一种基于液晶双机制高灵敏毫米波超表面传感器

摘要

本发明公开了一种基于液晶双机制高灵敏毫米波超表面传感器，由m×n个超表面单元按照一定的周期结构排列而成。超表面单元包括上层玻璃介质基板、刻蚀在上层玻璃介质基板下表面的金属条状矩形结构和偏置电路模块、液晶、刻蚀在下层玻璃介质基板上表面的金属地、下层玻璃介质基板。通过每个金属条状矩形结构可以对某一频点产生谐振，该谐振具有高Q值，对由液晶引起的介电常数极为敏感。由于液晶对温度和电均有感应作用。故可以检测是否仪器是否漏电，或者是否发生火灾双保护机制。该传感器具有双机制、成本低、灵敏度高、低剖面、设计简单。

权利要求

1.一种基于液晶双机制高灵敏毫米波超表面传感器，其特征在于，该超表面传感器由m×n个超表面传感器单元阵列组成，且每个超表面传感器单元之间紧密贴合，每行超表面传感器单元均串联连接至接口端，超表面传感器单元从上至下依次包括上层玻璃介质基板(1)、超表面金属结构(2)、液晶(3)、金属地(4)和下层玻璃介质基板(5)，金属地和超表面金属结构通过微纳加工技术分别刻蚀在下层玻璃介质基板的上表面和上层玻璃介质基板的下表面，液晶灌入至超表面金属结构和金属地之间，超表面金属结构(2)通过刻蚀在上层玻璃介质基板下表面的偏置电路模块(6)与外部接口连接；超表面传感器的毫米波电磁波信号由自然空间中的电磁信号提供；

超表面金属结构(2)包括三个长度和宽度不一样的亚波长大小的矩形金属块，三个矩形金属块平行设置，且中间通过一条直流偏置线进行串联，形成工作在三个不同频段的高品质因数值电磁波响应，同时，随着外界温度的变化，超表面金属结构频率响应也能迅速做出相应的响应，实现双机制感应。

2.根据权利要求1所述的基于液晶双机制高灵敏毫米波超表面传感器，其特征在于，根据各自工作感应的频点，三个矩形金属块长度分别对应0.5λg1、0.5λg2、0.5λg3，其中λg1、λg2、λg3分别对应三个不同频率的f1、f2、f3的波长；计算公式为λg＝c/f，λg为工作感应频点波长，c为光速，f为工作感应频点的频率。

3.根据权利要求1所述的基于液晶双机制高灵敏毫米波超表面传感器，其特征在于，相邻超表面传感器单元上的超表面金属结构间距在0.5λ0～λ0之间，λ0为工作中心频段的真空波长。

4.根据权利要求1所述的基于液晶双机制高灵敏毫米波超表面传感器，其特征在于，液晶的介电常数同时能够在毫米波频段对温度和电同时灵敏的响应，变化范围为2.4～3.2。

5.根据权利要求1所述的基于液晶双机制高灵敏毫米波超表面传感器，其特征在于，该超表面传感器工作频段在20～40GHz，属于毫米波频段。

6.根据权利要求1所述的基于液晶双机制高灵敏毫米波超表面传感器，其特征在于，上层玻璃介质基板(1)和下层玻璃介质基板(5)型号为BF33，为其他层提供附着支撑和对液晶材料进行封装。

说明书

一种基于液晶双机制高灵敏毫米波超表面传感器

技术领域

[0001] 本发明涉及新型人工电磁材料技术，特别是涉及一种基于液晶双机制高灵敏毫米波超表面传感器。

背景技术

[0002] 超表面是由亚波长结构按照周期排布的二维超材料，具有高度的自主设计性，并且可以实现很多自然界无法实现的功能或者奇异现象。目前所已知的由超表面可以实现负
折射、完美吸波、非对称传输、打破非互易性等等诸如此类自然界无法实现的功能。超表面
目前逐步由实验室研究向工程应用所转变。

[0003] 传感器是人工智能领域必不可少的器件，它类试人的感光器官，能够感受到被测量信息，并将信息转化为电信号或者其他信息输出，以满足系统进行下一步指令操作。传感
器已经被应用在各行各业中，例如安防摄像头、消防温度检测仪等等。

[0004] 目前大多数传感器只对一种外界条件所响应，同时无法工作在毫米波频段。

发明内容

[0005] 发明目的：本发明的目的是提供了一款成本低、低剖面基于液晶双机制高灵敏毫米波超表面传感器，用于未来的人工智能领域。

[0006] 技术方案：本发明的超表面传感器由m×n个超表面传感器单元阵列组成，且每个超表面传感器单元之间紧密贴合，每行超表面传感器单元均串联连接至接口端，超表面传
感器单元从上至下依次包括上层玻璃介质基板、超表面金属结构、液晶、金属地和下层玻璃
介质基板，金属地和超表面金属结构通过微纳加工技术分别刻蚀在下层玻璃介质基板的上
表面和上层玻璃介质基板的下表面，液晶灌入至超表面金属结构和金属地之间，超表面金
属结构通过刻蚀在上层玻璃介质基板下表面的偏置电路模块与外部接口连接；超表面传感
器的毫米波电磁波信号由自然空间中的电磁信号提供。

[0007] 优选的，超表面金属结构包括三个长度和宽度不一样的亚波长大小的矩形金属块，三个矩形金属块平行设置，且中间通过一条直流偏置线进行串联。这样可以形成工作在
三个不同频段的高Q值电磁波响应。

[0008] 优选的，三个矩形金属块的宽度为0.1λg，根据各自工作感应的频点，其长度分别对应0.5λg1、0.5λg2、0.5λg3，其中λg1、λg2、λg3分别对应三个不同频率的f1、f2、f3的波长；
计算公式为λg＝c/f，λg为工作感应频点波长，c为光速，f为工作感应频点的频率；工作感应
频点随着长度的增加而降低，即频点越高，矩形金属块长度越短。

[0009] 优选的，相邻超表面传感器单元上的超表面金属结构间距在0.5λ0～λ0之间，λ0为工作中心频段的真空波长。超表面金属结构间距过小会造成灵敏度不高，即反射的频率响
应S参数品质因数Q值较低。

[0010] 优选的，液晶的介电常数同时能够在毫米波频段对温度和电同时灵敏的响应，变化范围为2.4～3.2。利用液晶对电和温度两种反馈机制感应，使介电常数发生变化，继而由
超表面传感器单元上的超表面金属结构所产生的频率产生响应，达到能够预防火灾或者对
精密仪器漏电的预警。

[0011] 优选的，该超表面传感器工作频段在20～40GHz，属于毫米波频段。

[0012] 优选的，上层玻璃介质基板和下层玻璃介质基板型号为BF33，为其他层提供附着支撑和对液晶材料进行封装。相对于PCB板材，选择玻璃作为介质基板的优点为：表面平整
和熔点高，便于在灌晶和对准。

[0013] 有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

[0014] (1)本发明的超表面传感器，与现有的传感器，其优势在于可以同时瞬时高精度的感知两种外界状态，例如液晶对电响应与温度响应的敏感特性，可同时用于基站或者高精
密仪器的漏电和消防预警和保护。

[0015] (2)本发明的超表面传感器，设计简单，具有良好的通用性。通过简单的将矩形超表面金属结构进行周期0.5λ0～λ0排布(λ0为真空毫米波波长)，设计了一款高灵敏度的超表
面传感器。采用先进的微纳加工技术，设计的超表面传感器结构具有低剖面，精度高，误差
小，成本低。

[0016] (3)本发明的超表面传感器，可应用在未来人工智能领域中与下一代无线通信设备中。

附图说明

[0017] 图1为本发明实施例中所述超表面传感器单元示意图；

[0018] 图2为本发明实施例中所述超表面传感器整体示意图；

[0019] 图3为本发明实施例中所述超表面传感器在两种机制下仿真示意图。

具体实施方式

[0020] 下面结合实施例和附图对本发明作进一步的详细说明。

[0021] 本发明设计的超表面传感器，其工作原理在于利用液晶独特的对电和温度两种外界条件的产生介电常数敏感变化的响应，可以将其应用在毫米波频段实现对外界温度与电
的双感应传感器。当超表面传感器感知外界温度升高，液晶的介电常数迅速线性降低，其工
作，同理当超表面传感器感知外界电压变化时，其液晶的介电常数随着电压线性变化，两者
由于液晶介电常数变化，会使超表面金属结构工作的高品质因素Q值的谐振点发生移动，从
而让外界迅速产生应对机制。该超表面传感器工作频段在20～40GHz，属于毫米波频段。

[0022] 如图1所示，该超表面传感器由m×n个超表面传感器单元组成一个阵列，且每个超表面传感器单元之间紧密贴合，每行超表面传感器单元通过偏置电路模块6串联连接至接
口端；其中m代表行，n代表列。每个超表面传感器单元如图2所示，由5层结构组成。由上至下
依次为：上层玻璃介质基板1、超表面金属结构2、液晶3、金属地4和下层玻璃介质基板5，超
表面金属结构2通过先进的微纳加工技术刻蚀在上层玻璃介质基板1的下表面，金属地4通
过先进的微纳加工技术被刻蚀在下层玻璃介质基板5的上表面，液晶3通过灌注技术被灌入
至超表面金属结构2与金属地4之间。超表面传感器的毫米波电磁波信号由自然空间中的电
磁信号提供。

[0023] 超表面金属结构2包括三个长度和宽度不一样的亚波长大小的矩形金属块，有着高度的设计自由度，分别可以对应工作三个不同频段的高灵敏响应，三个矩形金属块平行
设置，且中间通过一条直流偏置线进行串联，这样可以形成工作在三个不同频段的高品质
因数(Q)值电磁波响应，响应频段为20～40GHz。同时，随着外界的温度的变化，其频率响应
也能迅速做出相应的响应，以达到双机制感应的目的。超表面金属结构设计工作毫米波频
段，且具有高品质因数值，保证高灵敏的传感特性；三个矩形金属块的宽度为0.1λg，根据各
自工作感应的频点，其长度分别对应0.5λg1、0.5λg2、0.5λg3，其中λg1、λg2、λg3分别对应三
个不同频率的f1、f2、f3的波长；计算公式为λg＝c/f，λg为工作感应频点波长，c为光速，f为
工作感应频点的频率；工作感应频点随着长度的增加而降低，即频点越高，矩形金属块长度
越短。

[0024] 液晶的介电常数同时能够在毫米波频段对温度和电同时灵敏的响应，变化范围为2.4～3.2。利用液晶对电和温度两种反馈机制感应，使介电常数发生变化，继而由超表面传
感器单元上的超表面金属结构所产生的频率产生响应，达到能够预防火灾或者对精密仪器
漏电的预警。

[0025] 上层玻璃介质基板和下层玻璃介质基板型号为BF33，为其他层提供附着支撑和对液晶材料进行封装。相对于PCB板材，选择玻璃作为介质基板的优点为：表面平整和熔点高，
便于在灌晶和对准。

[0026] 将该超表面传感器单元按照每个超表面金属结构2周期为0.5λ0～λ0((λ0为工作中心频段的真空毫米波波长)波长之间排列形成如图2所示的超表面传感器。超表面金属结构
的三个矩形金属块间距过小会造成灵敏度不高，即反射的频率响应S参数品质因数Q值较
低。

[0027] 通过数值仿真软件，模拟了电响应和温度响应下的情况。如图3所示为超表面传感器在两种外界感知条件的频率响应的S参数。外界的毫米波电磁信号沿着Z轴负方向进行入
射至超表面传感器表面，随着温度的升高，液晶的介电常数会线性的降低，超表面传感器毫
米波信号感应频点，从低频向高频移动，达到检测温度变化的信息，进而起到消防的作用。
当有外界电压变化时，液晶的介电常数也会迅速发生变化，导致超表面传感器毫米波信号
感应点发生变化，达到对电压的检测，进而可以达到漏电检测或保护。

[0028] 本发明通过液晶能够对外界电和温度两种外界条件所响应，通过将其与超表面结构集成形成超高Q值，即高灵敏毫米波三频段，双感应机制的传感器。