一种基于二氧化钒与tpu的超材料传感器件
技术领域
1.本发明涉及超材料传感技术领域，特别是涉及一种基于二氧化钒与tpu的超材料传感器件。
背景技术：2.超材料是指一种新型的亚波长人工复合结构或者复合材料，拥有负折射率，逆多普勒效应等自然界天然材料所不存在的物理特性。在多年的超材料研究中开发了多种应用领域，其中超材料传感结构作为超材料研究的一个重要应用，并引起了科研人员的广泛关注。目前，研究人员已经提出很多超材料传感结构，诸如压力敏感单元结构和化学生物敏感单元结构，但是这些传感单元结构的灵敏度、分辨率往往限制在较低水平。同时，现有的超材料传感结构一般仅能实现单一的传感功能，无法集成两个及以上的传感功能。
技术实现要素：3.本发明的目的是提供一种基于二氧化钒与tpu的超材料传感器件，该器件基于多层叠结构的设计，具有高q值，灵敏度高，可调谐，厚度薄等特性。此外，该结构可以同时实现拉力与温度的传感。
4.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
5.一种基于二氧化钒与tpu的超材料传感器件，至少包括一个超材料传感单元；所述超材料传感单元包括金属薄膜、设置在所述金属薄膜上的第一介质基板、设置在所述第一介质基板上的第二介质基板以及设置在所述第二介质基板上的金属谐振结构；所述金属谐振结构包括同心的外部谐振环和内部谐振扇环，且所述内部谐振扇环设置在所述外部谐振环的内部；所述内部谐振扇环包括多个且按照等间距环形排列的谐振块；所述外部谐振环的内壁上开设有多个且按照等间距排列的微型凹槽；所述外部谐振环和所述内部谐振扇环构成完整的谐振环；所述第一介质基板的材料为二氧化钒；所述第二介质基板的材料为tpu。
6.可选地，所述外部谐振环的开口方向与所述内部谐振扇环的开口方向相同；其中，相邻两个所述谐振块之间的空隙为所述内部谐振扇环的开口。
7.可选地，所述外部谐振环中的多个所述微型凹槽均为尺寸相同的矩形凹槽；所述内部谐振扇环中的多个所述谐振块均为尺寸相同的扇形块，且所述微型凹槽的个数与所述谐振块的个数相同。
8.可选地，多个所述微型凹槽呈中心对称且开口大小相同；多个所述谐振块呈中心对称。
9.可选地，第二微型凹槽是由第一个微型凹槽偏转45度得到的；第二谐振块是由第一个谐振块偏转45度得到的；
10.其中，所述第一微型凹槽和所述第二微型凹槽为相邻的微型凹槽；
11.所述第一谐振块和所述第二谐振块为相邻的谐振块。
12.可选地，所述金属薄膜、所述第一介质基板和所述第二介质基板均为正方形薄膜；所述金属薄膜的边长、所述第一介质基板的边长和所述第二介质基板的边长相同，所述第一介质基板的厚度和所述第二介质基板的厚度相同。
13.可选地，当所述超材料传感单元的数量为多个时，所述超材料传感单元呈连续周期排列。
14.可选地，所述第一介质基板的介电常数为12；在常温绝缘态下所述第一介质基板的电导率为200s/m，并当温度达到二氧化钒相变温度时所述第一介质基板的电导率为2
×
105s/m。
15.可选地，所述第二介质基板的介电常数为5，所述第二介质基板的损耗角正切值为0.06。
16.可选地，所述金属薄膜的材料为金属铜。
17.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
18.1)本发明提供了一种基于二氧化钒与tpu的超材料传感器件，该器件基于多层叠结构的设计，对0n-7n的横向拉力敏感，能够在0.56thz到0.60thz的频段内产生明显谐振频率改变，具有显著拉力传感效果。
19.2)本发明提供了一种基于二氧化钒与tpu的超材料传感器件，该器件基于二氧化钒的不同温度相变特性，对25℃-68℃的环境温度敏感，能够在0.51thz到0.57thz的频段内产生明显谐振频率改变，具有温度传感效果。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1为本发明实施例超材料传感单元的三维结构示意图；
22.图2为本发明实施例超材料传感单元的俯视图；
23.图3为本发明实施例超材料传感单元的侧视图；
24.图4为本发明实施例在不同横向拉力下吸收率仿真结果图；
25.图5为本发明实施例分别在常温下与温度达到二氧化钒相变情况下的吸收率仿真结果图。
具体实施方式
26.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
27.本发明的目的是提供一种基于二氧化钒与tpu的超材料传感器件，该器件基于多层叠结构的设计，具有高q值，灵敏度高，厚度薄等特性，并可以同时实现拉力与温度的传感。
28.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
29.本实施例提供的一种基于二氧化钒与tpu的超材料传感器件，包括多层介质基底，多个内外谐振单元呈连续周期排列；具体为：
30.该超材料传感器件至少包括一个如图1-3所示的超材料传感单元。且当所述超材料传感单元的数量为多个时，所述超材料传感单元呈连续周期排列。
31.所述超材料传感单元包括金属薄膜1、设置在所述金属薄膜上的第一介质基板2、设置在所述第一介质基板2上的第二介质基板3以及设置在所述第二介质基板3上的金属谐振结构；所述金属谐振结构包括同心的外部谐振环4和内部谐振扇环5，且所述内部谐振扇环5设置在所述外部谐振环4的内部；所述内部谐振扇环5包括多个且按照等间距环形排列的谐振块；所述外部谐振环4的内壁上开设有多个且按照等间距排列的微型凹槽，以使得所述外部谐振环4的内壁成齿轮状；所述第一介质基板2的材料为二氧化钒vo2；所述第二介质基板3的材料为tpu。
32.所述外部谐振环4的开口方向与所述内部谐振扇环5的开口方向相同，以使所述外部谐振环4与所述内部谐振扇环5开口相互重合，从而使所述外部谐振环4和所述内部谐振扇环5构成完整的谐振环；其中，相邻两个所述谐振块之间的空隙为所述内部谐振扇环5的开口。
33.所述外部谐振环4中的多个所述微型凹槽均为尺寸相同的矩形凹槽；所述内部谐振扇环5中的多个所述谐振块均为尺寸相同的扇形块，且所述微型凹槽的个数与所述谐振块的个数相同。优选地，所述微型凹槽的个数和所述谐振块的个数均为8个。
34.作为一种优选的实施方式，本实施例所述的多个微型凹槽呈中心对称且开口大小相同；多个所述谐振块呈中心对称。
35.进一步地，第二微型凹槽是由第一个微型凹槽偏转45度得到的；第二谐振块是由第一个谐振块偏转45度得到的；其中，所述第一微型凹槽和所述第二微型凹槽为相邻的微型凹槽；所述第一谐振块和所述第二谐振块为相邻的谐振块。
36.作为一种优选的实施方式，本实施例所述的第一介质基板2的介电常数为12；在常温绝缘态下所述第一介质基板2的电导率为200s/m，并当温度达到二氧化钒相变温度时所述第一介质基板2的电导率为2
×
105s/m。
37.所述第二介质基板3的介电常数为5，所述第二介质基板3的损耗角正切值为0.06。
38.作为一种优选的实施方式，本实施例所述的外部谐振环4、内部谐振扇环5、金属薄膜1的材料均为金属铜。所述金属薄膜1、所述第一介质基板2和所述第二介质基板3均为正方形薄膜，且所述金属薄膜1的边长、所述第一介质基板2的边长和所述第二介质基板3的边长相同。
39.所述第一介质基板2的厚度和所述第二介质基板3的厚度相同。所述外部谐振环4的厚度和所述内部谐振扇环5的厚度相同。
40.具体实施过程中，相应的结构设置包括：
41.外部谐振环4整体是一个环形结构且内有齿轮矩形开槽，外部谐振环4的外直径是r1，内直径是r2。内部齿轮矩形开槽宽度是a，长度是b。
42.内部谐振扇环5是由多个扇环结构呈中心对称排列组成，其中外直径长度为r3，内
直径为r4。结构中下一个扇环都是由上个扇环偏转45度得到。
43.金属铜膜1整体为正方形薄膜，边长为p，厚度为h1。
44.第一介质基板2整体为正方形薄膜，边长为p，厚度为h2。
45.第一介质基板3整体为正方形薄膜，边长为p，厚度为h3。
46.外部谐振环4、内部谐振扇环5整体厚度为h4。
47.在具体的应用中的设置：
48.超材料传感单元的周期尺寸为p＝80um，由金属薄膜1、第一介质基板2、第一介质基板3、外部谐振环4、内部谐振扇环5组成。外部谐振环4的尺寸a＝10um，b＝5um，r1＝38um，r2＝32um。内部谐振扇环5的尺寸为r3＝24um，r4＝18um。第一介质基板2的厚度为h2＝10um，第一介质基板3的厚度为h3＝10um。金属薄膜1的厚度为h1＝5um。外部谐振环4、内部谐振扇环5的材料是金属铜，电导率为5.8
×
107s/m，第一介质基板2的材料是二氧化钒vo2，介电常数为12，电导率为2
×
105s/m。第一介质基板3的材料是tpu，介电常数为5，损耗正切值为0.06，金属薄膜1以金属铜为材质。
49.图4为通过软件仿真在电磁波垂直入射下对超材料传感单元采用不同拉力情况下的吸收率仿真结果图。在0.5thz到0.65thz的范围内，在不同拉力作用下出现了谐振峰明显偏移，谐振点分别在0.6thz，0.592thz，0.586thz，0.58thz，0.573thz以及0.565thz处。在这些频点的吸收效率保持在0.90以上，最高的达到0.99以上，计算出q值高达67.5。
50.图5为超材料传感单元在不同温度下的吸收率仿真结构图。常温下二氧化钒vo2处于绝缘态，从图5中看出谐振点在0.49thz下吸收率达到0.93。当温度达到vo2相变情况下的68摄氏度为金属态，从图5中看出谐振点在0.57thz下吸收率达到0.93吸收率达到0.98，综合计算温度传感平均灵敏度可达0.54℃/ghz。
51.本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
技术特征：1.一种基于二氧化钒与tpu的超材料传感器件，其特征在于，至少包括一个超材料传感单元；所述超材料传感单元包括金属薄膜、设置在所述金属薄膜上的第一介质基板、设置在所述第一介质基板上的第二介质基板以及设置在所述第二介质基板上的金属谐振结构；所述金属谐振结构包括同心的外部谐振环和内部谐振扇环，且所述内部谐振扇环设置在所述外部谐振环的内部；所述内部谐振扇环包括多个且按照等间距环形排列的谐振块；所述外部谐振环的内壁上开设有多个且按照等间距排列的微型凹槽；所述外部谐振环和所述内部谐振扇环构成完整的谐振环；所述第一介质基板的材料为二氧化钒；所述第二介质基板的材料为tpu。2.根据权利要求1所述的一种基于二氧化钒与tpu的超材料传感器件，其特征在于，所述外部谐振环的开口方向与所述内部谐振扇环的开口方向相同；其中，相邻两个所述谐振块之间的空隙为所述内部谐振扇环的开口。3.根据权利要求1所述的一种基于二氧化钒与tpu的超材料传感器件，其特征在于，所述外部谐振环中的多个所述微型凹槽均为尺寸相同的矩形凹槽；所述内部谐振扇环中的多个所述谐振块均为尺寸相同的扇形块，且所述微型凹槽的个数与所述谐振块的个数相同。4.根据权利要求1所述的一种基于二氧化钒与tpu的超材料传感器件，其特征在于，多个所述微型凹槽呈中心对称且开口大小相同；多个所述谐振块呈中心对称。5.根据权利要求1所述的一种基于二氧化钒与tpu的超材料传感器件，其特征在于，第二微型凹槽是由第一个微型凹槽偏转45度得到的；第二谐振块是由第一个谐振块偏转45度得到的；其中，所述第一微型凹槽和所述第二微型凹槽为相邻的微型凹槽；所述第一谐振块和所述第二谐振块为相邻的谐振块。6.根据权利要求1所述的一种基于二氧化钒与tpu的超材料传感器件，其特征在于，所述金属薄膜、所述第一介质基板和所述第二介质基板均为正方形薄膜；所述金属薄膜的边长、所述第一介质基板的边长和所述第二介质基板的边长相同，所述第一介质基板的厚度和所述第二介质基板的厚度相同。7.根据权利要求1所述的一种基于二氧化钒与tpu的超材料传感器件，其特征在于，当所述超材料传感单元的数量为多个时，所述超材料传感单元呈连续周期排列。8.根据权利要求1所述的一种基于二氧化钒与tpu的超材料传感器件，其特征在于，所述第一介质基板的介电常数为12；在常温绝缘态下所述第一介质基板的电导率为200s/m，并当温度达到二氧化钒相变温度时所述第一介质基板的电导率为2
×
105s/m。9.根据权利要求1所述的一种基于二氧化钒与tpu的超材料传感器件，其特征在于，所述第二介质基板的介电常数为5，所述第二介质基板的损耗角正切值为0.06。10.根据权利要求1所述的一种基于二氧化钒与tpu的超材料传感器件，其特征在于，所述金属薄膜的材料为金属铜。
技术总结本发明公开了一种基于二氧化钒与TPU的超材料传感器件，涉及超材料传感技术领域，该器件至少包括一个超材料传感单元；超材料传感单元包括金属薄膜、设置在金属薄膜上的第一介质基板、设置在第一介质基板上的第二介质基板以及设置在第二介质基板上的金属谐振结构；金属谐振结构包括同心的外部谐振环和内部谐振扇环；内部谐振扇环包括多个且按照等间距环形排列的谐振块；外部谐振环的内壁上开设有多个且按照等间距排列的微型凹槽；第一介质基板的材料为二氧化钒；第二介质基板的材料为TPU。本发明基于多层叠结构的设计，具有高Q值，灵敏度高，可调谐，厚度薄等特性，且本发明可以同时实现拉力与温度的传感。现拉力与温度的传感。现拉力与温度的传感。
技术研发人员：邓光晟 方林颖 莫海生 尹治平 杨军 李迎
受保护的技术使用者：合肥工业大学
技术研发日：2022.07.21
技术公布日：2022/11/1
