一种基于丝素蛋白薄膜的太赫兹超材料湿度传感器制造技术

本实用新型专利技术公开了一种基于丝素蛋白薄膜的超材料湿度传感器，超材料结构由丝素蛋白薄膜层、不锈钢层和聚乙烯薄膜层构成，所述的不锈钢层有空心哑铃孔，并且沿x、y方向周期性排列；所述的丝素蛋白薄膜层涂覆在不锈钢层上，并填满其空心孔内；所述的聚乙烯薄膜层为超材料基底。不锈钢层结构本身可实现Anapole共振，通过改变环境湿度，丝素蛋白的介电常数变化，将这种生物功能的耦合到共振中，从而实现共振频率随着丝素蛋白介电常数而变化，由此就可以测量环境相对湿度。本传感器结构简单，成本低廉，易于制造且湿度灵敏度高，具有巨大的应用潜力。潜力。潜力。

【技术实现步骤摘要】
一种基于丝素蛋白薄膜的太赫兹超材料湿度传感器


[0001]本技术涉及一种湿度传感器，具体涉及一种丝素蛋白薄膜结合不锈钢超材料开发的混合湿度传感方法，属于光学湿度传感


技术介绍

[0002]超材料是根据亚波长维度周期性排列的新型人工合成材料，它们由与入射电磁波相互作用的金属或半金属结构组成，因其奇特的电磁特性和功能而引起了人们的极大兴趣，而这些特性和功能在天然材料中并不存在，例如其独特的完美吸收、完美透射和隐形特性，因此，它们在传感器、吸收器、成像等方面显示出了良好的应用前景。特别是，超材料共振对金属间隙区域介电常数的变化高度敏感，位于间隙的介电材料会引起谐振频率的变化，因此，超材料非常适合感应介电材料。
[0003]丝素蛋白因其机械强度高、体内无害、光学透明、易于制造等优点，在需要生物相容性材料的潜在应用中引起了广泛关注。因此，它可以实现可植入人体的新型光学元件和生物光子器件的潜在应用。特别是，丝素蛋白已被用作制造电子和光电子器件的透明和柔性基底，这将使基于丝素蛋白的传感器的制造成为可能。这类传感器将生物功能耦合到电磁共振中，电磁共振随着局部环境的变化而变化。特别是，当水分子被吸收时，丝素蛋白的物理性质会发生显著变化，因此，将丝素蛋白作为介电材料结合到超材料上，通过监测与其结构变化相关的丝膜的光学反射光谱，可以证明湿度传感。
[0004]湿度传感器在生活中有着广泛的应用，在农业生产、气象检测、特殊的实验、科研、医疗等等领域，经常需要对环境湿度进行测量及控制，因此，对湿度传感器的研发是非常有意义的。例如，在2018年4月6日公开的公开号为CN107884457A的专利技术专利提出了“一种基于超材料结构的湿度传感器”，在基板上放置由叉指结构和开路短截线电感构成的超材料结构，由空气湿度变化引起叉指结构上的湿敏材料聚酰亚胺层介电常数发生变化，导致结构产生相应的相移输出，由此实现湿度的测量。但其结构复杂繁琐，所需材料多，在灵敏度方面还有所欠缺。因此，本技术提出一种结构简单、灵敏度高、成本低廉且易于制造的湿度传感器。

技术实现思路

[0005]本技术的目的是提供一种基于生物光电子的新型混合湿度传感器，将丝素蛋白结合到不锈钢超材料上。不锈钢结构本身可实现Anapole共振，通过改变环境湿度，丝素蛋白的介电常数变化，将这种生物功能耦合到共振中，从而实现共振频率随着丝素蛋白介电常数而变化，由此就可以测量环境相对湿度。本传感器结构简单，成本低廉，易于制造且湿度灵敏度高，具有巨大的应用潜力。
[0006]为实现上述目的，本技术提供了如下方案：
[0007]1.本技术提供一种基于丝素蛋白薄膜的太赫兹超材料湿度传感器，其特征在于：结构由丝素蛋白薄膜层、不锈钢层和聚乙烯薄膜层组成；所述不锈钢层上有空心哑铃
孔，并且沿x、y方向周期性排列；所述的丝素蛋白薄膜层涂覆在不锈钢层上，并填满其空心孔内；所述的聚乙烯薄膜层为超材料基底。
[0008]2.其中，所述不锈钢层上的空心哑铃孔采用激光钻孔技术实现，丝素蛋白水溶液通过蚕茧制备，然后采用滴铸法将丝素蛋白水溶液填满空心哑铃孔内并烘干形成所述丝素蛋白薄膜，所述的聚乙烯薄膜层作为超材料基底，可以粘贴在所述不锈钢层下面，防止滴铸时溶液渗透。
[0009]其中，所述不锈钢层为有损耗金属，在太赫兹波段的电导率为1.4*106S/m，厚度为50微米；所述的丝素蛋白薄膜层作为介质传感的目标材料，其介电常数随空气湿度的变化而变化，且所述的丝素蛋白薄膜层覆盖在不锈钢层上面的厚度为15微米；所述的聚乙烯薄膜层对太赫兹波透明，即对传输振幅无影响，厚度为15微米。
[0010]其中，所述不锈钢层上空心哑铃孔两端圆形切口的半径为60微米，圆形的中心间距为174微米，中间棒状宽度为60微米；所述的湿度传感器的单元结构周期长为500微米、宽为300微米。
[0011]其中，超材料结构的工作波段在0.2～0.45THz。
[0012]本技术公开了以下技术效果：
[0013]所述的具有空心哑铃孔的不锈钢超材料，在太赫兹下，由于电偶极子和环形偶极子之间的远场辐射分布相同，调整了两者的共振特性，从而导致它们的远场辐射相消干涉，可以实现共振电磁透明的近洛伦兹传输线，即实现Anapole共振。
[0014]该传感器的共振频率强烈依赖于丝素蛋白的物理性质，当我们将超材料的环境湿度增加时，丝素蛋白薄膜中的水分子数增加，由于水的太赫兹介电常数远高于丝素蛋白，因此增加水含量将提高薄膜的介电常数，由此不锈钢板Anapole共振的局部环境被改变，从而产生了额外的共振位移，且频率偏移与相对湿度变化呈线性关系。因此，可以通过共振频率确定环境湿度。本湿度传感器结构简单，成本低廉，易于制造且湿度灵敏度高，具有巨大的应用潜力。
附图说明
[0015]图1为本技术超材料传感器中不锈钢结构的三维结构示意图；
[0016]图2为本技术超材料传感器的三维结构透视图，并对结构中间黑线处进行剖面图作图，其中白色部分为丝素蛋白，黑色部分为不锈钢，灰色部分为聚乙烯基底。
[0017]图3为本技术超材料传感器的工作系统框图。
[0018]图4为本技术超材料传感器在0
‑
100％的不同相对湿度下的仿真透射光谱；
[0019]图5是本技术超材料传感器在0
‑
100％的不同相对湿度与共振频率的线性拟合关系；
具体实施方式
[0020]为使本技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本技术作进一步详细的说明。
[0021]所述不锈钢层上的空心哑铃孔采用激光微加工钻孔技术实现；所述的丝素蛋白是通过蚕茧自己制备，具体方法是：将蚕茧在碳酸钠溶液中煮30分钟以去除丝胶。将纤维干燥
过夜，然后溶解在溴化锂溶液中以去除残留。经过透析过程后，我们最终获得了密度为71毫克/毫升的丝素蛋白水溶液，然后采用滴铸法将丝素蛋白水溶液填满空心哑铃孔内并烘干形成所述丝素蛋白薄膜。
[0022]由2018年发表的一篇期刊(https://doi.org/10.1364/OE.26.033575)“Humidity sensing using THz metamaterial with silk protein fibroin”中得知丝素蛋白的湿度相关介电常数，表1为本技术中丝素蛋白在0
‑
100％中的6种不同湿度下的介电常数，其介电常数随湿度变化的关系为y＝0.678x+4.23075，且丝素蛋白在干燥环境下的介电常数为4.23075。
[0023]表1
[0024]相对湿度(％)020406080100介电常数4.230754.366354.501954.637554.773154.90875
[0025]参照图1，不锈钢层2的空心哑铃孔的两端圆形切口半径R为60微米，圆形的中心间距L为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于丝素蛋白薄膜的太赫兹超材料湿度传感器，其特征在于：结构从上至下为丝素蛋白薄膜层(1)、不锈钢层(2)和聚乙烯薄膜层(3)；所述不锈钢层(2)上有空心哑铃孔，并且沿x、y方向周期性排列；所述的丝素蛋白薄膜层(1)涂覆在不锈钢层(2)上，并填满其空心孔内；所述的聚乙烯薄膜层(3)为超材料基底。2.根据权利要求1所述的基于丝素蛋白薄膜的太赫兹超材料湿度传感器，其特征在于：所述不锈钢层(2)上的空心哑铃孔采用激光钻孔技术实现，丝素蛋白水溶液通过蚕茧制备，然后采用滴铸法将丝素蛋白水溶液填满空心哑铃孔内并烘干形成所述丝素蛋白薄膜层(1)，所述的聚乙烯薄膜层(3)作为超材料基底，可以粘贴在所述不锈钢层(2)下面，防止滴铸时溶液渗透。3.根据权利要求1所述的基于丝素蛋白薄膜的太赫兹超材料湿度传感器，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：王燕，郎婷婷，余振宇，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：新型
国别省市：