高Q值表面等離子體傳感器研究

孫青云+朱亦鳴+陳麟

摘要：設(shè)計(jì)了高Q值表面等離子體傳感器，傳感器芯片的基底為200 μm厚的石英材料，上層為復(fù)合結(jié)構(gòu)金屬層。為保證高效傳輸，它的等離子體波導(dǎo)由共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)（coplanar waveguide，CPW）過渡引出，經(jīng)由表面等離子體傳輸線傳輸至諧振環(huán)，從而共振模式可以由等離子體波導(dǎo)和諧振環(huán)的相互耦合共振產(chǎn)生。通過仿真，對不同模式下的電場分布圖對應(yīng)諧振環(huán)的閉合狀態(tài)進(jìn)行研究，在傳輸系數(shù)S21圖上得到6個(gè)明顯的諧振谷，其中有3個(gè)谷的Q值十分高，這6個(gè)諧振谷的Q值范圍為44.6～268.3。

關(guān)鍵詞：

等離子體波導(dǎo)； 諧振環(huán)； 傳感器

中圖分類號： TN 29文獻(xiàn)標(biāo)志碼： 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值的傳感器在微波段、毫米波段、太赫茲波段（THz）均得到廣泛研究。無論是在食品安全、生物檢測方面，還是在安檢方面，高Q值傳感器性能的提高變得意義非凡。尤其是在太赫茲波段，傳感器以結(jié)構(gòu)輕便、簡單，能夠檢測微量物品，甚至是細(xì)胞而引起廣泛關(guān)注。

傳感器是一種檢測裝置，能感受到待測物體的信息，并將這些信息以一定形式輸出。隨著太赫茲技術(shù)的飛速發(fā)展[15]，促進(jìn)了對高Q值傳感器的研究[69]，因?yàn)檫@些傳感器可以應(yīng)用在食品安全和生物檢測及安檢部門。為了研究傳感器的高Q值特性，前人設(shè)計(jì)了不同類型的傳感器，如超材料傳感器、棱鏡耦合傳感器、平行板波導(dǎo)傳感器[1014]。太赫茲傳感器[15]的發(fā)展促進(jìn)了檢測及分析技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展。

本文研究一種在太赫茲波段的基于等離子體波導(dǎo)和諧振環(huán)的高Q值傳感器，相比于前人的研究，這種傳感器具有多通道，高Q值的特點(diǎn)。

1表面等離子體高Q值傳感器

1.1仿真結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

能量轉(zhuǎn)換部分是共面波導(dǎo)（coplanar waveguide，CPW），亦是能夠傳輸準(zhǔn)橫電磁波（QTEM）模式的導(dǎo)波。共面波導(dǎo)的阻抗匹配由端口的參數(shù)決定，波導(dǎo)端口的寬度w為100 μm，端口處的狹縫寬度g為9.4 μm，石英襯底的介電常數(shù)ε為3.75，這樣的參數(shù)設(shè)定滿足端口50 Ω的阻抗匹配。模式轉(zhuǎn)換和能量匹配部分是一個(gè)轉(zhuǎn)換器，將QTEM模式的導(dǎo)波轉(zhuǎn)換為偽表面等離子體波模式。之前的研究發(fā)現(xiàn)，如果CPW和等離子體波導(dǎo)直接相連，而省略漸變結(jié)構(gòu)部分，會出現(xiàn)能量不匹配的現(xiàn)象。所以引入了一種漸變結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到阻抗匹配。這種漸變結(jié)構(gòu)來自Vivaldi天線方程y=C1exp（αx）+C2，其中C1、C2為常數(shù)，α=2。在一定范圍內(nèi)，α的值越大，漸變的曲率越大。經(jīng)過多次的仿真模擬后，我們選擇了最佳的α值。等離子波導(dǎo)和諧振環(huán)部分，這里波導(dǎo)作為一條傳輸線，支持偽等離子體波的傳播。波導(dǎo)和諧振環(huán)之間的間隙為g，溝槽的寬度和周期分別表示為a=0.5p，p=2πR/N，其中N為諧振環(huán)溝槽的總數(shù)目（N=20）。諧振環(huán)和波導(dǎo)的溝槽aλ（λ為自由空間的波長）。波導(dǎo)的高度為h，諧振環(huán)的外徑R=1 200 μm，內(nèi)徑r=600 μm，圖中表示的其他數(shù)值：h1=500 μm，h2=450 μm，p=380 μm。設(shè)定這些數(shù)值是為了確保仿真在所需頻段。

所設(shè)計(jì)的傳感器芯片用CST微波工作室軟件仿真。邊界條件x，y，z設(shè)置為開放（open），模擬波在自由空間中傳播。選擇金作為表面層金屬材料，因?yàn)榻鸬膿p耗小，在可見光范圍內(nèi)是一種理想的電導(dǎo)體。選擇石英作為基底材料，因?yàn)槭⒌恼袚p耗很小，僅為tanδ=0.000 4。金層的厚度為0.5 μm，通過傳統(tǒng)的光刻鍍膜工藝附在石英表面。為了減少損耗，我們還可以選用其他一些性能優(yōu)良的低損介質(zhì)，例如砷化鎵和藍(lán)寶石，本文最終選用厚度為200 μm的石英作為基底。endprint

1.2仿真結(jié)果分析

仿真所得的傳輸系數(shù)（S21參數(shù)）如圖2所示，實(shí)線曲線表示等離子體波導(dǎo)和諧振環(huán)相互耦合作用所得的S21參數(shù)，虛線曲線表示無諧振環(huán)時(shí)，僅等離子體波導(dǎo)作為寬帶傳輸?shù)腟21參數(shù)。有了諧振環(huán)和等離子體波導(dǎo)相互耦合，會產(chǎn)生6個(gè)明顯的諧振谷。通過無數(shù)次的仿真驗(yàn)證，在一定范圍內(nèi)，當(dāng)諧振環(huán)越貼近等離子體波導(dǎo)時(shí)，相互耦合作用產(chǎn)生的諧振谷越明顯。本文中諧振環(huán)與等離子體波導(dǎo)的距離為9.4 μm。

不同諧振谷對應(yīng)不同的模式，如圖3（a）～（f）所示。圖3（a）～（f）是將電場監(jiān)視器設(shè)置在距xy平面上0.1 mm處。圖2中的諧振谷1～6對應(yīng)圖3（a）～（f）的共振模式，從圖3可以清楚看到諧振谷3～5對應(yīng)的波導(dǎo)端口2處無信號傳輸。等離子體波導(dǎo)和諧振環(huán)的漕深是經(jīng)過精心設(shè)計(jì)的，目的是為了讓等離子體波導(dǎo)的截止頻率大于諧振環(huán)的截止頻率，確保所有的諧振谷都在通帶范圍內(nèi)。品質(zhì)因素Q計(jì)算公式為

Q=f0/（f2-f1）

（1）

式中：f0是共振頻率；f1和f2對應(yīng)于3 dB帶寬。仿真中諧振谷3～5十分明顯，具有高Q值。這些諧振谷的Q值分別為44.6、268.3、215.8。傳感器的高Q值對生物傳感來說是極佳的，因?yàn)楫?dāng)Q值越高時(shí)，生物材料的種類或材料性質(zhì)發(fā)生改變時(shí)，共振峰將會發(fā)生更大的偏移，更加便于觀察，效果更加明顯。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中，我們采用15 mm×15 mm的石英基底，傳感器芯片的成品圖如圖4所示，圖4為成品的細(xì)節(jié)圖。傳輸系數(shù)S21由頻段50～75 GHz的安捷倫矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（N5245A）測量，將探針的引腳分別置于端口1和端口2處，得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。將仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，如圖5所示：仿真中諧振谷3～5分別出現(xiàn)在53.8 GHz、59.0 GHz、64.6 GHz處，而在實(shí)驗(yàn)中諧振谷3～5分別出現(xiàn)在53.7 GHz、59.2 GHz、63.2 GHz處；傳輸系數(shù)S21參數(shù)在仿真中可以分別達(dá)到-28.6 dB、-52.1 dB、-21.3 dB，而在實(shí)驗(yàn)中可以達(dá)到-28.6 dB，-39.8 dB，-18.1 dB。仿真和實(shí)驗(yàn)值出現(xiàn)的偏差可由加工和測量時(shí)的誤差引起。由于諧振環(huán)的存在，接受信號的傳輸受到諧振環(huán)與等離子體波導(dǎo)間耦合和共振的影響，雖然波導(dǎo)端口有能量匹配部分，但是仿真和實(shí)驗(yàn)的傳輸系數(shù)S21參數(shù)仍然低于-5 dB。

3結(jié)論

本文研究一種人工復(fù)合超材料的、基于等離子體波導(dǎo)和諧振環(huán)的多通道傳感器。利用三維全波仿真軟件CST Microwave Studio和安捷倫矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（N5245A）對其傳輸和傳感特性進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)，并作出了詳細(xì)的分析與測量。我們在石英基底上設(shè)計(jì)了一種共面波導(dǎo)和諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的傳感器芯片。由于改變諧振環(huán)溝槽內(nèi)的物質(zhì)（填充物不同折射率不同）能使諧振環(huán)與等離子體波導(dǎo)間的共振頻率產(chǎn)生漂移，因此可以根據(jù)不同物質(zhì)諧振谷的共振頻率不同來鑒別待測物質(zhì)。當(dāng)傳感器Q值越高時(shí)，待測物質(zhì)的共振峰將會產(chǎn)生更大的偏移，因此傳感器也將更加靈敏，效果也更好。由于實(shí)驗(yàn)制成的傳感器輕巧且易于集成，方便攜帶和檢測，可以投入實(shí)際應(yīng)用中，對生物檢測領(lǐng)域的發(fā)展有一定的促進(jìn)作用。

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（編輯：劉鐵英）endprint