【摘要】：高靈敏度微波集成傳感器的研究具有重要經(jīng)濟(jì)和社會意義,基于超構(gòu)材料能夠?qū)崿F(xiàn)靈敏度更高、尺寸更小巧的平面集成微波器件。本論文圍繞超構(gòu)材料高靈敏度平面集成微波微流體傳感器展開研究,主要研究內(nèi)容及成果概括如下:第一,提出了一種結(jié)合1/4�；刹▽�(dǎo)(Substrate Integrated Waveguide,SIW)和互補(bǔ)開口諧振環(huán)(Complement Split-Ring Resonator,CSRR)結(jié)構(gòu)的無源微流體微波傳感器,在提升器件品質(zhì)因數(shù)(Quality factor,Q)的同時將其電尺寸減少1/3,實現(xiàn)了小尺寸高靈敏度的微流體微波傳感器設(shè)計。第二,設(shè)計了一種基于開縫刻槽金屬環(huán)的有源放大諧振器,通過引入低噪放芯片(Low Noise Amplifier,LNA)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)損耗極大提升了其品質(zhì)因數(shù),首次實現(xiàn)了人工表面等離激元(Localized Surface Plasmons,LSP)放大并闡述了其工作機(jī)理。第三,提出了一種基于有源人工LSP的微波傳感器,通過在45°開縫處引入LNA芯片補(bǔ)償結(jié)構(gòu)本身以及高損耗待測溶液帶來的損耗,其品質(zhì)因數(shù)提升了近2000倍,實驗驗證了其高靈敏度。第四,設(shè)計了一種基于耦合臂放大人工LSP的微流體葡萄糖溶液傳感器,通過在刻槽環(huán)附近引入加載放大芯片的耦合臂,在不改變其諧振模式的情況下,實現(xiàn)了極高靈敏度和分辨率的葡萄糖溶液傳感器。第五,設(shè)計了一套基于有源人工LSP傳感器的葡萄糖溶液濃度檢測系統(tǒng),實現(xiàn)了從射頻源到檢波分析的一體化系統(tǒng)原型。
【圖文】：

表示傳感器最小相對介電常數(shù)變化時的頻率偏移量（大多數(shù)情況下，高分辨率意味著高靈敏度）。圖1.1 中我們總結(jié)了不同微波傳感器的品質(zhì)因數(shù)與其對應(yīng)的測量靈敏度，主要包括以下三種：（1）微波諧振腔[15-17]，（2）基于相消原理（Destructive Interference, DI）的平面電路微波傳感器[18-22]，（3）平面集成的諧振式微波傳感器[23-26]。為了便于比較，我們將文中給出的能夠準(zhǔn)確測量的最小溶液濃度變化統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為此時對應(yīng)的最小相對介電常數(shù)變化 Δr（Δr越小說明其靈敏度越高）。圖 1.1 近年來不同微波傳感器的品質(zhì)因數(shù)（Q）與其對應(yīng)的測量靈敏度觀察圖一可以看到檢測效果比較好的是微波諧振腔和基于相消原理的平面電路，他們的 Q 值一般在 102~103量級，最好的基于相消原理的平面電路傳感器可以達(dá)到 105量級[22]，擁有相對較高的分辨率。然而微波諧振腔體積大而且重，，不利于

圖 1.2 微帶線激勵 SRR 的超構(gòu)材料生物傳感器[36]；（a）加工樣品及細(xì)節(jié)；（b）不同生物分子對應(yīng)諧振頻率變化2010 年賀訓(xùn)軍教授等人提出一種 SRR 開口尖端化的新型微波傳感器[38]，如圖1.3（b）中插圖所示。相比普通 SRR，SRR 開口處做尖端處理可以大大提升傳感器的諧振強(qiáng)度和靈敏度，作者通過多組不同實驗樣品比較兩者傳感差異，實驗證明了尖端開口 SRR 具有高靈敏度的優(yōu)良特性，如圖 1.3（b）所示。隨后，W. W 等人也
【學(xué)位授予單位】：上海大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TB34;TP212

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本文編號：2641616