東南大學毫米波國家重點實驗室崔鐵軍教授團隊在《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)——實現(xiàn)自適應和高靈敏的氣體檢測）的研究論文，報道了一款超小型化、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)，并驗證了其在丙酮蒸氣傳感中的應用。東南大學張璇如副研究員為論文第一作者，崔鐵軍教授為通訊作者。

諧振增強介電傳感通過測量相對頻移信號，具備高靈敏度與檢測精度，在多領域應用前景廣闊。物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展下，微波等低頻傳感技術更適配真實場景，人工表面等離激元可實現(xiàn)波長壓縮和高靈敏度，且與電路兼容性強、電磁兼容性優(yōu)，微波人工表面等離激元傳感已成為一個迅速發(fā)展的新興領域。但在小型化傳感系統(tǒng)趨勢下，精確檢測諧振頻移困難，現(xiàn)有單一頻點測量、頻率掃描等檢測方案存在易受干擾、操作復雜、通用性差、體積大等問題，亟待優(yōu)化  。

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

東南大學研究人員設計了一款可同時增強靈敏度和諧振強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)了一種在單片機中運行的、軟件定義的、自適應的諧振跟蹤方案。此方案不僅能夠有效縮小電路體積，還使系統(tǒng)能夠智能適應目標諧振頻率。

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，包括信號處理電路和傳感網(wǎng)絡；（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。藍色塊表示主微波模擬電路，黃色塊表示數(shù)字計算和通信電路。

該系統(tǒng)通過藍牙與智能手機進行通信和交互，整體尺寸僅為1.8 cm × 1.2 cm。系統(tǒng)達到了69 dB的信噪比，數(shù)據(jù)速率達到每秒2272個測量點，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）的設計和測量

研究人員通過丙酮蒸氣傳感實驗，驗證了該系統(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，還實現(xiàn)了智能化的諧振頻移檢測，自適應調整目標諧振。

圖3 智能共振跟蹤方案

圖4   使用集成傳感系統(tǒng)進行的丙酮蒸氣傳感實驗

這項技術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別標簽。更廣泛地，基于單片機的小型化智能化的Pound-Drever-Hall   (PDH)鎖定技術可以擴展應用于集成在印刷電路板上的機械和聲學諧振傳感器中。該傳感系統(tǒng)的超高集成度和檢測精度充分展示了其在智能家居和物聯(lián)網(wǎng)中的應用潛力。

論文連接：

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