高Q值表面等离子体传感器研究

摘要：设计了高Q值表面等离子体传感器，传感器芯片的基底为200 μm厚的石英材料，上层为复合结构金属层。为保证高效传输，它的等离子体波导由共面波导结构（coplanar waveguide，CPW）过渡引出，经由表面等离子体传输线传输至谐振环，从而共振模式可以由等离子体波导和谐振环的相互耦合共振产生。通过仿真，对不同模式下的电场分布图对应谐振环的闭合状态进行研究，在传输系数S21图上得到6个明显的谐振谷，其中有3个谷的Q值十分高，这6个谐振谷的Q值范围为44.6～268.3。

关键词：

等离子体波导； 谐振环； 传感器

中图分类号： TN 29文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2017.06.009

Abstract：

In this paper，a high Q surface plasmon sensor is designed.The substrate of this sensor chip is 200 μm thick quartz material，and the upper layer is a composite metal layer.In order to ensure the efficient transmission，its plasma waveguide consists of coplanar waveguide（CPW） structure transition leads，via surface plasmon transmission to the resonant ring.Thus，resonance modes can be generated by a plasma waveguide coupling resonant ring.In this paper，the closed state of the corresponding resonant ring is explained theoretically by the simulation of the electrical field distribution under different modes.On the transmission coefficient S21 diagram，six distinct resonance valleys can be observed，of which three valleys have very high Q values，and the Q values of the six resonance valleys range from 44.6 to 268.3.

Keywords：

plasmon waveguide； resonator； sensor

引言

近年來，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[15]，促进了对高Q值传感器的研究[69]，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[1014]。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

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aλ（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。

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xy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

Q=f0/（f2-f1）

（1）

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。

3结论

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。

参考文献：

[1]许景周，张希成.太赫兹科学技术和应用[M].北京大学出版社，2007：112.

[2]牧凯军，张振伟，张存林.太赫兹科学与技术[J].中国电子科学研究院学报，2009，4（3）：221230.

[3]赵国忠.太赫兹科学技术研究的新进展[J].国外电子测量技术，2014，33（2）：16.

[4]MA Y，CHEN Q，GRANT J，et al.A terahertz polarization insensitive dual band metamaterial absorber[J].Optics Letters，2011，36（6）：945.

[5]刘盛纲，钟任斌.太赫兹科学技术及其应用的新发展[J].电子科技大学学报，2009，38（5）：481486.

[6]王蓬，李宝毅，赵亚丽.超材料技术的研究进展[J].工业技术，2014，12（21）：9899.

[7]武立华，王政平，张振辉，等.异向介质材料的非线性研究进展[J].物理学进展，2008，28（3）：274279.

[8]余观夏.新型人工电磁材料的电磁特性理论研究[D].南京：东南大学，2009.

[9]SHALAEVE V M，CAI W，CHETTIAR U K，et al.Negative index of refraction in optical metamaterials[J].Optics Letters，2005，30（24）：33563358.

[10]ELEFTHERIADES G V，IYER A K，KREMER P C.Planar negative refractive index media using periodically LC loaded transmission lines[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2002，50（12）：27022712.

[11]PODOLISIY V A，SARYCHEV A K，SHALAEV V M.Plasmon modes in metal nanowires and lefthanded materials[J].Journal of Nonlinear Optical Physics and Materials，2002，11（1）：6574.

[12]ZHANG S，FAN W J，MINHAS B K，et al.Midinfrared resonant magnetic nanostructures exhibiting a negative permeability[J].Physical Review Letters，2005，94（3）：037402.

[13]YEN T J，PADILLA W J，FANG N，et al.Terahertz magnetic response from artificial materials[J].Science，2004，303（5663）：14941496.

[14]PHILIPP M，GRAF U U，WAGNERGENTNER A，et al.Compact 1.9 THz BWO localoscillator for the great heterodyne receiver[J].Infrared Physics & Technology，2007，51（1）：5459.

[15]LINDEN S，ENKRICH C，WEGENER M，et al.Magnetic response of metamaterials at 100 terahertz[J].Science，2004，306（5700）：13511353.

（編辑：刘铁英）