东南大学团队研发新型传感系统，手机秒变高灵敏气体检测仪

东南大学毫米波国家重点实验室崔铁军教授团队在《Engineering》发表了题为“An Ultracompact Spoof Surface Plasmon Sensing System for Adaptive and Accurate Detection of Gas Using a Smartphone”（一种小型化人工表面等离激元传感系统——实现自适应和高灵敏的气体检测）的研究论文，报道了一款超小型化、高灵敏度、高精度且智能化的无线微波人工表面等离激元传感系统，并验证了其在丙酮蒸气传感中的应用。东南大学张璇如副研究员为论文第一作者，崔铁军教授为通讯作者。

谐振增强介电传感通过测量相对频移信号，具备高灵敏度与检测精度，在多领域应用前景广阔。物联网发展下，微波等低频传感技术更适配真实场景，人工表面等离激元可实现波长压缩和高灵敏度，且与电路兼容性强、电磁兼容性优，微波人工表面等离激元传感已成为一个迅速发展的新兴领域。但在小型化传感系统趋势下，精确检测谐振频移困难，现有单一频点测量、频率扫描等检测方案存在易受干扰、操作复杂、通用性差、体积大等问题，亟待优化 。

在万物互联时代下，集成化小型化的传感系统成为必然的发展趋势。文章报道了一款超小型化、高精度的微波人工表面等离激元传感系统。

研究人员设计了一款可同时增强灵敏度和谐振强度的微波人工表面等离激元谐振器（SSP resonator, SSPR）。此外，研究人员开发了一种在单片机中运行的、软件定义的、自适应的谐振跟踪方案。此方案不仅能够有效缩小电路体积，还使系统能够智能适应目标谐振频率。

图1 跟踪SSPR共振位移的紧凑型集成传感系统。（a）集成式SSP传感系统示意图，包括信号处理电路和传感网络；（b）、（c）集成式传感系统照片：俯视图（b）和底视图（c）；（d）集成式传感系统硬件系统框图。蓝色块表示主微波模拟电路，黄色块表示数字计算和通信电路。

该系统通过蓝牙与智能手机进行通信和交互，整体尺寸仅为1.8 cm × 1.2 cm。系统达到了69 dB的信噪比，数据速率达到每秒2272个测量点，并且表现出良好的电磁兼容性。

图2 SSPR的设计和测量。（a）SSPR和夹层激励结构的设计；（b）制作好的SSPR的照片，它与带有透明PDMS薄膜夹层的激励微带图案相连；（c）谐振器表面（i）和xz平面横截面（ii）上的模拟|E_z|分布；（d）SSPR的模拟透射率光谱和PCB上的测量透射率光谱；（e）随PDMS相对介电常数变化的模拟SSPR透射率光谱图；（f）对比MRR的模拟透射率光谱图；（g）测量4.94 GHz y和z偏振连续波（CW）干扰辐射的透射率光谱；（h）在共振凹陷底部的ADC电压偏移，在4.94 GHz的连续波（CW）干扰辐射下测得，在y和z偏振下为25 dBm；（i）共振跟踪检测的噪声水平，在4.94 GHz的连续波（CW）干扰辐射下测得，在z偏振下为25 dBm。|E_z|：电场z分量的振幅；T：透射率；δT：谐振强度；V _ADC：ADC电压；V _DAC：DAC电压；V _out：谐振跟踪方案的电压信号输出；MRR：微带环谐振器。

研究人员通过丙酮蒸气传感实验，验证了该系统的传感性能。该系统提出的人工表面等离激元谐振器有效解决了微波谐振传感器在灵敏度和电磁干扰方面的关键问题。软件定义的谐振跟踪方案不仅最大限度减少了硬件电路和频谱资源的消耗，还实现了智能化的谐振频移检测，自适应调整目标谐振。

图3 智能共振跟踪方案。（a）共振跟踪环路框图。实线表示硬件电路中的信号，虚线表示算法中的信号。蓝色表示微波信号；黄色表示ADC/DAC电压。黑色虚线内的区块代表MCU中的算法。（b）使用方波调制信号的共振跟踪方案的概念基础，以及A _m和K的自动计算方法。（c）当K _i设置为K、0.5K、0.2K和0.1K时，共振跟踪检测的噪声水平。（d）当K _i = 0.1K时原始噪声级数据的功率谱密度（PSD）。（e）当K _i = 0.1K时原始噪声级数据的直方图和拟合高斯分布函数。（f）当K _i设置为0.1K时的原始和滤波噪声级数据。中值滤波器的窗口大小为300。PID：比例-积分-导数；V ₀：V _DAC的起始值；T ʹ：透射率T的导数；f：频率；∆f：频率偏移；f ₁：移位后的共振频率；f ₀：原始共振频率；A _m：调制信号的振幅；K：式（3）中定义的参数；K _i：PID控制器的积分控制参数。

图4 使用集成系统进行的丙酮蒸气传感实验。（a）用于功能菜单（i）、频率扫描（ii）、共振跟踪（iii）和用户自定义PID参数设置（iv）的智能手机用户界面；（b）使用智能手机工作的传感器照片，传感系统的大小与直径为2.5 cm的硬币相当；（c）传感系统对浓度不断增加的丙酮蒸气的响应；（d）传感系统对不同浓度丙酮蒸气脉冲的响应。红色数字表示的浓度指的是丙酮蒸气脉冲。带蓝色箭头的“Air”指的是注入空气脉冲的时刻。对于丙酮蒸气浓度，1 ppm≈2.4 mg/m³。

这项技术同样适用于可集成到平面电路中的其他印刷式谐振器，以及基于刚性或柔性电路板的射频识别标签。更广泛地，基于单片机的小型化智能化的Pound-Drever-Hall (PDH)锁定技术可以扩展应用于集成在印刷电路板上的机械和声学谐振传感器中。该传感系统的超高集成度和检测精度充分展示了其在智能家居和物联网中的应用潜力。

选自微信公众号 Engineering