[发明专利]一种微带表面回音壁模传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种微带表面回音壁模传感器，可工作于射频、微波和太赫频段，用于烟丝水分、固体颗粒物质及其它物料的物理特性检测。

背景技术

回音壁模 (Whispering Gallery Mode)是一种形态依赖的谐振模式，它能够在多种不同形状的闭合介质中产生，如圆盘、圆环、跑道形和球形。在这些结构中，介质的介电常数大于环境媒质介电常数。当电磁波在这些闭合介质回路中传播时，经过在其内表面发生多次全反射形成闭环，通过正反馈产生谐振，形成回音壁模式。基于回音壁模的介质谐振器具有Q值高、集成度高、插入损耗小、串扰低等优点，在波复用、滤波、波长变换、调制、激光、光信号处理和传感等方面有广泛应用。

回音壁模谐振器的谐振频率与其尺寸、材料及环境媒质参数密切相关。当用作传感器时，吸附在其表面的被测物质，如肽类、蛋白质分子或纳米粒子将与谐振器外部的消逝场发生相互作用，从而改变谐振器的谐振频率和Q值，通过测量谐振频率或Q值可以反演被测物质的物理特性，这是回音壁模传感器的检测原理。

有关回音壁模的研究主要集中在光学频段，传感应用是一个主要方面。渗透到环境媒质中的消逝场越强，则传感器灵敏度越高。这是由于消逝场增强了波与物质的相互作用，因此，增强消逝场渗透效应是提高回音壁模式传感器灵敏度的有效途径。

在回音壁模的传感应用中，工作波长越长，渗透到环境媒质中的消逝场越多，降低回音壁模式的工作频率，增加波长是改善灵敏度的有效途径。

发明内容

为了进一步提高回音壁模传感器的灵敏度，本发明提供了一种微带表面回音壁模传感器，其特点是场分布集中在传感器与环境媒质交界面上。与传统的回音壁模传感器比较，表面回音壁模传感器有更多的消逝场渗透到环境媒质中，与环境媒质的相互作用强，检测灵敏度高。同时，由于该传感器工作在微波频段，与光回音壁模传感器比较，工作波长大四个数量级，消逝场渗透到环境媒质中的深度可达几毫米到几十厘米，因此，本发明更适合于在工业环境中使用。

实现本发明，其特点是利用褶皱金属结构在微波频段等效为负介电常数的特征，利用在负介电常数材料与正介电常数材料分界面上形成表面波的原理，将褶皱金属结构弯曲形成闭环，从而导致介质分界面上的表面波因正反馈而形成振荡，产生表面回音壁模，这与背景技术中介绍的传统回音壁模的原理不同。对于在金属表面上开周期为d矩形方孔的褶皱金属表面结构，若方孔的尺寸为                                                ，方孔内材料的介电常数为，磁导率为，则此金属结构的等效介电常数为，这里，，为光速。显然，当时，褶皱金属表面结构的等效介电常数为负。

一种微带表面回音壁模传感器，该传感器包括：褶皱微带金属贴片1、介质衬底2、微带传输线3、同轴/微带转换器4、激发接收装置5。所述的褶皱微带金属贴片在微波频段等效为负介电常数介质材料，用于形成谐振腔，微带传输线用于激励该谐振腔，产生表面回音壁模；褶皱微带金属贴片附着在介质衬底上；同轴/微带转换器用于实现同轴电缆传输模式与微带传输模式的相互转换；激发接收装置包括激发和接收装置两部分，激发装置用于产生频率可调的微波信号，接收装置用于检测微带传输线的输出信号，它们共同完成环境媒质物理参数的检测。

本发明的有益效果是：本发明采用的褶皱微带金属贴片在微波频段等效为介电常数为负的介质材料，这种材料与环境媒质一起形成表面回音壁模，由于最大场强出现在传感器与环境媒质分界面上，与环境媒质的相互作用强，因而其灵敏度更高。由于采用的是平面微带结构，具有制作简单、易批量生产、成本低、鲁棒性好等特点；光回音壁模传感器工作波长短，渗透到环境媒质中的消逝场仅为亚微米数量级，因而主要用于生化样品的检测；微带表面回音壁模传感器工作波长长，渗透到环境媒质中的消逝场可达到几毫米甚至几十厘米，因而更适合于工业环境中的检测使用；传感器的工作频率取决于褶皱微带金属贴片的结构、尺寸和衬底材料的介电常数，根据需要可让该传感器工作在射频、微波和太赫频段，因而其应用范围更广。

 

附图说明：

图1本发明一种微带表面回音壁模传感器主视图。

图2本发明一种微带表面回音壁模传感器左视图。

图3本发明一种微带表面回音壁模传感器实施例主视结构示意图。

图4本发明一种微带表面回音壁模传感器实施例左视结构示意图。

图5本发明一种微带表面回音壁模传感器的电场分布仿真结果，模式数为11。