東南大學(xué)毫米波國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室崔鐵軍教授團(tuán)隊(duì)在《Engineering》期刊發(fā)表了題為“An  Ultracompact Spoof Surface Plasmon Sensing System for Adaptive and  Accurate Detection of Gas Using a  Smartphone”（一種小型化人工表面等離激元傳感系統(tǒng)——實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)和高靈敏的氣體檢測(cè)）的研究論文，報(bào)道了一款超小型化、高靈敏度、高精度且智能化的無線微波人工表面等離激元傳感系統(tǒng)，并驗(yàn)證了其在丙酮蒸氣傳感中的應(yīng)用。東南大學(xué)張璇如副研究員為論文第一作者，崔鐵軍教授為通訊作者。

諧振增強(qiáng)介電傳感通過測(cè)量相對(duì)頻移信號(hào)，具備高靈敏度與檢測(cè)精度，在多領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展下，微波等低頻傳感技術(shù)更適配真實(shí)場(chǎng)景，人工表面等離激元可實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)壓縮和高靈敏度，且與電路兼容性強(qiáng)、電磁兼容性優(yōu)，微波人工表面等離激元傳感已成為一個(gè)迅速發(fā)展的新興領(lǐng)域。但在小型化傳感系統(tǒng)趨勢(shì)下，精確檢測(cè)諧振頻移困難，現(xiàn)有單一頻點(diǎn)測(cè)量、頻率掃描等檢測(cè)方案存在易受干擾、操作復(fù)雜、通用性差、體積大等問題，亟待優(yōu)化  。

在萬物互聯(lián)時(shí)代下，集成化小型化的傳感系統(tǒng)成為必然的發(fā)展趨勢(shì)。文章報(bào)道了一款超小型化、高精度的微波人工表面等離激元傳感系統(tǒng)。

東南大學(xué)研究人員設(shè)計(jì)了一款可同時(shí)增強(qiáng)靈敏度和諧振強(qiáng)度的微波人工表面等離激元諧振器（SSP  resonator,  SSPR）。此外，研究人員開發(fā)了一種在單片機(jī)中運(yùn)行的、軟件定義的、自適應(yīng)的諧振跟蹤方案。此方案不僅能夠有效縮小電路體積，還使系統(tǒng)能夠智能適應(yīng)目標(biāo)諧振頻率。

圖1   跟蹤SSPR共振位移的緊湊型集成傳感系統(tǒng)。（a）集成式SSP傳感系統(tǒng)示意圖，包括信號(hào)處理電路和傳感網(wǎng)絡(luò)；（b）、（c）集成式傳感系統(tǒng)照片：俯視圖（b）和底視圖（c）；（d）集成式傳感系統(tǒng)硬件系統(tǒng)框圖。藍(lán)色塊表示主微波模擬電路，黃色塊表示數(shù)字計(jì)算和通信電路。

該系統(tǒng)通過藍(lán)牙與智能手機(jī)進(jìn)行通信和交互，整體尺寸僅為1.8 cm × 1.2 cm。系統(tǒng)達(dá)到了69 dB的信噪比，數(shù)據(jù)速率達(dá)到每秒2272個(gè)測(cè)量點(diǎn)，并且表現(xiàn)出良好的電磁兼容性。

圖2 微波人工表面等離激元諧振器（SSPR）的設(shè)計(jì)和測(cè)量

研究人員通過丙酮蒸氣傳感實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的傳感性能。該系統(tǒng)提出的人工表面等離激元諧振器有效解決了微波諧振傳感器在靈敏度和電磁干擾方面的關(guān)鍵問題。軟件定義的諧振跟蹤方案不僅最大限度減少了硬件電路和頻譜資源的消耗，還實(shí)現(xiàn)了智能化的諧振頻移檢測(cè)，自適應(yīng)調(diào)整目標(biāo)諧振。

圖3 智能共振跟蹤方案

圖4   使用集成傳感系統(tǒng)進(jìn)行的丙酮蒸氣傳感實(shí)驗(yàn)

這項(xiàng)技術(shù)同樣適用于可集成到平面電路中的其它印刷式諧振器，以及基于剛性或柔性電路板的射頻識(shí)別標(biāo)簽。更廣泛地，基于單片機(jī)的小型化智能化的Pound-Drever-Hall   (PDH)鎖定技術(shù)可以擴(kuò)展應(yīng)用于集成在印刷電路板上的機(jī)械和聲學(xué)諧振傳感器中。該傳感系統(tǒng)的超高集成度和檢測(cè)精度充分展示了其在智能家居和物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用潛力。

論文連接：

https://doi.org/10.1016/j.eng.2023.05.013