东南大学毫米波国家重点实验室崔铁军教授团队在《Engineering》期刊发表了题为“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。

东南大学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 微波人工表面等离激元谐振器（SSPR）的设计和测量

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

图4   使用集成传感系统进行的丙酮蒸气传感实验

这项技术同样适用于可集成到平面电路中的其它印刷式谐振器，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。

论文连接：

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

关键词:传感 气体检测仪

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来 源：Engineering

编辑：清风

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