汞基电磁超材料特性及其温度感知关键技术研究

Hg has the ability to combine the metamaterial resonance and temperature sensing together perfectly, providing the opportunity to develop novel resonant temperature sensing techniques with high-sensitivity, high-resolution, and large-dynamics, and therefore pushing forward the metamaterials applied in the areas of high-performance sensing and Internet of Things. This proposal is aim to study systemically the realization mechanisms, design methods and fabrication technologies of Hg-metamaterials, and then study the realization mechanisms, design techniques, performances enhancing techniques and engineering application methods of the temperature sensors based on Hg-metamaterials. By using electromagnetic theory, thermal theory and equivalent circuit theory, and by using the finite element method and time-domain finite integration method, this proposal will theoretically analyze, numerically simulate, design and fabricate the Hg-metamaterials, and then experimentally analyze the electromagnetic characteristics, the changing rules and controlling mechanisms of the electromagnetic characteristics of Hg-metamaterials when the temperature changing. The proposal will build the integrative relationship model of the electromagnetic resonance and temperature sensing of Hg-metamaterials, design and realize the novel wire/wireless temperature sensors based on such Hg-metamaterials, experimentally analyze the temperature sensing characteristics and performances. Finally, the proposal will also investigate the performances enhancing techniques for increasing the sensitivity, enlarging the sensing dynamics, reducing the system noises, and strengthening the stability in rugged environments. After achieving the research goals, the proposal will develop and build the research and application frames for the novel temperature sensing techniques based on the Hg-metamaterials. It has very important scientific meaning and significant engineering value.

汞能使超材料电磁谐振与温度感知完美融合一体化，据此可发展出高灵敏度/分辨率和大动态范围的谐振型温度感知新技术，将推动超材料广泛应用于高精度传感、物联网等领域。本项目旨在突破汞基超材料谐振机理、设计方法、制备技术，进而研究新型温度传感器实现机理、设计技术、性能提升技术和工程应用方案等。项目综合应用电磁理论、热学理论、电路等效理论，结合有限元法和时域有限积分法，理论研究、数值仿真、设计制备汞基电磁超材料，实验研究其电磁特性及其温度调谐规律和控制机理；建立汞基超材料的电磁谐振与温度感知一体化关系模型，设计基于汞基超材料的无线/有线谐振型温度传感器，实验验证、测试分析传感器温度感知特性与性能；探索提升新型温度传感器灵敏度、增大感知动态范围、降低系统噪声、增强环境适应性的技术方法和工程应用方案。本项目实施与目标实现，将建立起汞基超材料温度感知研究与应用技术体系，科学意义和工程价值显著。

本项目在国内外率先开展了汞基电磁超材料合成机理、设计方法、仿真技术、制备工艺、工程应用途径及方案等关键技术研究，首次提出了汞基温度调谐可控电磁超材料制备技术，以及基于汞基电磁超材料实现超灵敏谐振型温度传感器的设计与仿真优化方法，研制出了多种射频/微波/毫米波波段高Q值汞基电磁超材料及其温度传感器件，并对材料样品及功能器件电磁谐振与温度感知等性能进行了系统深入的实验测试研究验证，建立起了多物理场耦合理论分析体系、电磁仿真优化、材料制备工艺及功能器件样品设计测试等汞基温度传感电磁超材料系统研究与应用方法。本项目研究掌握了汞基电磁超材料单元及阵列结构中的热能-电磁能耦合作用机理，建立起电磁谐振与温度感知一体化关系模型，研究设计出ELC、Fano、EIT、Anopole等多种高Q值（Q≈600~700）谐振模式的汞基超材料电磁结构，设计研制出基于汞基超材料的高灵敏度谐振型温度传感器，并实验验证了该新型传感器的温度感知特性与性能，并探索了多源噪声抑制、温度传感精度提升与感测范围增大等方面的改进优化方案以及工程应用途径，在汞基电磁超材料合成机理、电磁结构、制备方法、功能器件等方面均取得了系列重要理论成果和技术突破。本项目严格按照国家自然科学基金项目的研究目标，很好地完成了项目计划书要求的各项研究内容。本项目在Applied Physics Letters、Physical Review Applied、Optics Epxress、IEEE TAP/AWPL等国内外知名期刊和IEEE APS/EMC、PIERS、ACES等国际会议上已发表学术论文73篇，其中SCI期刊论文30篇（包括中科院JCR二区及以上论文10篇）、EI收录40篇，国际会议特邀报告3次，参编英文专著两章，获得授权发明专利2项、申请发明专利8项；成功培养博士后1名（即将出站，并以特聘副教授职称留校工作）、博士研究生3名（已毕业1名，并获中国电子教育学会优秀博士学位论文奖励）、毕业硕士研究生4名。毕业的博士生以项目研究成果为基础，拓展形成超材料研究新思路，获得了1项自然科学基金（青年）项目、1项“全国博士后创新人才支持计划”项目。