一种介电常数测量装置及方法

测量装置的制造及其应用技术1.本技术属于太赫兹技术领域，尤其涉及一种介电常数测量装置及方法。背景技术：2.人工表面等离激元是一种沿着金属和介质表面传播并在与波垂直方向上呈指数衰减的被严格束缚在器件表面的电磁波。为了将表面等离激元的概念推广至低频段(如微波、太赫兹波段)，实现表面电磁波在微波和太赫兹频段下的高约束性传播，可以通过在金属表面挖孔或者刻槽的方式，得到人工表面等离子体，其优势在于，通过简易地改变亚波长金属结构的几何参数，可控制电磁波传播。3.太赫兹波通常指频率位于0.1thz至10thz之间的电磁辐射，长期以来受到缺乏有效的太赫兹产生源及探测手段的限制，这一波段也被称为太赫兹间隙。目前，人工等离子体在太赫兹介电传感方面的应用还没有得到充分的探索与发展。4.在太赫兹频段内，现有的基于人工表面等离激元介电传感器的结构一般是非平面的，导致诸如人工表面等离激元波导与矢量网络分析仪集成得到的系统紧凑度不高。技术实现要素：5.本技术实施例提供了一种介电常数测量装置及方法，该介电常数测量装置通过改变波导介电传感器的中心单元的尺寸，将该波导的功能由传输变为传感，该介电测量方法根据待测样品的谐振峰中心频率偏移量，计算出了该待测样品的介电常数，解决了对微量小样品的介电常数进行简便快捷测量的问题。6.第一方面，提供了一种介电常数测量装置的结构，包括：波导介电传感器，所述波导介电传感器包括第一端口和第二端口、位于所述第一端口侧的第一过渡区域、位于所述第二端口侧的第二过渡区域、中心单元区域、位于所述第一端口和所述第一过渡区域之间的第一传输区域、位于所述第二端口和所述第二过渡区域之间的第二传输区域；矢量网络分析仪，所述矢量网络分析仪包括第三端口和第四端口，所述波导介电传感器的第一端口和所述矢量网络分析仪的第三端口连接，所述波导介电传感器的第二端口和矢量网络分析仪的第四端口连接。7.结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述第一过渡区域和所述第二过渡区域相对于所述波导介电传感器的中心位置对称，所述中心单元区域位于所述波导介电传感器的中心区域，所述第一过渡区域和所述第二过渡区域和所述中心单元区域分别包括多个金属栅格，位于所述中心位置的所述金属栅格的长度大于其他所述金属栅格的长度；位于所述第一过渡区域的所述金属栅格的长度沿从所述中心位置指向所述第一端口的方向均匀变小，位于所述第二过渡区域的所述金属栅格的长度沿从所述中心位置指向所述第二端口的方向均匀变小。8.结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，位于所述中心位置的所述金属栅格的长度设置为大于150微米且小于300微米的任一长度。9.结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，位于所述第一传输区域和所述第二传输区域的所述金属栅格，以及位于所述中心单元区域中除所述中心位置之外其他的所述金属栅格的长度设置为大于0微米且小于100微米的任一长度。10.结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，位于所述第一过渡区域的金属栅格的长度沿从所述中心位置指向所述第一端口的方向均匀变小，直至所述金属栅格的长度达到第一阈值；以及，位于所述第二过渡区域的金属栅格的长度沿从所述中心位置指向所述第二端口的方向均匀变小，直至所述金属栅格的长度达到所述第一阈值。11.结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述波导介电传感器包括基底，所述基底上表面具有沿所述波导介电传感器长度方向周期性分布金属栅格阵列，所述金属栅格阵列包括多个所述金属栅格，所述金属栅格之间具有一维沟槽结构。12.结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述波导介电传感器的所述基底的材料为硅和/或蓝宝石。13.结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述金属栅格的材料为金和/或铜。14.结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述波导介电传感器的第一端口和所述矢量网络分析仪的第三端口连接，所述波导介电传感器的第二端口和矢量网络分析仪的第四端口连接。15.第二方面，提供了一种介电常数测量方法，应用于介电常数测量装置，所述介电常数测量装置包括波导介电传感器和矢量网络分析仪，所述方法包括：将待测样品放置于波导介电传感器中心单元区域；通过所述波导介电传感器的第一端口接收矢量网络分析仪第三端口馈入的横电磁波信号；所述波导介电传感器的第二端口输出横磁波信号至所述矢量网络分析仪的第四端口；获取所述待测样品对应的谐振曲线，所述谐振曲线的传输效率达到最小值时对应的频率为谐振峰的中心频率，所述谐振峰的中心频率与待测样品的介电常数一一对应；根据所述待测样品的谐振峰和预设的标准样品的谐振峰，获取所述待测样品的介电常数。16.结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，对所述的预设的多个标准样品的介电常数及谐振峰中心频率进行测量，得出当所述的多个标准样品的介电常数发生改变时的多个所述谐振峰中心频率，所述谐振峰中心频率与所述标准样品的介电常数具有一一对应关系；由所述对应关系得出频率偏移规律；根据所述频率偏移规律及所述待测样品的谐振峰中心频率的数值，计算出所述待测样品的介电常数。附图说明17.图1是本技术实施例提供的一种介电常数测量装置的波导介电传感器的俯视结构图。18.图2是本技术实施例提供的一种介电常数测量装置的波导介电传感器的侧视结构图。19.图3是本技术实施例提供的一种介电常数测量装置的波导介电传感器的单个金属栅格各尺寸参数示意图。20.图4是本技术实施例提供的一种介电常数测量装置的波导介电传感器的中心单元的中心位置的金属栅格分别为80微米和300微米时的透射谱图。21.图5是本技术实施例提供的一种基于介电常数测量装置及方法测量样品的频率偏移量随折射率的变化率示意图。22.图6是本技术实施例提供的一种基于介电常数测量装置及方法的介电常数测量系统的工作流程示意图。23.图7是本技术实施例提供的一种基于介电常数测量装置及方法测量不同介电常数样品时的透射谱图。具体实施方式24.以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本技术实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本技术。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本技术的描述。25.应当理解，当在本技术说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。26.还应当理解，在本技术说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。27.如在本技术说明书和所附权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当...时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。[0028]另外，在本技术说明书和所附权利要求书的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。[0029]在本技术说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本技术的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。[0030]下面结合附图进一步阐明本发明，应理解，此处描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本技术所附权利要求所限定的范围。[0031]结合背景技术中介绍，除了非平面的人工表面等离激元介电传感器之外，目前也存在基于人工表面等离激元介电传感器平面结构，如超材料谐振环。然而，这类平面结构的等离激元介电传感器的输入信号是基于自由空间中准光学系统激发出的太赫兹光，该过程需要太赫兹时域光谱仪等复杂精密仪器，以及稳定的环境条件，如惰性气体、温度、湿度等，因而利用平面结构的等离激元介电传感器对太赫兹频段介电材料的传感测定方法较为繁琐。[0032]针对上述问题，本发明提供了一种介电常数测量装置及方法，该方法通过改变波导介电传感器的金属单元的几何参数，测量不同样品的谐振峰曲线，通过谐振峰曲线采集不同材料的谐振峰中心频率的信息，实现波导的介电传感的功能，在此基础上，通过集成该波导介电传感器与矢量网络分析仪，能够在结构改进后，复用人工等离激元波导介电传感器的结构，简单高效地实现对微量小样品的介电常数进行测量。[0033]示例性的，如图1所示，为本技术实施例提供的一种波导介电传感器100的俯视结构示意图。[0034]其中，该波导介电传感器100可以是基于人工表面等离激元波导。[0035]在一些实施例中，波导介电传感器100包括第一共面波导区域102和第二共面波导区域108、第一过渡区域103和第二过渡区域107、第一传输区域104和第二传输区域106、中心单元区域105、基底200。其中，共面波导区域102上设置有指向波导中心方向的金属线状沟槽，第一过渡区域103和第二过渡区域107、第一传输区域104和第二传输区域106、中心单元区域105上设置有金属栅格110。金属栅格110包括多个金属单元111，这些金属单元111沿波导长度方向的中轴线周期性排列，设置于第一过渡区域103和第二过渡区域107的多个金属单元111在指向波导中心方向上的长度依次变大，设置于第一传输区域104和第二传输区域106的多个金属单元111的长度保持不变，设置于中心单元区域105的中心位置的金属栅格112长度大于位于中心单元区域105的其他金属单元111的长度。为了与矢量网络分析仪的工作范围适配，位于中心单元区域105内中心位置的金属单元112的长度hl范围例如可以设置为150微米至300微米。位于第一传输区域104和第二传输区域106及中心单元区域105内的金属单元的长度可以决定器件的工作频率，长度越小，工作频率越高，因而可以通过改变位于第一传输区域104和第二传输区域106和中心单元区域105的金属单元111(除中心单元区域中心位置的金属单元112)的长度来控制整个器件的工作频率，在实际应用中，这些金属单元111的长度范围可以根据需要设置，示例性的，这些金属单元111的长度例如可以设置为大于0微米且小于100微米的任一长度。[0036]示例性的，如图1所示，金属栅格阵列可以包括n个(n为大于1的奇数)金属栅格，比如，金属栅格数量可以为41个，但本技术实施例对此不做限定。[0037]与现有设计不同的是，位于中心单元区域105中心位置的金属单元112的长度hl大于位于中心单元区域105其他金属单元111的长度。通过将金属单元112的长度hl设置为大于其他金属单元111的长度，使传播的电磁波的动量不匹配，从而电磁波被局域限制在中心单元区域，谐振曲线产生了谐振峰，能够使得该波导功能由电磁波传输改变为电磁波传感，进而实现对材料介电常数的测量功能。[0038]示例性的，如图2所示，为本技术实施例提供的一种波导介电传感器100的侧视结构示意图。[0039]在一些实施例中，波导介电传感器100的基底上表面具有沿波导介电传感器长度方向周期性分布的金属栅格阵列，该金属栅格阵列包括多个金属栅格，该金属栅格具有一维沟槽结构。[0040]在一些实施例中，可以通过集成电路的光刻工艺或者增材制造对金属层加工，例如对第一共面波导区域102和第二共面波导区域108上覆盖的金属层进行光刻工艺或者增材制造工艺，使第一共面波导区域102和第二共面波导区域108具有指向波导介电传感器中心方向的金属线状沟槽结构；又例如对第一过渡区域103和第二过渡区域107、第一传输区域104和第二传输区域106、中心单元区域105上覆盖的金属层进行光刻工艺或者增材制造工艺，使该过渡区域103和第二过渡区域107、传输区域104和第二传输区域106、中心单元区域105具有一维沟槽结构，该一维沟槽结构的金属栅格列阵沿基底的宽度方向及长度方向均呈对称结构。覆盖于波导基底表面的金属层的材料可以是金、铜等导电率较高、损耗较低的金属材料。基底的材料可以是半导体工艺的衬底材料，例如是硅、蓝宝石等。金属层及基底的厚度在达到微米以下量级的前提下，且在工艺允许的条件下，厚度尽可能薄，该厚度可以设置为0.2微米以下的任一长度，比如金属层的厚度可以设置为0.2微米，基底的厚度可以设置为0.2微米，但本技术实施例对此不做限定。[0041]为了更好地说明本技术实施例提供的波导的介电传感功能，以下以一种具体的波导介电传感器结构为例，对波导的介电传感功能实现原理进行介绍。[0042]示例性的，在一种可能实现方式中，波导介电传感器的基底材料可以采用硅，金属层材料可以采用金。示例性的，如图3所示，波导介电传感器中金属栅格阵列的排列周期p例如可以为100微米，单个金属栅格的槽宽a可以为35微米，单个金属栅格中的横条带的宽度g可以为25微米。位于第一传输区域104和第二传输区域106的金属栅格，以及位于中心单元区域105中除中心位置之外的其他的金属栅格长度h可以为80微米，位于中心单元区域105内中心位置处的金属栅格的长度hl可以设置为300微米，位于第一过渡区域103和第二过渡区域107的金属栅格纵向长度从波导中心分别向该波导的第一端口101和第二端口109的方向均匀变小，该第一过渡区域103和第二过渡区域107的金属栅格数量各可以设置为8个，金属栅格的长度h分别从该波导中心位置指向该波导的第一端口101以及该波导的第二端口109的方向均匀变小，由80微米开始均匀变化，每次减少10微米的长度，直至该波导介电传感器的金属栅格的长度h达到10微米。[0043]为了更加清楚地理解通过增大波导中心单元区域中心位置的金属栅格长度，能够测量材料介电常数的可行性及效果。图4展示了本技术提供的一种波导介电传感器的中心单元区域105的中心位置的金属栅格分别为80微米和300微米时的透射谱图。[0044]结合图4所示，当中心单元区域105的中心位置的金属栅格112的长度为80微米时，传输系数在频率范围0thz-0.25thz内没有明显波动，谐振曲线呈现为一条沿水平方向平缓的线，没有明显谐振峰产生。当中心单元区域105的中心位置的金属栅格112长度为300微米时，由于该金属栅格长度大于其他的位于该中心单元区域的金属栅格长度，使传输的电磁波的动量不匹配，从而电磁波被局域限制在中心单元区域，谐振曲线在0.15thz-0.20thz内出现明显波动，该谐振曲线在频率为0.175thz时，传输效率达到最值，说明谐振曲线产生了谐振峰，由此可得出谐振峰的中心频率，说明此时该人工表面等离激元的功能由传输变为了传感，实现了介电传感功能，为测量介电材料的介电常数方法提供了器件基础。[0045]现有的人工表面等离激元大部分结构尺寸较大，在使用中受到诸多限制，与现有技术相比，本发明提供的人工表面等离激元波导由于对该波导介电传感器的中心单元区域105的中心位置金属栅格112长度进行改变，使该波导具有了传感功能，相比于需要精密仪器的介电传感测量方法，本技术实施例提供的介电常数测量方法所需的仪器结构较简单，对环境条件要求不严苛，在上述条件下可实现传感的功能，具有便携、重量轻、易集成、灵敏度高等优点，图5展示了本实施例中的波导介电传感器测量的灵敏度，由图5计算谐振频率—折射率曲线的斜率可知，该波导介电传感器的灵敏度达到了27.4mhz/riu。[0046]在一些实施例中，本技术实施例提供了一种介电常数测量方法，以下结合附图，对本技术实施例提供的介电测量方法进行具体介绍。[0047]图6示出了本技术实施例提供的一种介电常数测量装置及方法的介电常数测量系统的工作流程示意图，所述介电常数测量装置包括波导介电传感器和矢量网络分析仪，所述矢量网络分析仪具有二端口网络，包括第三端口201和第四端口202，激励电磁波信号通过同轴电缆从所述的矢量网络分析仪的第三端口201输出，激励电磁波信号从所述的波导介电传感器101的第一端口馈入，经由所述的波导介电传感器后，信号从波导的第二端口109输出，通过同轴电缆将信号传输至矢量网络分析仪的第四端口202。示例性的，在一些实施例中，矢量网络分析仪激励出横电磁波，由波导介电传感器的第一端口101馈入该波导介电传感器的第一共面波导区域102，经过第一过渡区域103，该横电磁波转换为横磁波，由于表面等离激元沿着金属与介质表面传播，且在与波传播垂直的方向上呈指数衰减，因此电磁波以表面波的形式被严格束缚在金属栅格上，经由第一传输区域104进行传播，在中心单元区域105引入长度不同的金属栅格112，导致所传播的电磁波动量产生不匹配，从而电磁波被局域限制在中心单元区域，在谐振曲线上表现为出现谐振峰，通过谐振峰曲线可采集不同样品的谐振峰中心频率的信息，因此该波导介电传感器由传输功能转换为传感功能。该介电常数测量装置包括矢量网络分析仪和波导介电传感器，矢量网络分析仪具有二端口网络结构，表现为有两个对称的端口，记作第三端口201和第四端口202，每个端口既可以激励信号，也可以接受信号，由于矢量网络分析仪的二端口网络特性，与其集成的波导介电传感器的结构也呈对称结构，波导介电传感器的两个端口记作第一端口101和第二端口109。测量介电常数时，通过矢量网络分析仪的第三端口201激励出电磁波，由波导介电传感器的第一端口101馈入，经过该波导介电传感器后，由该波导介电传感器第二端口109流出至矢量网络分析仪的第四端口202，矢量网络分析仪接收信号，得出传输系数。由于矢量网络分析仪的二端口网络结构，系统具有对称性，因此通过矢量网络分析仪的第二端口202激励出电磁波时，经过波导介电传感器后，该矢量网络分析仪的第三端口201接收信号，也可得出传输系数。现有技术中，对于介电常数的测量中应用的太赫兹介电传感器，虽然具有平面几何结构，如超材料谐振环，但是其输入信号是基于自由空间中准光学系统激发出的太赫兹光，需要复杂精密仪器，如太赫兹时域光谱仪，测定过程繁琐，且该过程需要稳定的环境条件，如惰性气体、温度、湿度等。本技术的介电常数测量系统主要仪器的结构较简单，对环境条件要求不高，且矢量网络分析仪有较为成熟的仪器平台，可方便、快捷地对样品介电常数进行测量。[0048]图7展示了当波导介电传感器搭载不同介电常数的样品时，谐振曲线的谐振峰偏移情况。当波导介电传感器未搭载样品时，介电常数为1，可得到谐振频率为0.173thz，当波导介电传感器搭载介电常数2至7的样品时，谐振曲线会随着所测样品的介电常数的增大而红移。因此，对已知介电常数的样品进行测量，可得到其对应的谐振峰中心频率，由此得到谐振峰频率偏移的规律，对未知介电常数的样品，可通过其谐振峰中心频率的位置，结合已知介电常数样品的谐振峰中心频率计算出频率偏移量，可得出频率偏移的规律，通过矢量网络分析仪计算出介电常数，实现了对介电常数测量的功能。[0049]进一步的，与现有技术相比，由于本技术提供的一种介电常数测量装置中的波导介电传感器呈平面化，且尺寸小，因此，可对尺寸为微米级别样品的介电常数进行测量。测量样品的介电常数时，对于小体积的固体样品，对其进行压片处理，将薄片置于本技术所述的波导介电传感器的中心单元区域105；对于液体样品，优选的，用水凝胶进行固定处理后置于所述的波导介电传感器的中心单元区域105；通过所述波导介电传感器的第一端口接收矢量网络分析仪第三端口馈入的横电磁波信号；所述波导介电传感器的第二端口输出横磁波信号至所述矢量网络分析仪的第四端口；获取所述待测样品对应的谐振曲线，所述谐振曲线的传输效率达到最小值时对应的频率为谐振峰的中心频率，所述谐振峰的中心频率与待测样品的介电常数一一对应；根据所述待测样品的谐振峰和预设的标准样品的谐振峰，获取所述待测样品的介电常数。对所述的预设的多个标准样品的介电常数及谐振峰中心频率进行测量，得出当所述的多个标准样品的介电常数发生改变时的多个所述谐振峰中心频率，所述谐振峰中心频率与所述标准样品的介电常数具有一一对应关系；由所述对应关系得出频率偏移规律；根据所述频率偏移规律及所述待测样品的谐振峰中心频率的数值，计算出所述待测样品的介电常数。[0050]进一步的，与现有技术相比，由于电磁波被严格束缚在金属栅格上，结合本技术提供的介电传感器平面化的特点，可将所述介电传感器与太赫兹系统或电路高度集成，使整体介电测量系统具有便携、重量轻、易集成的优点。[0051]进一步的，本技术提供的一种介电常数测量装置及方法的工作频率可通过改变波导中的金属层中心单元金属栅格的几何参数进行控制，设计方便、灵活，本发明与现有技术相比，通过改变金属层的金属单元尺寸可对微波、毫米波、太赫兹波的人工表面等离激元电磁波进行传输，拓展了人工表面等离子器件的应用范围，具有很好的技术前瞻性。[0052]所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。[0053]以上所述实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本技术的保护范围之内。









图片声明：本站部分配图来自人工智能系统AI生成,觅知网授权图片,PxHere摄影无版权图库。本站只作为美观性配图使用,无任何非法侵犯第三方意图,一切解释权归图片著作权方,本站不承担任何责任。如有恶意碰瓷者,必当奉陪到底严惩不贷!




内容声明：本文中引用的各种信息及资料（包括但不限于文字、数据、图表及超链接等）均来源于该信息及资料的相关主体（包括但不限于公司、媒体、协会等机构）的官方网站或公开发表的信息。部分内容参考包括:(百度百科,百度知道,头条百科,中国民法典,刑法,牛津词典,新华词典,汉语词典,国家院校,科普平台)等数据,内容仅供参考使用,不准确地方联系删除处理！本站为非盈利性质站点,发布内容不收取任何费用也不接任何广告!




免责声明：我们致力于保护作者版权，注重分享，被刊用文章因无法核实真实出处，未能及时与作者取得联系，或有版权异议的，请联系管理员，我们会立即处理，本文部分文字与图片资源来自于网络，部分文章是来自自研大数据AI进行生成,内容摘自(百度百科,百度知道,头条百科,中国民法典,刑法,牛津词典,新华词典,汉语词典,国家院校,科普平台)等数据,内容仅供学习参考,不准确地方联系删除处理!的,若有来源标注错误或侵犯了您的合法权益，请立即通知我们，情况属实，我们会第一时间予以删除，并同时向您表示歉意,谢谢!