2017, Vol. 39
Issue (6): 51-55
2. 上海理工大学 光电信息与计算机工程学院, 上海 200093
2. School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China
近年来, 高Q值的传感器在微波段、毫米波段、太赫兹波段(THz)均得到广泛研究。无论是在食品安全、生物检测方面, 还是在安检方面, 高Q值传感器性能的提高变得意义非凡。尤其是在太赫兹波段, 传感器以结构轻便、简单, 能够检测微量物品, 甚至是细胞而引起广泛关注。
传感器是一种检测装置, 能感受到待测物体的信息, 并将这些信息以一定形式输出。随着太赫兹技术的飞速发展[1-5], 促进了对高Q值传感器的研究[6-9], 因为这些传感器可以应用在食品安全和生物检测及安检部门。为了研究传感器的高Q值特性, 前人设计了不同类型的传感器, 如超材料传感器、棱镜耦合传感器、平行板波导传感器[10-14]。太赫兹传感器[15]的发展促进了检测及分析技术领域的发展。
本文研究一种在太赫兹波段的基于等离子体波导和谐振环的高Q值传感器, 相比于前人的研究, 这种传感器具有多通道, 高Q值的特点。
1 表面等离子体高Q值传感器 1.1 仿真结构设计图 1是表面等离子体高Q值传感器的水平对称结构图, 该结构包括三个部分:能量转换部分Ⅰ, 模式转换和能量匹配部分Ⅱ, 等离子波导和谐振环部分Ⅲ。等离子波导端口1和端口2分别作为信号输入和输出端口。
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图 1 等离子波导和谐振环结构平面图 Figure 1 Plane structure of plasma waveguide and vibrating ring |
能量转换部分是共面波导(coplanar waveguide, CPW), 亦是能够传输准横电磁波(QTEM)模式的导波。共面波导的阻抗匹配由端口的参数决定, 波导端口的宽度w为100 μm, 端口处的狭缝宽度g为9.4 μm, 石英衬底的介电常数ε为3.75, 这样的参数设定满足端口50 Ω的阻抗匹配。模式转换和能量匹配部分是一个转换器, 将QTEM模式的导波转换为伪表面等离子体波模式。之前的研究发现, 如果CPW和等离子体波导直接相连, 而省略渐变结构部分, 会出现能量不匹配的现象。所以引入了一种渐变结构, 从而达到阻抗匹配。这种渐变结构来自Vivaldi天线方程y=C1exp(αx)+C2, 其中C1、C2为常数, α=2。在一定范围内, α的值越大, 渐变的曲率越大。经过多次的仿真模拟后, 我们选择了最佳的α值。等离子波导和谐振环部分, 这里波导作为一条传输线, 支持伪等离子体波的传播。波导和谐振环之间的间隙为g, 沟槽的宽度和周期分别表示为a=0.5p, p=2πR/N, 其中N为谐振环沟槽的总数目(N=20)。谐振环和波导的沟槽a≪λ(λ为自由空间的波长)。波导的高度为h, 谐振环的外径R=1 200 μm, 内径r=600 μm, 图中表示的其他数值:h1=500 μm, h2=450 μm, p=380 μm。设定这些数值是为了确保仿真在所需频段。
所设计的传感器芯片用CST微波工作室软件仿真。边界条件x, y, z设置为开放(open), 模拟波在自由空间中传播。选择金作为表面层金属材料, 因为金的损耗小, 在可见光范围内是一种理想的电导体。选择石英作为基底材料, 因为石英的正切损耗很小, 仅为tanδ=0.000 4。金层的厚度为0.5 μm, 通过传统的光刻镀膜工艺附在石英表面。为了减少损耗, 我们还可以选用其他一些性能优良的低损介质, 例如砷化镓和蓝宝石, 本文最终选用厚度为200 μm的石英作为基底。
1.2 仿真结果分析仿真所得的传输系数(S21参数)如图 2所示, 实线曲线表示等离子体波导和谐振环相互耦合作用所得的S21参数, 虚线曲线表示无谐振环时, 仅等离子体波导作为宽带传输的S21参数。有了谐振环和等离子体波导相互耦合, 会产生6个明显的谐振谷。通过无数次的仿真验证, 在一定范围内, 当谐振环越贴近等离子体波导时, 相互耦合作用产生的谐振谷越明显。本文中谐振环与等离子体波导的距离为9.4 μm。
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图 2 传输系数S21参数 Figure 2 Transmission coefficient S21 parameter |
不同谐振谷对应不同的模式, 如图 3(a)~(f)所示。图 3(a)~(f)是将电场监视器设置在距x-y平面上0.1 mm处。图 2中的谐振谷1~6对应图 3(a)~(f)的共振模式, 从图 3可以清楚看到谐振谷3~5对应的波导端口2处无信号传输。等离子体波导和谐振环的漕深是经过精心设计的, 目的是为了让等离子体波导的截止频率大于谐振环的截止频率, 确保所有的谐振谷都在通带范围内。品质因素Q计算公式为
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(1) |
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图 3 距x-y平面上0.1 mm处z方向的电场分布图 Figure 3 The electrical field distribution of z in the direction of 0.1 mm from the x-y plane |
式中:f0是共振频率; f1和f2对应于3 dB带宽。仿真中谐振谷3~5十分明显, 具有高Q值。这些谐振谷的Q值分别为44.6、268.3、215.8。传感器的高Q值对生物传感来说是极佳的, 因为当Q值越高时, 生物材料的种类或材料性质发生改变时, 共振峰将会发生更大的偏移, 更加便于观察, 效果更加明显。
2 实验结果实验中, 我们采用15 mm×15 mm的石英基底, 传感器芯片的成品图如图 4所示, 图 4为成品的细节图。传输系数S21由频段50~75 GHz的安捷伦矢量网络分析仪(N5245A)测量, 将探针的引脚分别置于端口1和端口2处, 得到实验数据。将仿真和实验结果进行对比, 如图 5所示:仿真中谐振谷3~5分别出现在53.8 GHz、59.0 GHz、64.6 GHz处, 而在实验中谐振谷3~5分别出现在53.7 GHz、59.2 GHz、63.2 GHz处; 传输系数S21参数在仿真中可以分别达到-28.6 dB、-52.1 dB、-21.3 dB, 而在实验中可以达到-28.6 dB, -39.8 dB, -18.1 dB。仿真和实验值出现的偏差可由加工和测量时的误差引起。由于谐振环的存在, 接受信号的传输受到谐振环与等离子体波导间耦合和共振的影响, 虽然波导端口有能量匹配部分, 但是仿真和实验的传输系数S21参数仍然低于-5 dB。
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图 4 传感器芯片成品图 Figure 4 Sensor chip |
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图 5 S21参数仿真和实验对比图 Figure 5 S21 parameter simulation and experimental contrast chart |
本文研究一种人工复合超材料的、基于等离子体波导和谐振环的多通道传感器。利用三维全波仿真软件CST Microwave Studio和安捷伦矢量网络分析仪(N5245A)对其传输和传感特性进行仿真和实验, 并作出了详细的分析与测量。我们在石英基底上设计了一种共面波导和谐振环结构的传感器芯片。由于改变谐振环沟槽内的物质(填充物不同折射率不同)能使谐振环与等离子体波导间的共振频率产生漂移, 因此可以根据不同物质谐振谷的共振频率不同来鉴别待测物质。当传感器Q值越高时, 待测物质的共振峰将会产生更大的偏移, 因此传感器也将更加灵敏, 效果也更好。由于实验制成的传感器轻巧且易于集成, 方便携带和检测, 可以投入实际应用中, 对生物检测领域的发展有一定的促进作用。
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