源 个吸收峰处的表面电流分布;蚤 耀 造 则是吸波器
13、源 个吸收峰处的底板电流分布从图 缘葬)可看出,电场主要集中在外环的边缘和上下两端。从图 缘藻)可看出,外环表面电流方向与入射波的电场方向相平行,而底部电流方向则与表面电流方向相反(图 缘蚤),说明外环循环变化的电场产生的磁力矩与入射光的磁场间发生交互作用产生磁谐振。外环强的电谐振和磁谐振导致入射光在频率 员 处的强烈衰减,从而在频率 员 处产生完美吸收。从图缘遭)可看出,电场主要集中在内环的边缘和上下两端。图 缘枣)可看出,内环表面电流方向与入射波的电场方向相平行,而底部电流方向则与表面电流方向相反,说明内环循环变化的电场产生的磁力矩与入射光的磁场间发生交互作用产生磁谐振。内环的强的电谐振和
14、磁谐振导致入射光在频率 圆 处的强烈衰减,从而在频率 圆处产生完美吸收。从图 缘糟)可看出电场在内外环上呈分段型分布,再结合电流的分布,可发现 员远偶极子谐振形成了谐振谷 猿。从图 缘噪)可看出,在两个单元外环开口于外环底部之间有比较强烈的漩涡状电流,此电流包围外环下端从而产生环形偶极子,而环形偶极子具有非辐射特性和束缚电场特性,从而使得频率猿 处产生完美吸收。从图缘凿)可看出,电场在内外环上也呈分段型分布,结合图缘澡)中电流的分布,说明谐振谷源 是由源 偶极子谐振产生。从底板电流分布图缘造)可看出,在两个单元外环开口于外环底部之间同样存在有漩涡状电流,但此电流强度比谐振谷 猿 处的要弱,所以
15、频率 源 处的吸收峰要低于频率 猿 处的吸收峰。通过以上的分析可知,所设计的吸波体在各吸收波段峰值频率处均呈现较强的电场电流分布特性,因此,当吸波体超表面周围环境发生变化时,会对各吸收波段产生影响。所以,不同的生物材料可以通过吸收波段峰值频率的变化以及吸收率的变化实现检测。圆郾 源摇 吸波体传感器性能分析在吸波体超表面上铺圆园 皂 米厚的待测物质,设其折射率从 员郾 员 变化到员郾 缘,载 方向为磁场,再 方向为电场,电磁波垂直超表面入射分别得 源 个频率处的吸收谱线图,如图 远 所示。做谐振频率的偏移量和折射率之间的关系曲线,并进行线性拟合,可得到吸波体各吸收峰点的灵敏度,如图 苑 所示。愿
16、圆枣庄学院学报圆园圆猿 年第 缘 期摇 摇 图 远摇 待测分析物不同折射率 灶 下的摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 图 苑摇 待测分析物不同折射率下谐振摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 吸收谱线摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 频率的偏移量及其线性拟合由图 远 可以发现,源 个吸收峰的中心频率都随着待测物折射率的变化而发生了改变,表明 源 个吸收峰对于周围环境参数的变化比较敏感。灵敏度 杂 和 云韵酝 衡量传感器性能的重要指标,一般的,杂 越 枣辕 灶。从图苑 可知谐振频率猿 处的灵敏度最高,可达怨员缘 郧匀扎辕 砸陨哉。利用公式(源)可得其各自 云韵酝 值。各
17、吸收峰的灵敏度及 云韵酝 值如表 猿 所示。云韵酝 越杂云宰匀酝(源)表 猿摇 各吸收峰的灵敏度及 云韵酝 值吸收峰杂辕 郧匀扎砸陨哉原员云韵酝吸收峰杂辕 郧匀扎砸陨哉原员云韵酝员员远缘圆郾 园怨缘猿怨员缘员怨圆圆愿缘圆郾 园圆缘源远员缘源郾 圆怨远从图 苑 和表 猿 可以看出,所设计的多波段吸波体传感器在吸收峰 猿 处,灵敏度最高,约为 怨员缘郧匀扎辕 砸陨哉,且 云韵酝 高达 员怨。为了进一步说明所设计吸波体传感器的性能,在表 源 中比对了近几年一些同类型吸波体传感器的指标参数,从表 源 中也可以看出所设计吸波体传感器的优异性能。表 源摇 不同吸波体传感器性能比较参考文献吸波段数目频段辕
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 波段 赫兹 吸波体高 灵敏 传感器
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。