Разное

Датчик абсорбера гранта: Клапан адсорбера Лады Гранта — признаки неисправности и их устранение!

Содержание

Клапан адсорбера Лады Гранта — признаки неисправности и их устранение!

В устройстве современного авто есть множество различных частей, о существовании которых среднестатистический автолюбитель даже не догадывается. Адсорбер, клапан адсорбера, неисправности которого могут значительно подкосить работу машины, является тому примером.

Предназначение

Эта запчасть не всегда являлась составляющей машины. Её появлением мы обязаны современным требованиям к экологическим показателям машин, а если быть точнее, адсорбер Лада Гранта приобрела благодаря Евро-3.

(Евро-3 является экологическим стандартом, который был введен в 1999 году, однако его требованиям российские производители смогли отвечать только в 2008 году.)

Адсорбер, Гранта для которого стала одним из первых «пристанищ» на рынке отечественного автопрома, является запчастью, напрямую привязанной к катализатору. Он позволяет аккумулировать пары бензина, чтобы предотвращать их попадание в выпускной коллектор.

Подобные действия позволяют сохранять катализатор и предотвращать его преждевременный износ, так как сопряжение холодного катализатора с парами бензина является недопустимым. Как только мотор прогревается до необходимой температуры, датчик продувки адсорбера активизируется. Клапана адсорбера прогоняет пары обратно в бензобак.

Дополнительные возможности

Конечно, изначально, созданный для создания экологически чистой работы двигателя, адсорбер Лада Гранта, цена на который является несущественной, был недооценен. Производители всяческими хитростями старались обходить эту новомодную тенденцию, однако закон обязал всех производителей авто, которые не подчинились этому нововведению, выплачивать большие штрафы.

Хотя Автоваз никогда не отличался большим экспортом, однако он был вынужден принять меры по установке адсорбер, так как небольшой, но все же рынок сбыта, у него есть. Сегодня на Лада Гранта адсорбер устанавливается в обязательном порядке, так как мировые исследование выявили следующие возможности этого компонента:

— снижение потребления бензина

Подобный результат достигается, так как клапан адсорбера позволяет сгонять газы обратно в бензобак, откуда они поступают в двигатель, который в прогретом состоянии способен их переработать. Если нет этого устройства, или не работает сам клапан адсорбера, Гранта теряет топливо, что существенно увеличивает расход.

— нормализация работы выпускной системы

Благодаря фильтрации, пропадает вероятность преждевременного износа системы и её компонентов.

Клапан – как важнейшее составляющее устройства

Говоря о том, как работает клапан адсорбера, необходимо представить само устройство. Оно представляет собой, грубо говоря, банку с углем, которая оснащена клапаном, позволяющим конденсировать и направлять пары. Клапан продувки адсорбера контролируется ЭБУ, который и подает сигнал о его открытии/закрытии.

Важно!!! Электромагнитный клапан адсорбера может создавать определенные неприятности для водителя. В холодное время года, при запуске непрогретого двигателя, может слышаться определенный звук, похожий на щелчки. Этот звук является нормой, так как «на холодную» клапан может работать некорректно.

Чтобы не спутать этот звук с возможными поломками, необходимо применить прогазовку. При отсутствии изменений, можно смело списывать щелчки на абсорбер.

Особенности работы клапана

Сам клапан продувки адсорбера Гранта унаследовала от Калины. Таким образом, клапан продувки адсорбера Калина и клапан продувки адсорбера Лада Гранта являются полностью идентичными. Это позволяет утверждать, что признаки неисправности адсорбера у обеих машин являются идентичными.

Если брать во внимание электромагнитный клапан продувки адсорбера Калина, неисправности и их признаки можно полностью переложить на неисправность адсорбера её младшего брата.

Как понять неисправность абсорбера

Говоря про клапан адсорбера, признаки неисправности будут достаточно стандартизированы, что дает возможность получить достаточно детальное описание. Итак, признаки неисправности клапана адсорбера:

— Постоянный запах бензина в салоне.

Этот факт вызван неправильной циркуляцией газов, которые могут иметь определенную утечку. Благодаря близости системы к воздушному фильтру, запахи свободно проникают в салон.

— Стук клапана.

В признаки неисправности клапана продувки адсорбера на гранте можно отнести этот, знакомый всем владельцам Гранты звук.

(для устранения можно затянуть гайку, а можно приобрести новый, благо Лада Гранта клапан адсорбера, цена которого является низкой, доступен к приобретению)

— Увеличение расхода топлива.

Недействующий клапан вентиляции адсорбера не способен контролировать правильный путь газов, что не позволяет осуществлять их переработку, в виде сжигания.

— Увеличивается количество вредных веществ, выпускаемых через систему.

Говоря о том, как работает клапан продувки адсорбера и зачем, не стоит забывать, что повышение показателей экологичности авто – первостепенная задача, которая может быть нарушена, если электромагнитный клапан продувки адсорбера функционирует не верно.

— Звуки, похожие на некое шипение.

Сильное шипение в шланге адсорбера, причина которого — скопление газов, не является редкостью. Поскольку современные требования, предъявляемые к авто, не позволяют осуществлять выбросы газов во время стоянки, определенное скопление допустимо.

— Характерные звуки, доносящиеся из бензобака.

Говоря про адсорбер Лада Гранта, для неисправности которого всегда характерны посторонние звуки, доносящиеся из бензобака, необходимо сказать, что они являются наиболее типичным признаком поломки. Датчик адсорбера при этом может не выдавать каких-либо показателей неисправности, следовательно, так же подлежит замене.

Таким образом, признаки неисправности клапана продувки адсорбера Лада Гранта, выявить достаточно просто. Кроме того, они выявляются при простой заправке машины, которая в обязательном порядке требует открытия крышки бензобака.

Как отремонтировать неисправность

Говоря про ремонт адсорбера, следует четко установить неисправность. К примеру, если речь идет про клапан продувки адсорбера гранта, неисправности которого может индексироваться отсутствием качественного отвода газов, решением проблемы может стать новый клапан продувки адсорбера Ваз.

Сам ремонт клапана адсорбера сводится к использованию крестообразной отвертке и её применению. Порядок воздействия на датчик адсорбера Лада Гранта:

1) Убираем клеммы, дабы не было плачевных последствий.

2) Прилагаем физическое усилие и нежно снимаем клапан.

3) Сравниваем новый клапан и старый, ибо всякое в жизни бывает. Купить клапан адсорбера, конечно, вещь простая, но бывают ошибки продавцов/кладовщиков, которые могут по ошибке реализовать не нужную запчасть.

4) Вставляем новый клапан, собираем эту систему, возвращаем на место клеммы и радуемся жизни. Клапан продувки адсорбера Гранта, цена которого является практически одинаково низкой по всей территории реализации Грант, так же является поводом для маленькой, но все-таки радости.

Невозможно в ходе рассказа про адсорбер не упомянуть тот факт, что огромное число владельцев Лада Гранта предпочитают устранять это устройство. Причины у поступка две:

— отсутствие желания ремонтировать

— отсутствие веры в возможную пользу для экологии от установки данного устройства в рамках своего авто

Ценовая политика

Говоря про клапан продувки адсорбера Гранта, купить который сегодня возможно во всех крупных и не очень местах реализации запасных частей на русский автопром, невозможно не отметить его приятную цену. Клапан адсорбера Гранта, цена которого эквивалентна вероятности его выхода из строя, предусматривает самостоятельную замену и представляет собой простейший механизм.

Таким образом, поддержание экологических стандартов Лады Гранта является делом, поистине, рукотворным. Адсорбер стал деталью, которая, помимо заботы об экологии, позволяет существенно снизить показатели расхода топлива и усовершенствовать работу вывода отработанных газов.

Вам также может быть интересно

Где находится адсорбер на гранте

В устройстве современного авто есть множество различных частей, о существовании которых среднестатистический автолюбитель даже не догадывается. Адсорбер, клапан адсорбера, неисправности которого могут значительно подкосить работу машины, является тому примером.

Предназначение

Эта запчасть не всегда являлась составляющей машины. Её появлением мы обязаны современным требованиям к экологическим показателям машин, а если быть точнее, адсорбер Лада Гранта приобрела благодаря Евро-3.

(Евро-3 является экологическим стандартом, который был введен в 1999 году, однако его требованиям российские производители смогли отвечать только в 2008 году.)

Адсорбер, Гранта для которого стала одним из первых «пристанищ» на рынке отечественного автопрома, является запчастью, напрямую привязанной к катализатору. Он позволяет аккумулировать пары бензина, чтобы предотвращать их попадание в выпускной коллектор.

Подобные действия позволяют сохранять катализатор и предотвращать его преждевременный износ, так как сопряжение холодного катализатора с парами бензина является недопустимым. Как только мотор прогревается до необходимой температуры, датчик продувки адсорбера активизируется. Клапана адсорбера прогоняет пары обратно в бензобак.

Дополнительные возможности

Конечно, изначально, созданный для создания экологически чистой работы двигателя, адсорбер Лада Гранта, цена на который является несущественной, был недооценен. Производители всяческими хитростями старались обходить эту новомодную тенденцию, однако закон обязал всех производителей авто, которые не подчинились этому нововведению, выплачивать большие штрафы.

Хотя Автоваз никогда не отличался большим экспортом, однако он был вынужден принять меры по установке адсорбер, так как небольшой, но все же рынок сбыта, у него есть. Сегодня на Лада Гранта адсорбер устанавливается в обязательном порядке, так как мировые исследование выявили следующие возможности этого компонента:

– снижение потребления бензина

Подобный результат достигается, так как клапан адсорбера позволяет сгонять газы обратно в бензобак, откуда они поступают в двигатель, который в прогретом состоянии способен их переработать. Если нет этого устройства, или не работает сам клапан адсорбера, Гранта теряет топливо, что существенно увеличивает расход.

– нормализация работы выпускной системы

Благодаря фильтрации, пропадает вероятность преждевременного износа системы и её компонентов.

Клапан – как важнейшее составляющее устройства

Говоря о том, как работает клапан адсорбера, необходимо представить само устройство. Оно представляет собой, грубо говоря, банку с углем, которая оснащена клапаном, позволяющим конденсировать и направлять пары. Клапан продувки адсорбера контролируется ЭБУ, который и подает сигнал о его открытии/закрытии.

Важно. Электромагнитный клапан адсорбера может создавать определенные неприятности для водителя. В холодное время года, при запуске непрогретого двигателя, может слышаться определенный звук, похожий на щелчки. Этот звук является нормой, так как «на холодную» клапан может работать некорректно.

Чтобы не спутать этот звук с возможными поломками, необходимо применить прогазовку. При отсутствии изменений, можно смело списывать щелчки на абсорбер.

Особенности работы клапана

Сам клапан продувки адсорбера Гранта унаследовала от Калины. Таким образом, клапан продувки адсорбера Калина и клапан продувки адсорбера Лада Гранта являются полностью идентичными. Это позволяет утверждать, что признаки неисправности адсорбера у обеих машин являются идентичными.

Если брать во внимание электромагнитный клапан продувки адсорбера Калина, неисправности и их признаки можно полностью переложить на неисправность адсорбера её младшего брата.

Как понять неисправность абсорбера

Говоря про клапан адсорбера, признаки неисправности будут достаточно стандартизированы, что дает возможность получить достаточно детальное описание. Итак, признаки неисправности клапана адсорбера:

– Постоянный запах бензина в салоне.

Этот факт вызван неправильной циркуляцией газов, которые могут иметь определенную утечку. Благодаря близости системы к воздушному фильтру, запахи свободно проникают в салон.

В признаки неисправности клапана продувки адсорбера на гранте можно отнести этот, знакомый всем владельцам Гранты звук.

(для устранения можно затянуть гайку, а можно приобрести новый, благо Лада Гранта клапан адсорбера, цена которого является низкой, доступен к приобретению)

– Увеличение расхода топлива.

Недействующий клапан вентиляции адсорбера не способен контролировать правильный путь газов, что не позволяет осуществлять их переработку, в виде сжигания.

– Увеличивается количество вредных веществ, выпускаемых через систему.

Говоря о том, как работает клапан продувки адсорбера и зачем, не стоит забывать, что повышение показателей экологичности авто – первостепенная задача, которая может быть нарушена, если электромагнитный клапан продувки адсорбера функционирует не верно.

– Звуки, похожие на некое шипение.

Сильное шипение в шланге адсорбера, причина которого – скопление газов, не является редкостью. Поскольку современные требования, предъявляемые к авто, не позволяют осуществлять выбросы газов во время стоянки, определенное скопление допустимо.

– Характерные звуки, доносящиеся из бензобака.

Говоря про адсорбер Лада Гранта, для неисправности которого всегда характерны посторонние звуки, доносящиеся из бензобака, необходимо сказать, что они являются наиболее типичным признаком поломки. Датчик адсорбера при этом может не выдавать каких-либо показателей неисправности, следовательно, так же подлежит замене.

Таким образом, признаки неисправности клапана продувки адсорбера Лада Гранта, выявить достаточно просто. Кроме того, они выявляются при простой заправке машины, которая в обязательном порядке требует открытия крышки бензобака.

Как отремонтировать неисправность

Говоря про ремонт адсорбера, следует четко установить неисправность. К примеру, если речь идет про клапан продувки адсорбера гранта, неисправности которого может индексироваться отсутствием качественного отвода газов, решением проблемы может стать новый клапан продувки адсорбера Ваз.

Сам ремонт клапана адсорбера сводится к использованию крестообразной отвертке и её применению. Порядок воздействия на датчик адсорбера Лада Гранта:

1) Убираем клеммы, дабы не было плачевных последствий.

2) Прилагаем физическое усилие и нежно снимаем клапан.

3) Сравниваем новый клапан и старый, ибо всякое в жизни бывает. Купить клапан адсорбера, конечно, вещь простая, но бывают ошибки продавцов/кладовщиков, которые могут по ошибке реализовать не нужную запчасть.

4) Вставляем новый клапан, собираем эту систему, возвращаем на место клеммы и радуемся жизни. Клапан продувки адсорбера Гранта, цена которого является практически одинаково низкой по всей территории реализации Грант, так же является поводом для маленькой, но все-таки радости.

Невозможно в ходе рассказа про адсорбер не упомянуть тот факт, что огромное число владельцев Лада Гранта предпочитают устранять это устройство. Причины у поступка две:

– отсутствие желания ремонтировать

– отсутствие веры в возможную пользу для экологии от установки данного устройства в рамках своего авто

Ценовая политика

Говоря про клапан продувки адсорбера Гранта, купить который сегодня возможно во всех крупных и не очень местах реализации запасных частей на русский автопром, невозможно не отметить его приятную цену. Клапан адсорбера Гранта, цена которого эквивалентна вероятности его выхода из строя, предусматривает самостоятельную замену и представляет собой простейший механизм.

Таким образом, поддержание экологических стандартов Лады Гранта является делом, поистине, рукотворным. Адсорбер стал деталью, которая, помимо заботы об экологии, позволяет существенно снизить показатели расхода топлива и усовершенствовать работу вывода отработанных газов.

Итак, я обещала подробно расписать некогда возникшую у меня проблему с КПА. Пишу.

Ох уж этот клапан продувки адсорбера! Единственная поломка, которая несколько омрачила в целом безоблачное владение Грантой… С ней была целая эпопея. А дело было так.

Аккурат ближе к 50000 пробега машина начала периодически глючить, плохо ехать, как-будто 30% мощности потеряла. Резко падали обороты при езде накатом (сразу же как отпускаешь газ — стрелка тахометра рухала вниз) и даже при разгоне обороты могли чуть проседать, плавали. Разгон был ооочень тугой. Например чтобы разогнаться на 10-20 км на 4-ой, автомат вынужден был переходить на 3-ю и крутить движок на 4000+ об. По-другому, просто не получалось прибавить. При этом машина громко выла и гудела (был характерный звук воздушного потока — как в шланге пылесоса) и не ехала толком. А при езде ощущения были как будто не на маленькой лёгкой Гранте едешь, а на фуре тяжелой. Ещё у меня было стойкое чувство, что когда жмешь газ, кто-то немного придерживает тормоз. Ну так же не может быть? Бесило жутко! А главное, по-началу глюк был плавающий. Одну поездку машину могло глючить всю дорогу, могло отпустить неожиданно в любой момент, а могло и не отпустить до следующей поездки. Могла машина и несколько дней ездить нормально или несколько дней глючить.

Искали причину долго, месяца 3. Чеков никаких не было. У ОД на нас с мужем посмотрели грустными глазами. Выслушали, покачали головой, по итогу сказали «ну едет же, что глючит — не понятно, если совсем сломается и ехать перестанет — вот тогда и приходите» и отправили домой. В коммерческих сервисах тоже сказать ничего не могли, даже предположить ЧТО это может быть. Поэтому начали искать сами. Вначале перебрали тормозную систему, чтобы исключить влияние подклинивания ручника и тормозов. Заменили тросик ручника. Задние тормозные колодки, как оказалось, уже пора было менять, поменяли. Перед был нормальный, просто проверили и оставили как есть. Далее всё уже делали сами, т.к. в сервисах с нашей бедой нас посылали.

Знакомый подсказал поменять воздушный фильтр, поменяли. Ничего не именилось. Стали копать глубже.

К тому моменту уже было понятно, что проблема связана с избыточным поступлением воздуха во впускной коллектор, т.е. обеднялась смесь. Кстати, расход бензина тогда у меня был на удивление низкий. По трассе около 6л 95-ого, в смешанном режиме — не более 6,5 л. Далее мы стали отключать последовательно датчики расхода кислорода, пробовали ездить без них. Ничего не изменилось, машина продолжала глючить, т.е. дело было не в них. Заменили датчик расхода воздуха на новый. Тоже ничего не изменилось.

И наконец мы добрались до КПА. Муж купил новый КПА «Утес» от Калины, потому что в магазине другого не было, но продавцы утверждали, что на Гранту он тоже подойдёт. Прилошадили его, поехали тестить. И снова Ничего не именилось, машина глючила абсолютно также. Да что ж такое то? И тут произошло чудо — через несколько минут езды с «Утесом» впервые загорелся ЧЕК! Чек нам поведал о неправильном расходе воздуха через КПА. Т.е. воздух через клапан проходит слишком много или слишком мало. В результате последующих экспериментов оказалось, что калиновскому КПА на Гранте не хватает напряжения для работы и он не открывается совсем. Тогда мы пошли на радикальные меры, что бы проверить, в КПА ли всё-таки дело. Отключили КПА совсем и поехали без него. И О ЧУДО, машина взяла и снова поехала как раньше! Разница в езде до и после была явной и чувствовалась очень отчётливо, даже с пассажирского сиденья.

Далее муж снял калиновский КПА, подкрутил на нём регулировочный винт, вкрячил снова в машину. Снова поехали тестить, машина стала ехать почти как раньше, но вылечилась явно не до конца. Потом муж подключался с телефона к машине и с пом. диагностической программы смотрел как работает КПА в разных режимах езды и на стоящей машине и управлял открытием и работой этого клапана на заданный процент. Это позволило нам наглядно изучить как работает этот клапан, как должен работать и как он глючит у нас. В общем с калиновским КПА машина так и не поехала нормально. Плюнули, купили другой КПА, грантовский, завода «Счётмаш», установили и тем самым вылечили машину окончательно. Машина просто полетела как новая! И счастью моему не было предела! После замены КПА на адекватно работающий расход бенза несколько повысился — теперь 6,8-7,2 в смешанном цикле. Езжу на 95-м. Вот такая история.

Система питания. Описание конструкции

Система питания:
1 – наливная труба;
2 – вентиляционная трубка;
3 – пластмассовая трубка;
4 – шланг наливной трубы;
5 – топливный бак;
6 – трубка вентиляции адсорбера;
7 – адсорбер;
8 – трубка отвода паров топлива из адсорбера;
9 – трубка подвода топлива к рампе;
10 – крышка топливного модуля;
11 – тройник;
12 – трубка отвода паров топлива из бака к адсорберу;
13 – трубка подвода топлива к топливному фильтру;
14 – трубка отвода топлива из фильтра к тройнику;
15 – топливный фильтр;
16 – шланг подвода воздуха к дроссельному узлу;
17 – датчик массового расхода воздуха;
18 – воздушный фильтр;
19 – воздухозаборник;
20 – ресивер;
21 – дроссельный узел;
22 – топливная рампа;
23 – впускная труба;
24 – форсунки;
25 – клапан продувки адсорбера

В пробке заливной горловины установлен клапан, препятствующий возникновению разрежения в баке

Топливо подается из бака, установленного под днищем автомобиля в районе заднего сиденья. Топливный бак выполнен из пластмассы. Металлическая наливная труба соединена с баком бензостойким резиновым шлангом. В верхнюю часть наливной трубы вварена вентиляционная трубка, соединенная с баком пластмассовой трубкой. Вентиляционная трубка служит для отвода воздуха, вытесняемого из бака при его заправке топливом.

Топливный модуль:
1 – регулятор давления топлива;
2 – крышка модуля;
3 – электрический разъем;
4 – топливный насос;
5 – датчик указателя уровня топлива;
6 – рычаг поплавка;
7 – поплавок;
8 – стакан

Топливный модуль, включающий в себя топливный насос, регулятор давления топлива и датчик указателя уровня топлива, установлен в топливном баке. Для доступа к топливному модулю под подушкой заднего сиденья в днище автомобиля выполнен лючок. Для предварительной очистки топлива на входе модуля имеется сетчатый фильтр. Датчик указателя уровня топлива прикреплен к стакану топливного модуля и представляет собой переменный резистор, сопротивление которого зависит от перемещения поплавка датчика. Датчик управляет работой указателя уровня топлива и сигнализатора резерва топлива, расположенных в комбинации приборов.

Топливный насос расположен внутри корпуса топливного модуля. Насос электрический, вихревого типа. Топливный насос включается по команде электронного блока управления (контроллера) при включении зажигания, через реле. Насос подает топливо в магистраль под давлением (около 6,0 бар), превышающим рабочее давление в топливной рампе. Топливо, проходя через насос во время его работы, смазывает и охлаждает насос. Поэтому запрещается включать насос даже на короткое время, если в баке нет топлива. Производительность топливного насоса не менее 60 л/ч.

На корпусе фильтра нанесена стрелка, которая должна совпадать с направлением движения топлива

От насоса топливо под давлением подается по трубке в крышку топливного модуля, а оттуда – к топливному фильтру, закрепленному на топливном баке возле правого порога кузова. Топливный фильтр тонкой очистки – неразборный, выполнен в пластмассовом корпусе с бумажным фильтрующим элементом. Фильтр предназначен для очистки топлива от механических примесей с тонкостью очистки до 10 мкм.

Соединение топливного модуля с фильтром и рампой:
1 – топливный фильтр;
2 – трубка отвода топлива из фильтра к тройнику;
3 – трубка подвода топлива к фильтру;
4 – тройник;
5 – крышка топливного модуля;
6 – трубка подвода топлива к рампе;
7 – топливный модуль

После фильтра топливо по трубке подается к тройнику. Через тройник топливо подводится к топливной рампе и регулятору давления топлива, расположенному в топливном модуле.

Регулятор давления топлива

Регулятор давления топлива представляет собой клапан, который открывается при превышении заданного давления топлива в магистрали и стравливает часть топлива в бак. Регулятор давления неразборный, при выходе из строя подлежит замене. Давление топлива в топливной рампе при включенном зажигании и неработающем двигателе должно составлять от 3,6 до 4,0 бар. Это необходимо для точного дозирования топлива форсунками.

Топливная рампа с форсунками

Топливная рампа представляет собой металлическую трубку с установленными на ней форсунками. Рампа прикреплена к впускной трубе двумя винтами. С левой стороны к рампе крепится наконечник топливного шланга нагнетательной магистрали, а в правом торце рампы расположен штуцер для удаления воздуха из магистрали.
Топливо под давлением подается во внутреннюю полость рампы, а оттуда – через форсунки во впускную трубу

Форсунка с уплотняющими кольцами

Форсунка представляет собой электромагнитный клапан, пропускающий топливо при подаче на него напряжения и запирающийся под действием возвратной пружины при обесточивании.

На выходе форсунки выполнен распылитель с четырьмя отверстиями, через которые топливо впрыскивается во впускную трубу

Форсунки уплотняются в рампе и впускной трубе резиновыми кольцами и фиксируются на рампе металлическими скобами. Управляет работой форсунок контроллер. При обрыве или замыкании обмотки форсунки, форсунку следует заменить. Если форсунки засорились, их можно промыть без демонтажа на специальном стенде СТО.

Фильтрующий элемент воздушного фильтра

Воздух подводится к впускным каналам головки блока цилиндров двигателя через воздухозаборник, воздушный фильтр, гофрированный резиновый шланг, дроссельный узел, ресивер и впускную трубу. Воздушный фильтр установлен в передней левой части моторного отсека на трех резиновых держателях (опорах). Фильтрующий элемент – бумажный. На участке между воздушным фильтром и дроссельным узлом установлен датчик массового расхода воздуха.

Дроссельный узел:
1 – крышка редуктора;
2 – корпус;
3 – дроссельная заслонка;
4 – блок управления;
5 – электрический разъем

Дроссельный узел представляет собой корпус дроссельной заслонки, на котором установлен блок управления. Блок управления заслонкой состоит из электродвигателя постоянного тока с редуктором и датчика положения заслонки. Заслонка открывается на требуемый угол по сигналу контроллера, который в свою очередь отслеживает положение педали «газа». Пройдя дроссельный узел, воздух попадает в ресивер, выполненный из высокопрочной термостойкой пластмассы. Из общей полости ресивера воздух по четырем отдельным каналам подводится к впускной трубе, а оттуда – к впускным каналам головки блока цилиндров.

Ресивер:
1 – штуцер шланга вакуумного усилителя тормозов;
2 – общая полость ресивера;
3 – шпильки крепления кронштейна;
4 – штуцер трубки клапана продувки адсорбера;
5 – фланец соединения с дроссельным узлом;
6 – каналы подвода воздуха к впускной трубе

Впускная труба:
1 – каналы подвода воздуха от ресивера;
2 – каналы подвода воздуха к каналам головки блока цилиндров

Адсорбер:
1 – трубка подвода паров топлива к клапану продувки адсорбера;
2 – корпус;
3 – трубка подвода паров топлива из бака;
4 – трубка вентиляции

В состав системы питания входит система улавливания паров топлива, препятствующая попаданию паров в атмосферу. Система улавливания паров топлива состоит из адсорбера, электромагнитного клапана продувки адсорбера, соединительных трубок и шлангов. Пары бензина из топливного бака по трубке попадают в адсорбер (установленный на топливном баке сверху, с левой стороны) через штуцер с надписью «TANK», где поглощаются активированным углем. Второй штуцер адсорбера с надписью «PURGE» соединен трубопроводом с электромагнитным клапаном продувки адсорбера, а третий с надписью «AIR» – с атмосферой.

Электромагнитный клапан продувки адсорбера:
1 – электрический разъем;
2 – корпус;
3 – трубка, соединяющая клапан со штуцером ресивера;
4 – штуцер для присоединения трубки подвода паров топлива из адсорбера

Электромагнитный клапан продувки адсорбера установлен на кронштейне, закрепленном на корпусе воздушного фильтра. При остановленном двигателе электромагнитный клапан продувки закрыт, и в этом случае адсорбер не сообщается с впускным трактом. Контроллер, управляя электромагнитным клапаном, осуществляет продувку адсорбера, после того как двигатель проработает заданный период времени с момента перехода на режим управления топливоподачей по замкнутому контуру (управляющий датчик кислорода должен быть прогрет до необходимой температуры). Клапан сообщает полость адсорбера с ресивером – и происходит продувка сорбента: пары топлива смешиваются с воздухом и отводятся через ресивер во впускную трубу и далее – в цилиндры двигателя. Чем больше расход воздуха двигателем, тем больше длительность управляющих импульсов контроллера и тем интенсивнее продувка.

Замена клапана продувки адсорбера (КПА) на Лада Гранта своими силами

Сегодняшняя статья будет посвящена системе улавливания топливных паров, а если точнее, то клапану продувки адсорбера. Вы узнаете, что такое клапан продувки адсорбера, для чего он предназначен, как понять, что клапан продувки вышел из строя, а также о том, как заменить КПА на Лада Гранта.

Немного теории…

Что такое клапан продувки адсорбера?

На самом деле тема довольно обширная и описывать принцип работы КПА, а также все тонкости системы вентиляции топливных паров, можно очень долго. Но так как основная идея моей сегодняшней статьи — это замена клапана продувки адсорбера своими руками, то теорию затрону лишь поверхностно.

В общем, по мере ужесточения экостандартов и требований международных ассоциаций к автопроизводителям, автомобили стали «обрастать» различными датчиками, контроллерами и целыми системами, главной задачей которых было — снизить уровень вредных выбросов в атмосферу. И если катализатор дожигает уже отработавшие газы и нейтрализует уровень вредного CO/CO2/CH/NO, то адсорбер борется с парами топлива.

Адсорбер, о котором я уже когда-то рассказывал, представляет собой небольшую коробку или резервуар, заполненный мелким углем, который впитывает пары топлива, тем самым выполняя две функции — вентиляция и нейтрализация вредных испарений. Работа адсорбера крайне важна во время остановки двигателя, именно после того как вы заглушили мотор адсорбер начинает впитывать и нейтрализовать все испарения, поступающие из топливного бака.

Когда вы запускаете мотор в работу включается клапан продувки адсорбера. Он обеспечивает вентиляцию топливных паров, которые отводятся из адсорбера и поступают во впускной коллектор, где дожигаются в процессе работы двигателя. Таким образом происходит «продувка» адсорбера, его вентиляция, а также нейтрализация вредных испарений путем их дожигания. Более подробно о том, что такое адсорбер, о принципе его работы, а также основных неисправностях читайте в этой статье, если вам интересно можете полюбопытствовать, а мы перейдем к более важной теме.

Как понять, что КПА забит или вышел из строя?

  • Неисправность клапана продувки проявляется по-разному, признаки могут быть следующие:
  • Горит Check Engine;
  • Появляется ошибка Р0441- «Некорректный расход воздуха через клапан продувки адсорбера»;
  • Увеличивается расход топлива;
  • Ухудшается динамика;
  • Нестабильная работа двигателя на холостых.

Как проверить клапан продувки адсорбера Лада?

  1. Снимаем КПА и подаем на выводы питание 12 В на выводы. Рабочий клапан должен щелкать, если никаких звуков и щелчков клапан не издает, скорее всего, он вышел из строя или проще говоря заклинил.
  2. Второй способ проверки. Берем КПА и пробуем продуть его ртом, если продувается без проблем, то клапан не рабочий. Исправный клапан продувки без питания не получится продуть.

Замена клапана продувки адсорбера на Лада Гранта своими руками

Иногда при заклинившем КПА его удается «вернуть к жизни» при помощи промывки, для этого используют либо жидкость для промывки карбюратора, либо обычную «WD-шку». Но результат не всегда есть, поэтому не стоит сильно на это рассчитывать. Если же после промывки все осталось по-прежнему, придется заменить клапан продувки адсорбера. Делается это следующим образом.

В магазине покупаем новый КПА, а также два хомута маленьких и шланг подходящего диаметра, как правило подходит топливный шланг. Берем минимальный набор инструментов (отвертка, нож, пассатижи) и приступаем к работе, весь процесс отнимет у вас не более получаса времени.

  1. Первое, что необходимо сделать — снять воздушную гофру с корпуса воздухана, для этого берем отвертку и ослабляем хомуты. Снимаем патрубок и под всем этим хозяйством находим наш клапан.

  1. Отсоединяем крепление КПА и отключаем его питание, оно имеет колодку с фиксатором, на который нужно надавить. Затем отсоединим по очереди патрубки клапана адсорбера.
  2. Один шланг тот, что из «дубового» пластика, одетый на штуцер можно просто срезать, снимать его не пытайтесь, даже если все удастся, то на новом клапане она будет держаться неплотно. Тем более у нас все предусмотрено и подготовлен новый патрубок. Если сильно хочется можно использовать герметик и попытаться им загерметизировать соединение старого шланга.

  1. Снимаем все быстросъемные соединения и перекручиваем их на новый шланг. Сами шланги и разъемы важно не перепутать, чтобы не нарушить работу системы вентиляции.

Собираем все в обратном порядке и крепим патрубок воздуховода на место. Далее заводим мотор и убеждаемся, что проблема исчезла. Ошибку лучше предварительно стереть.

На этом буду заканчивать, как видите ничего сложного. Замена клапана продувки адсорбера производится ненамного сложнее, чем так же замена воздушного фильтра. Пробуйте и у вас все обязательно получится. Если статья была для вас полезной, поделитесь ссылкой на нее со своими близкими, для этого скопируйте ссылку для социальных сетей или воспользуйтесь специальными кнопками, расположенными ниже. Буду также признателен если оставите содержательный комментарий. Всем пока и до новых встреч на ВАЗ Ремонт.

Фото отсюда: https://www.drive2.ru/l/8677844/, https://www.drive2.ru/l/7641808/

&nbsp

Клапан адсорбера Лада Калина 8 клапанов: как проверить, где находится

С помощью данного клапана обеспечивается возможность регулировки объема паров бензина, подающихся внутрь камер сгорания мотора Лада Калина. Сам адсорбер является достаточно сложным узлом, в структуру которого входят несколько клапанных элементов, отвечающих за поддержание определенных характеристик функционирования системы топливоподачи.

Назначение клапана продувки адсорбера

В модели Лада Калина, как в принципе и любом прочем авто, оборудованном распределенным впрыском топлива, адсорбирующая система необходима для локализации образующихся бензиновых паров. Они скапливаются внутри бака после остановки мотора, а по прошествии определенного времени, необходимого для превращения данных паров в конденсационное состояние, переходят обратно в жидкое топливо. Оставшийся объем паров, которому не удалось вернуться в бак, перемещается в адсорбер, где удерживается двумя клапанами. Первый (гравитационного типа) необходим для предотвращения пролива топлива во время переворачивания кузова LADA Kalina (при аварии и пр.), а с помощью 2-го осуществляется контроль показателя давления внутри бака.

Преодолев указанные клапаны, пары перемещаются в полость адсорбера, который выполнен в форме банки, заполненной активированным углем. Сразу после пуска двигателя скопившиеся внутри емкости пары направляются в камеры, где осуществляется их сжигание.

Чтобы контур данного узла вентилировался и имел возможность осуществлять регулировку объема паров, в адсорбере присутствует электромеханический клапан продувки адсорбера для продувки (КПА). Датчик адсорбера управляется посредством специального контроллера.

Если в данном узле возникают неисправности, то мотор LADA Kalina сразу реагирует на это путем повышения топливного расхода и снижения показателя мощности. Также если датчик адсорбера не корректно работает, это может вызвать неудовлетворительное проветривание бака или даже вывести из строя бензонасос.

Как проверить работу датчик? Для диагностирования системы нужно взять во внимание несколько простых признаков. Неисправность адсорбера может выдать себя провалами мотора на холостом ходу, вдобавок к чему наблюдается присутствие запаха топлива внутри салона Лада Калина. Именно в данном случае потребуется безотлагательно заменить КПА, иначе возникает угроза существенной поломки компонентов мотора и элементов контура топливоподачи. Теперь вы знаете, как проверить систему.

Лада Гранта лифтбек фото багажника

Объем багажника Гранта

Коврик в багажник Лада Гранта лифтбек

Меняем клапан продувки на Калине

Сама процедура замены не состоит в числе сложных мероприятий. Для ее выполнения владельцу понадобится обзавестись обычной отверткой крестообразного профиля и знать где находится клапан.

Далее приводим алгоритм действий, позволяющий быстро и оперативно выполнить указанную процедуру.

  1. От минусового вывода АКБ отсоединяем соответствующую клемму.
  2. От самого клапана потребуется отсоединить разъем питания.
  3. Для удобства подступа к узлу смещаем немного в сторону всасывающий патрубок системы впуска вместе с датчиком «ДМРВ». Для этой цели указанной отверткой ослабляем затяжку хомута патрубка и выполняем действие.
  4. Теперь приступаем к демонтажу узла. Для этого отсоединяем пару штуцеров, располагающихся на боках изделия. Один из крепежных элементов зафиксирован защелкой и для его демонтажа потребуется утопление фиксатора с последующим приподниманием усиков и завершающей подтяжкой штуцера в бок.
  5. Перед установкой нового компонента проверяем соответствие маркировок на обоих клапанах и убеждаемся в их идентичности.
  6. Монтаж и фиксацию изделия осуществляем по обратному порядку.

Клапан продувки адсорбера заменен.

Подведем итоги

Работа по замене клапана проста, однако, когда владелец Лада Калина не уверен в своих возможностях или не проявляет желание производить ремонтные манипуляции в таком узле повышенной опасности, как система топливоподачи, то рекомендуем прибегнуть к услугам специализированной мастерской.

Система управления паров бензина | Лады Гранты

Автор Константин На чтение 2 мин. Просмотров 22.2k.

   Система улавливания паров бензина автомобиля лада гранта (ваз — 2190) применяется в системе впрыска. Улавливание паров в системе осуществляется угольным адсорбером, установленным в моторном отсеке. Он соединяется с дроссельным патрубком и топливным баком трубопроводами. Электромагнитный клапан, расположенный на его крышке, предназначен для переключения режимов работы системы. При неработающем двигателе он закрыт. При этом пары бензина по трубопроводу из топливного бака лады гранты поступают в адсорбер, где их впитывает в себя активированный уголь (гранулированный). Когда двигатель работает – пары бензина отсасываются к дроссельному патрубку, а оттуда поступают в впускную трубу, где в дальнейшем сжигаются. 

 

  Продувка адсорбера управляется контроллером, который включает электромагнитный клапан, находящийся на крышке адсорбера. Клапан отрывается подачей на него напряжения и пары поступают в впускную трубу. Управление клапаном осуществляется методом широтно-импульсной модуляции. Частота коммутаций клапана – 16 раз в секунду. Длительность импульсов включения клапана прямо пропорциональна расходу воздуха.

   Клапан продувки адсорбера включается контроллером только в случае соблюдения всех следующих условий:

1. Дроссельная заслонка открыта более, чем на 4 %, но менее 99 %. В последнем случае клапан продувки адсорбера будет контроллером отключен.

2. Лада гранта движется быстрее 10 км/ч. Отключается клапан при снижении скорости до 7 км/ч и меньше.

3. Температура охлаждающей жидкости превышает 75 ˚С.

4. Система управления подачей топлива — с обратной связью (режим замкнутого цикла). 

 

  При ремонте лады гранты узлы описанной системы демонтируют и проверяют. При появлении устойчивого запаха бензина – заменяют (это может быть вызвано разгерметизацией трубопроводов и узлов или в случае выхода из строя клапана продувки). Разгерметизация адсорбера и выход из строя клапана продувки могут быть причиной отказа работы двигателя на холостом ходу и в этом случае ремонта гранты не избежать.

11181164200 Клапан ВАЗ-1118 продувки адсорбера УТЕС — 1118-1164200

11181164200 Клапан ВАЗ-1118 продувки адсорбера УТЕС — 1118-1164200 — фото, цена, описание, применимость. Купить в интернет-магазине AvtoAll.Ru Распечатать Применяется: ВАЗ

Артикул: 1118-1164200

Код для заказа: 158774

Добавлено пользователем

620 ₽

Только самовывоз

Производитель: УТЕС Получить информацию о товаре или оформить заказ вы можете по телефону 8 800 6006 966. Только самовывоз

Данные обновлены: 25.12.2021 в 00:30

Код для заказа 158774 Артикулы 1118-1164200 Производитель УТЕС Каталожная группа: ..Система питания двигателя
Двигатель
Ширина, м: 0.09 Высота, м: 0.04 Длина, м: 0.09 Вес, кг: 0.115

Где применяется

Сертификаты

Статьи о товаре

  • «Хрустальные» ВАЗы: Лада Гранта и Лада Ларгус 9 Апреля 2013

    Сегодня в очередной статье серии ««Хрустальные» ВАЗы или типичные поломки отечественных автомобилей» речь пойдёт о последних разработках Волжского автомобильного завода: Ладе Гранте и Ладе Ларгус. Расскажем об истории создания этих моделей, а также об их характерных неисправностях.

  • «Хрустальные» ВАЗы: «Восьмёрка», Калина, Приора 26 Марта 2013

    Серия статей ««Хрустальные» ВАЗы, или типичные поломки отечественных автомобилей» рассказывает о характерных проблемах и неполадках машин, выпускаемых Волжским автомобильным заводом. Сегодня мы поговорим о переднеприводном семействе «Самара», а также его современных аналогах.

Наличие товара на складах и в магазинах, а также цена товара указана на 25.12.2021 00:30.

Цены и наличие товара во всех магазинах и складах обновляются 1 раз в час. При достаточном количестве товара в нужном вам магазине вы можете купить его без предзаказа.

Интернет-цена — действительна при заказе на сайте или через оператора call-центра по телефону 8 800 6006 966. При условии достаточного количества товара в момент заказа.

Цена в магазинах — розничная цена товара в торговых залах магазинов без предварительного заказа.

Срок перемещения товара с удаленного склада на склад интернет-магазина.

Представленные данные о запчастях на этой странице несут исключительно информационный характер.

4c7071a4e2117fe1a4764fc8b22b5672

Добавление в корзину

Код для заказа:

Доступно для заказа:

Кратность для заказа:

Добавить

Отменить

Товар успешно добавлен в корзину

!

В вашей корзине на сумму

Закрыть

Оформить заказ

Датчик адсорбера гранта цена — Автомобильный портал AutoMotoGid

Для Вашего удобства у нас существуют различные способы доставки и оплаты товара:

Порядок отгрузки в регионы РФ .

  1. Оформляете заказ через сайт или по телефону.
  2. Менеджер связывается с Вами по телефону и уточняет детали заказа и способ оплаты.
  3. Вы оплачиваете счет через банк, после прихода денег на наш расчетный счет (как правило 1-3 дня после оплаты товара), при оплате через системы электронных денег (зачисление средств происходит в течении дня) мы доставляем товар до транспортной компании.

Способы оплаты:

1. Оплата на карту Visa СберБанк.

2. Оплата на Яндекс.Деньги

3. Оплата на QIWI

4. Оплата на расчетный счет

5. Наложенный платеж – Оплата при получении на почтовом отделении ( Только для доставки Почтой России )

1.Почта России

Расчет стоимости доставки (город отправления Тольятти)
Отслеживание посылки по трек-номеру
Срок доставки от 3 до 12 дней, по всей России.

2. Курьерской службой Почты России EMS

Расчет стоимости доставки (город отправления Тольятти)
Отслеживание посылки по трек-номеру

Срок доставки от 4 до 10 дней, по всей России, дороже на 100% чем почтой.

3. Первым классом Почты России.

Срок доставки от 3 до 10 дней, по всей России, дороже на 50% чем почтой.

4.Транспортная Компания

(Пэк, Кит, Деловые Линии, Байкал Сервис, Автотрейтинг, Энергия, ЖелДорЭкспедиция).

Срок доставки до 10 дней, по всей России, только в крупные города. Габаритные посылки выгоднее на 50% чем почтой.

5. Доставка курьером по г.Тольятти

Срок доставки от 1ч до 12 по г.Тольятти. Стоимость 100-150р в зависимости от района.

6.Самовывоз из офиса Интернет-магазина в г. Тольятти.
Время для осуществления самовывоза необходимо уточнить у менеджера.

Являясь небольшим по размерам, датчик абсорбера Гранта тем не менее играет важнейшую роль в работе силовой установки. Выход его из строя способен серьёзно затруднить эксплуатацию автомобиля.

Так как прибор в ранних моделях ВАЗ не применялся, далеко не все автомобилисты могут определить его техническое состояние, а некоторые даже не знают, для чего он предназначен. При этом данный элемент является обязательным для автотранспорта, оснащённого двигателями внутреннего сгорания и отвечающего экологическому стандарту «Евро-2» и выше.

Немного о конструкции

В борьбе за чистый воздух и, отчасти, за экономичность, производители дополнили современные автомобили системами улавливания паров топлива – адсорберами. Они призваны собирать (адсорбировать) пары бензина и отправлять их на дожиг в цилиндры. Таким образом, создается препятствие для непосредственного контакта между атмосферой и вентиляцией бензобака.

Стандартный абсорбер Лада Гранта включает в себя сепаратор, воздушный фильтр адсорбирующий материал и 2 клапана, один из которых – электромагнитный и служит для регулировки давления в бензобаке, а второй – гравитационный – предотвращает утечку топлива при аварийных ситуациях, связанных с переворачиванием авто.

Особого внимания требует именно первый клапан, нередко также называемый датчиком. Он в обязательном порядке должен срабатывать при пуске двигателя, сразу же после получения соответствующего сигнала с контроллера.

Диагностика неисправностей

Рано или поздно любая деталь автомобиля выходит из строя по причине износа или из-за механических повреждений. И здесь клапан абсорбера Гранта не является исключением. Более того, если в бензобак заливается топливо невысокого качества, он находится в «зоне особого риска» – микрочастицы, которые содержаться в парах бензина приводят к достаточно быстрому его загрязнению. Диагностируется проблема как по коду, так и по косвенным признакам, среди которых следующие:

– избыточное давление в топливном баке;
– провалы на холостых оборотах;
– слабая тяга двигателя;
– отсутствие звуков срабатывания клапана при работающем двигателе;
– запах бензина в салоне, либо рядом с авто.

При разогреве двигателя исправный клапан издаёт особые звуки, напоминающие клацанье или стрекотание. Если их не слышно – есть повод обеспокоиться. Одновременно, необходимо различать звуки нормально работающего клапана от шумов, издаваемых неисправными роликами или ГРМ. Для этого достаточно нажать достаточно резко на педаль газа – звук не должен измениться или стихнуть.

Когда клапан выходит из строя, происходит скапливание паров, которые не могут найти выход. В этом случае, при открытии крышки топливного бака, отчётливо слышится шипение. Необходимо учесть, что допускается наличие лёгкого шипения, свидетельствующего лишь о хорошей герметичности вентиляционной системы.

При неисправностях клапана, в топливном баке может возникнуть разрежение и тогда снизится производительность бензонасоса, что приведёт к слабой тяге и провалам в работе мотора. Не исключается, что во впускном коллекторе произойдёт накопление топлива, что также станет помехой для стабильной работы мотора.

Возможные последствия

Какой бы не была причина, неисправность электромагнитного клапана необходимо устранить своевременно. Поездки с нерабочей деталью чреваты многими неприятностями, в числе которых:

– деформация бензонасоса;
– засорение свечей;
– поломка лямбда-зонда;
– выход из строя катализатора;
– неудовлетворительная работа двигателя;
– повышенный расход топлива;
– возможность возгорания.

К счастью, на датчик абсорбера Гранта цена невелика и доступна каждому автовладельцу, а процесс замены занимает не более 30 минут даже при минимальном опыте. Поэтому если имеются признаки выхода детали из строя, не стоит тянуть, а лучше как можно скорее приступить к работе.

Пошаговая замена клапана

Из инструментов для замены клапана потребуется лишь крестовая отвертка. Ремонт успешно выполнятся в гаражных условиях. Расположение и конструкция адсорбера призваны содействовать выполнению всех возложенных на него функций. Конструкторы выбрали для прибора оптимальное место – в моторном отсеке, а клапан разместили внутри – на полке крепления аккумулятора. Снимается клапан по следующей схеме:

1. Отсоединить от клапана разъем проводов, для чего аккуратно отжать фиксатор крепления.

2. Нажать на фиксатор наконечника шланга клапана и отсоединить шланг от штуцера модуля впуска.

3. Отжать отверткой держатель клапана и снять клапан с кронштейна полки крепления батареи.

4. Нажать на фиксаторы и разъединить штуцер клапана и наконечник магистрали, подающей пары топлива.

5. Полностью снять клапан адсорбера.

После того, как клапан снят, выполняется его проверка – на наконечник шланга надевается резиновая груша в сжатом состоянии. Далее на контакты клапана подаётся напряжение 12 В. Если клапан исправен – он откроется, а груша наполнится воздухом. Если же этого не произойдёт – клапан подлежит замене. Чтобы установить деталь на место, выполняются аналогичные шаги, но в обратной последовательности.

Несколько полезных советов

Для автомобиля Лада Гранта абсорбер и все его компоненты можно приобрести в специализированных магазинах, в том числе, через интернет. Завод производитель рекомендует подбирать запчасти, полностью соответствующие конкретной модели.

После установки новой детали, следует проконтролировать её работу. В частности, после нескольких дней интенсивной эксплуатации, желательно проверить герметичность системы, не забывая при этом, что утечка паров бензина пожароопасна.

Работоспособность абсорбера, его нормальное функционирование – это не только выполнение требований законодательства, относительно защиты окружающей среды, но и показатель ответственности водителя, проявление заботы об автомобиле и обязательное условие его безопасной эксплуатации.

Розничный магазин на Уралмаше ул.Бакинских комиссаров, 113. 8 (343) 221-35-35

02. Курьером при заказе больше 2000 руб, по Екатеринбургу с 20ч до 22ч

Доставка только до подъезда. До квартиры дополнительно +100р .

02.2. Курьером при заказе меньше 2000 руб, по ЕКБ с 19ч до 22ч

Доставка до подъезда или до ворот. До двери +100 руб курьеру.

02.3. Курьером за ЕКАД, до 20км, с 20 до 22ч

Стоимость доставки рассчитает менеджер и уведомит по телефону или почте если ваш телефон не доступен.

После отправки обязательно высылаем ТРЕКНОМЕР посылки.

На официальных сайтах крупнейших производителей запчастей: SS20, Технорессор, Демфи, СЭВИ, интернет-магазин illva.ru – ИП Королева, рекомендован как надежный поставщик оригинальных запчастей.

07. ТК СДЭК – бережная и быстрая доставка

Рекомендуем для нетяжелых посылок! Недорого до 10кг и без очередей, множество пунктов выдачи во всех крупных и средних и малых городах, выберите ближайший к вам на Яндекс картах введя в поиск СДЭК. После отправки присылаем ТРЕКНОМЕР отслеживания. Заполняйте полное ФИО в поле Имя . Оплата межгорода при получении. Отправка бесплатна.

05. ТК «КИТ» – очень много филиалов

Рекомендуем! доставка, в более 300 городов России и ЕАЭС (Казахстан, Киргизия, Армения, Белоруссия, Крым). Цену доставки можно уточнить у нашего менеджера или на сайте ТК КИТ. После отправки присылаем ТРЕКНОМЕР отслеживания. Доставка до ТК КИТ БЕСПЛАТНА!

Невысокие цены. Рекомендуем на северные и восточные направления и Казахстан.

Доставка по территории России и стран Белорусь, Казахстан, и Китай.

Заполняйте полное ФИО и в комментарии к заказу ниже укажите серию и №паспорта. Доставка до ТК Энергия БЕСПЛАТНА!

06. ТК «Деловые линии»

Цены высокие со множеством накруток! Внимание!! ТК ДелЛинии автоматически включает в накладную услуги – Страховка и Доставка курьером – но вы можете оказаться от этих услуг при получении, иначе с ними доставка выйдет в два раза дороже! Небольшие и недорогие грузы возить ей невыгодно. После отправки груза присылаем ТРЕКНОМЕР отслеживания. Заполняйте полное ФИО в заказе. В комментарии к заказу ниже, укажите серию и №паспорта. Оплата доставки при получении – н иже указана стоимость отправки этой ТК.

09. ТК «ПЭК» (нужны серия и №паспорта)

ПЭК выбирайте только если нет других вариантов. Стоимость ПЭК сравнительно дороже а грузы в ПЭК подергается досмотру с нарушением упаковки, после чего пакуется кое-как, ПЭК берет различные доп.сборы и в целом доставка дороже. После отправки присылаем ТРЕКНОМЕР отслеживания. Заполняйте полное ФИО и укажите серию и №паспорта, в комментарии к заказу. Ниже указана Стоимость курьера до филиала ПЭК.

12. Не могу выбрать! Предложите самую недорогую.

Для расчета доставки, пожалуйста, предоставьте полный Адрес и ФИО; индекс, город, улица, дом, кв. А для зарубежных заказов Страну и точный адрес.

ТК Луч – экономная доставка по городам в Челябинской области, но отправления не отслеживаются и в случае утери будут проблемы. города: (Снежинск, Верхний-уфалей, Касли, Озерск, Кыштым, Куса, Златоуст, Усть-катав, Юрюзань, Катав-иваноск, Трехгорный, Сатка, Миас, Чебаркуль, Копейск, Коркино, Еманжелинск, Южноуральск, Пласт, Троицк, Чесма, Магнитогорск, Варна, Сибай, Карталы, Бреды)), а также Березники, Пермь, Курган, Нижний-Тагил, Екатеринбург, Сургут, Тобольск, Тюмень, Шадринск, Шумиха, Петропавловск, Костанай, Рудный, Астана, Уфа, Учалы. Стоимость доставки от 100руб до 30 кг и от 200 руб 30-60 кг, между терминалами. Цены уточнять на сайте ТК Луч – в некоторые города двойные тарифы.

Монолитный резонансный терагерцовый сенсорный элемент, состоящий из поглотителя из метаматериала и микроболометра

Грант, Дж., Эскорсия Карранса, И., Ли, К., МакКриндл, И. и Камминг, Д. (2013) Монолитный резонансный терагерцовый сенсорный элемент, содержащий поглотитель из метаматериала и микроболометр. Laser and Photonics Обзоры , 7 (6), С. 1043-1048. (DOI: 10.1002 / lpor.201300087)

Abstract

В этой статье представлен монолитный резонансный терагерцовый сенсорный элемент с эквивалентной мощностью шума, превышающей мощность типичных коммерческих однопиксельных терагерцовых детекторов при комнатной температуре, и способный обеспечивать скорость считывания данных в реальном времени.Детектор построен за счет интеграции поглотителя из метаматериала и датчика микроболометра. Измерены величина поглощения 57% на частоте 2,5 ТГц, минимальный NEP встроенного изображения и тепловая постоянная времени 68 мс для датчика. В качестве демонстрации возможностей детектора он используется в практической системе терагерцовой визуализации Нипкова. Монолитный резонансный детектор терагерцового диапазона легко масштабируется до форматов матрицы фокальной плоскости путем добавления стандартной схемы считывания и адресации, обеспечивающей компактное и недорогое получение терагерцовых изображений.

Тип позиции: Статьи
Статус: Опубликован
Реферировано: Да
Глазго Автор (ы) Enlighten ID: Ли, доктор Чонг и Камминг, профессор Дэвид и Маккриндл, мистер Иэн и Грант, доктор Джеймс и Эскорсия Карранса, доктор Ивонн
Авторы: Грант, Дж., Эскорсия Карранса, И., Ли, К., МакКриндл, И., и Камминг, Д.
Колледж / Школа: Колледж науки и техники> Школа инженерии> Электроника и наномасштабная инженерия
Исследовательская группа: Технология микросистем
Название журнала: Обзоры лазера и фотоники
ISSN: 1863-8880
ISSN (Online): 1863-8899
Правообладатели: Авторские права © 2013 Авторы
Первая публикация: Впервые опубликовано в Laser and Photonics Reviews 7 (6): 1043-1048
Политика издателя: Воспроизведено по лицензии Creative Commons

Сотрудники университета: Запросить исправление | Enlighten Editors: Обновите эту запись

(PDF) Монолитный резонансный терагерцовый сенсорный элемент, состоящий из поглотителя из метаматериала и микроболометра

Проблема при разработке устройства MM для работы на определенной частоте.В нашей работе мы используем

лазер на парах метанола с накачкой CO2-лазером, работающий на частоте 2,52 ТГц. Поэтому нам требуется, чтобы устройство

MM сильно поглощало ту же частоту. Следовательно, чтобы максимизировать вероятность достижения

сильного поглощения в области 2,5 ТГц, используются три суммированных ERR для

, расширяющих спектр поглощения. Укладка ERR поверх сплошной заземляющей поверхности показала, что

улучшает FWHM до ~ 48% от центральной частоты.Поперечное сечение

SEM-изображения пикселя MM-поглотителя, ясно показывающее три металлических ERR и металлическую пластину заземления

, показано на рис. 1d.

Оптимизированная структура поглотителя MM была спроектирована с использованием трехмерного моделирования в области конечных разностей во времени

(FDTD) (Lumerical Inc.). Трехмерное моделирование проводилось с источником плоских волн

, падающим в направлении z элементарной ячейки. Периодические граничные условия

использовались для границ x и y, а идеально согласованные слои использовались для границ направления z

.Размер шага сетки вокруг монолитного резонансного терагерцового детектора

составлял Δx = Δy = 0,1 мкм и Δz = 0,05 мкм. Период элементарной ячейки составлял 30 мкм на 30 мкм.

металлических секций поглотителя были смоделированы как Al с частотно-независимой проводимостью

, равной 4×107 Sm-1, в то время как межметаллические диэлектрические области были смоделированы с использованием SiO2

Palik из базы данных программного обеспечения Lumerical. Спектры отражения и пропускания равны

, рассчитанные в плоскостях z = 100 мкм и z = -100 мкм.Из-за внутренней симметрии поглощающего устройства MM

моделирование FDTD показало, что спектральные характеристики поглощения

не чувствительны к углу поляризации падающей электромагнитной волны.

На рис. 2а показаны смоделированные спектральные характеристики для трех поглотителей ERR

и для одного поглотителя M6 ERR. Одиночный поглотитель M6 имеет узкий пик поглощения при

2,56 ТГц и величину поглощения 55%. Напротив, трехслойная структура ERR имеет

широкий пик поглощения величиной 80% при 2.56 ТГц, а при 2,52 ТГц, наша частота

интересует, величина поглощения составляет 78%. Готовые устройства с постобработкой были

экспериментально охарактеризованы в вакууме в инфракрасном спектре с преобразованием Фурье IFS 66v / S Bruker

55555

Frontiers | Трехмерный двухдиапазонный терагерцовый идеальный поглотитель как высокочувствительный датчик

Введение

Волны

ТГц (ТГц) в диапазоне от 0,1 до 10 ТГц привлекли огромное внимание к широкому кругу приложений, таких как формирование изображений ТГц [1–3], связь [4–6], сбор энергии [7–9] и нанозахват [10].В качестве нового инструмента для управления электромагнитными волнами и управления ими, ТГц метаматериалы, искусственные структуры с периодическими субволновыми структурами в микрометровом масштабе, могут значительно улучшить взаимодействие света и вещества и показать значительные преимущества в зондировании и обнаружении в ТГц диапазоне. Поглотитель ТГц диапазона на основе метаматериала, особенно поглотитель с множественной частотной избирательностью [11–13] или чрезвычайно узкой полосой пропускания [14], является одним из наиболее заметных устройств в области восприятия и обнаружения ТГц диапазона, который обычно состоит из трех слоев, а именно: слой метаматериала, диэлектрическая прокладка и заземляющая плоскость [15] и могут идеально характеризовать показатель преломления (ПП) аналитов путем выделения признаков из спектров поглощения.

В последние годы огромное количество усилий было направлено на изучение высокочувствительных терагерцовых сенсоров на основе мета-поглотителей [16–20]. Например, Shin et al. разработали метаматериал для обнаружения 4-метилимидазола с помощью плоской металлической решетки с использованием структуры резонатора индуктор-конденсатор (ELC) с электрическими связями [18]. Можно заметить, что слой метаматериала остается ограниченным в двумерной плоскости, что препятствует точной чувствительности метаматериала для целей восприятия.Wang et al. представили несколько терагерцовых сенсоров с довольно узкой полосой пропускания, возбуждаемых взаимодействием соседних элементарных ячеек [21, 22] или комбинированным эффектом локализованного резонанса и резонанса поверхностной решетки [23], что привело к повышению чувствительности. Чтобы преодолеть предел плоскости традиционного метаматериала, Ван и др. [24] предложили ТГц датчик на основе трехмерного резонатора с разрезным кольцом с повышенной чувствительностью восприятия за счет устранения бианизотропии, вызывающей ЖК-резонанс с высоким коэффициентом качества, и снижения диэлектрических потерь в подложке.Чжоу и др. [25] предложили внеплоскостной ТГц биосенсор, который состоит из поглотителя крестообразной формы с пластинчатыми отверстиями, который может значительно улучшить чувствительность зондирования за счет увеличения пространственного перекрытия между анализируемым веществом и локально усиленным электромагнитным полем ( горячие точки). Следовательно, трехмерный метаматериал может улучшить чувствительность за счет настройки межфазного взаимодействия с аналитом. Кроме того, Chen et al. [20] предложили метаматериал на основе графена, который может возбуждать несколько плазмонных резонансных мод и достигать высокой чувствительности благодаря своей уникальной трехмерной метаструктуре.Однако некоторые из этих ТГц сенсоров могут столкнуться с парадоксом простого изготовления и одновременного использования многополосных резонансных пиков с высокой чувствительностью.

В этой статье мы предложили трехмерный двухдиапазонный и легко изготавливаемый поглотитель ТГц диапазона, используемый для определения RI аналитов. Электрическое поле и распределения тока используются для объяснения явления поглощения, близкого к единице. Систематически анализируются спектры поглощения при различных углах падения и углах поляризации, а также геометрические параметры.Предлагаемый поглотитель демонстрирует отличные чувствительные характеристики и может иметь большой потенциал для высокочувствительного зондирования.

Конструкция и дизайн

На рисунке 1A показано, что поглотитель метаматериала ТГц (мета-поглотитель) состоит из трех независимых слоев, включая два слоя золота с проводимостью σ = 4,561 × 10 7 S / м в качестве земли и резонатора и средний слой из полиимида (ПИ) с диэлектрической проницаемостью ε = 3,5 (1 + 0,0027 i ).В отличие от традиционных плоских конструкций за счет встраивания металла в диэлектрическую плоскость [26] или нанесения металла на плоскость, элементарная ячейка имеет трехмерную структуру за счет создания диэлектрического слоя из средней диэлектрической плоскости. Элементарная ячейка предлагаемого поглотителя состоит из квадратного кольца и четырех треугольников. Период ( p ) элементарной ячейки установлен равным 120 мкм. Длина стороны ( w 1 ) и ширина металла ( h ) квадратного кольца установлены равными 60 и 14 мкм м соответственно.Длина прямоугольных треугольников ( w 2 ) установлена ​​равной 35 мкм. Толщина золота ( t 1 ) и диэлектрика ( t ) составляет 200 нм и 4 мкм соответственно. Чтобы оценить производительность предлагаемого трехмерного мета-поглотителя, соответствующий планарный поглотитель также моделируется с такими же геометрическими параметрами, как показано на рисунке 1B. Все численное моделирование и анализ выполняются с использованием полноволнового симулятора CST Microwave Studio (2019). Граничные условия элементарной ячейки включены для поперечных границ элементарной ячейки, в то время как открытые граничные условия (добавление пространства) применяются вдоль оси z .Если не указано иное, падающая волна излучается вдоль отрицательной оси z с нулевым углом поляризации.

Рис. 1. (A) Трехмерное схематическое изображение мета-поглотителя и его увеличенной элементарной ячейки с геометрическими параметрами: период p = 120 мкм м , ширина квадратного кольца w 1 = 60 мкм м , h = 14 мкм м , длина стороны прямоугольных треугольников w 2 = 35 мкм м , толщина полиимида t = 4 мкм м , толщина Au 200 нм. (B) Трехмерный вид плоского поглотителя и увеличенный вид его элементарной ячейки с теми же размерами, что и мета-поглотитель, за исключением того, что слой полиимида становится сплошной плоскостью.

Числовое моделирование и обсуждение

Основные характеристики

Чтобы исследовать характеристики поглощения предлагаемого мета-поглотителя, его спектры отражения и поглощения при нормальном падении ТГц излучения показаны на рисунке 2A. Поглощение можно упростить как A = 1-R = 1-S112, где R представляет отражение, а S 11 представляет коэффициент отражения, извлеченный из моделирования CST.Очевидно, что спектр поглощения мета-поглотителя имеет двухзонную характеристику из-за совмещения прямоугольного и треугольного резонаторов при взаимодействии с падающими волнами. Два пика поглощения достигают 99,0 и 97,0% при 1,125 ТГц ( f 1 ) и 1,626 ТГц ( f 2 ) соответственно. Прохождением падающих терагерцовых волн через мета-поглотитель можно пренебречь из-за наличия металлического заземления с толщиной, превышающей толщину скин-слоя (200 нм) на интересующей частоте.Точно так же традиционный планарный поглотитель также имеет два пика поглощения с амплитудами около 96,6 и 97,9% при 1,026 и 1,473 ТГц соответственно. Коэффициент качества ( Q ), определяемый как Q = f i / FWHM , используется для количественной оценки резонансных характеристик двух поглотителей, где f i ( i = 1, 2) — резонансная частота, а FWHM относится к полной ширине на половине максимума поглощения.В результате значения Q двух резонансных частот равны 27,2 и 24,4 для планарного поглотителя, а для мета-поглотителя — 26,4 и 25,4. В целом, поглотители из метаматериалов с высоким поглощением (или значением Q ) и высокой чувствительностью очень желательны в исследовательском сообществе; тем не менее, в большинстве случаев действительно требуется увеличить поглощение и одновременно повысить чувствительность. Для предлагаемого нами трехмерного поглотителя чувствительность может быть увеличена почти в два раза, как обсуждается в следующем разделе, в то время как поглощение (при f 2 ) и значение Q (при f 1 ) мета -абсорбент меньше, чем у планарного поглотителя, демонстрируя, что разница в величине поглощения Q между двумя поглотителями незначительна и не влияет на характеристики обнаружения.

Рис. 2. (A) Спектры поглощения (синяя сплошная линия) и отражения (красная сплошная линия) мета-поглотителя и спектр поглощения (синяя пунктирная линия) и спектр отражения (красная пунктирная линия) планарного поглотителя. (B) Действительная часть Re ( Z (ω)) и мнимая часть Im ( Z (ω)) импеданса Z (ω), полученные из параметров S .

Физический механизм и теория анализа

Теория согласования импедансов широко использовалась для интерпретации механизма почти идеального поглощения [27].Здесь эффективный импеданс мета-поглотителя описывается как Z1 = μ (ω) / ε (ω), где ε (ω) относится к комплексной электрической проницаемости, а μ (ω) относится к магнитной проницаемости поглотителя. Тогда относительный импеданс Z (ω) можно записать как

Z (ω) = Z1Z0 = (1 + S11) 2-S212 (1-S11) 2-S212, (1)

, где Z 0 — импеданс свободного пространства, а S 11 , S 21 — параметры S , извлеченные из моделирования CST.На рисунке 2B показаны действительная и мнимая части Z (ω). Можно обнаружить, что действительная часть и мнимая часть близки к 1 и 0 на пиках поглощения, близких к единице, соответственно, что указывает на то, что эффективный импеданс мета-поглотителя на резонансных частотах хорошо совпадает с импедансом свободного пространства. Исходя из теории согласования импеданса, предлагаемая элементарная ячейка может заинтересовать двухдиапазонную функцию, основанную на независимой конструкции элементарной ячейки мета-поглотителя.

Чтобы лучше понять физический механизм, лежащий в основе мета-поглотителя, строго рассчитаны распределения электрического поля и поверхностного тока в поперечном электрическом (ТЕ) режиме.Рисунок 3A показывает, что электрическое поле при f 1 = 1,125 ТГц сильно ограничено в верхнем и нижнем плечах квадратного кольца, что можно приписать возбуждению электрического диполя и хорошо согласуется с распределениями поверхностного тока. на рисунке 3C. При f 2 = 1,626 ТГц на рисунке 3B электрическое поле концентрируется на всех краях четырех треугольников за счет введения электрического квадруполя. Распределение поверхностного тока f 2 , показанное на рисунке 3D, указывает на то, что y-составляющая поверхностного тока согласуется с направлением TE волн.Исходя из распределения электрического поля и поверхностного тока, предполагается, что двухполосные спектры поглощения индивидуально возбуждаются двумя расходящимися резонаторами, и нет прямой перекрестной связи между двумя резонаторами в элементарной ячейке, что позволяет контролировать два пика поглощения независимо.

Рисунок 3 . Среднее распределение электрического поля различных резонаторов при (A) f 1 = 1.125 ТГц и (B) f 2 = 1,626 ТГц при нормальном падении. Соответствующие распределения тока на верхней поверхности при (C) f 1 и (D) f 2 .

Чтобы исследовать влияние геометрических параметров на спектры поглощения, систематически проверяются w 1 , h , w 2 и t . Как показано на рисунке 4A, когда w 1 изменяется от 50 до 70 μ m каждые 5 μ m , f 1 испытывает кажущееся красное смещение, в то время как f 2 остается относительно стабильным, что указывает на то, что квадратное кольцо учитывает динамическое изменение полосы f 1 во время геометрического проектирования.Напротив, при увеличении w 2 с 20 до 47 μ m каждые 3 μ m , f 1 остается неизменным, в то время как f 2 имеет отчетливое красное смещение, которое показано на Рисунке 4B. Интересно, что при дальнейшем расширении треугольников пики поглощения двойных полос сначала совпадут, а затем снова разделятся. Другими словами, каждый резонансный режим независимо возбуждается и настраивается в соответствии с оптимальной конструкцией квадратного кольца и треугольников.Когда расстояние между квадратным кольцом и треугольниками постепенно сокращается, f 1 и f 2 начинают взаимодействовать друг с другом. Как только расстояние достигнет критического предела, исходные резонансные моды будут разрушены, и будет возбуждена новая резонансная мода. На рис. 4С показана эволюция спектров поглощения при различных значениях h . Подобно Фигуре 4A, f 2 остается неизменным, в то время как f 1 резко изменяется как по частоте, так и по амплитуде поглощения.Этот неизменный режим f 2 дополнительно доказывает независимые возможности настройки квадратного кольца для падающих волн. На рис. 4D показано изменение различной толщины изоляционного слоя на спектрах поглощения. Можно заметить, что f 1 демонстрирует синее смещение частоты и неконтролируемое изменение амплитуды. f 2 придерживается исходного резонансного режима, но испытывает значительный (близкий к половине) декремент амплитуды поглощения.Это явление можно хорошо объяснить с помощью теории интерференции [28]. Согласно этой теории, волна частичного падения отражается непосредственно от верхнего слоя поглотителя, а оставшаяся часть проходит в слой диэлектрика, пока не достигнет земли. При многократных отражениях он снова будет распространяться обратно на верхнюю поверхность, что указывает на то, что полное отражение приписывается наложению прямого отражения и многократных отражений. Толщина диэлектрического слоя играет важную роль в фазовой задержке, что приводит к конструктивным / деструктивным помехам и дополнительно модулирует спектры поглощения.Стоит отметить, что отражение всегда может достигнуть нуля за счет оптимизации толщины диэлектрика.

Рисунок 4 . Сдвиги пика поглощения с разными геометрическими параметрами; (A, C) ширина квадратного кольца w 1 , h , соответственно (B) , длина прямоугольных треугольников w 2 и (D) толщина диэлектрического слоя т .

На рис. 5А показана схематическая диаграмма поляризации и углов падения терагерцовых волн.На рис. 5В показана свертка между углами поляризации и спектрами поглощения в ТЕ-моде вдоль оси y . Спектры двухполосного поглощения остаются согласованными, а углы поляризации изменяются от 0 до 90 ° при нормальном падении. Другими словами, мета-поглотитель остается нечувствительным к состояниям поляризации, что можно объяснить симметричной структурой. В приведенных выше исследованиях характеристики поглощения мета-поглотителя исследуются при нормальных углах падения; однако поглотитель с высокой эффективностью поглощения при наклонном угле падения очень желателен для практических применений.На рисунке 5C пиковая амплитуда двухполосных спектров поглощения в режиме TE составляет более 80% до тех пор, пока угол падения не превысит 70 °. Начиная с угла падения 40 °, происходит красное смещение на f 2 и генерируется новый пик поглощения. Когда угол падения изменяется от 40 до 70 °, ширина полосы становится более узкой, и добротность (FOM) может быть значительно увеличена. В поперечной магнитной (TM) моде на Фигуре 5D не только интенсивность, но и ширина полосы f 1 остается неизменной до тех пор, пока угол не превысит 85 °. f 2 показывает ту же тенденцию, что и в режиме TM. Как для режимов TE, так и для TM нечувствительность при угле падения <35 ° будет благоприятствовать характеристикам обнаружения в критических условиях тестирования. Более того, очевидно, что f 2 смещается значительно больше, чем f 1 для обоих режимов TE и TM, что является результатом того факта, что f 2 электрически индуцируется краями треугольника, и эффективная составляющая, действующая на эти края, будет уменьшаться с увеличением углов падения.Стоит отметить, что чувствительность планарного поглотителя к состояниям поляризации и углам падения (дополнительный рисунок 1) показывает небольшую разницу в амплитудах поглощения и частотном сдвиге (FS).

Рисунок 5. (A) Принципиальная диаграмма угла падения терагерцовых волн. (B) Спектры поглощения с разными углами поляризации ϕ при нормальном падении. Спектры поглощения при различных углах падения θ в моде (C), TE и (D), TM.

Чтобы раскрыть основной механизм возникновения нового пика при угле падения 40 °, мы извлекли электрическое поле на частоте 1,7 ТГц с углом падения 60 °. Можно заметить, что электрическое поле в основном локализуется в углах поверхности треугольника в режимах TE и TM, показанных на рисунках 6A, B, соответственно. Отличие в распределении электрического поля от распределения при 1,125 и 1,626 ТГц указывает на то, что новый пик поглощения является результатом режима электрического квадрупольного резонанса при наклонном падении.

Рисунок 6 . Среднее распределение электрического поля на частоте 1,7 ТГц с углом падения 60 ° в моде (A), TE и режиме (B), TM.

Производительность обнаружения

Поведение мета-поглотителя при обнаружении исследуется путем анализа спектров поглощения, когда слой аналита с фиксированной толщиной 8 мкм м покрывает поверхность сенсора. На Фигуре 7A показано, что мета-поглотитель f 1 и f 2 испытывают красное смещение, когда RI аналита увеличивается с 1.От 0 до 2,0. Две резонансные частоты планарного поглотителя, изображенного на рисунке 7B, следуют аналогичной тенденции, но менее выражены, чем у мета-поглотителя. Для количественной оценки характеристик двух поглотителей чувствительность ( S ) вводится как S = FS / ΔRI для оценки их характеристик. FS определяется как FS = f f 0 , где f 0 — это частота, когда RI равно 1, а ΔRI относится к изменению RI. S при f 1 и f 2 для мета-поглотителя может достигать 175 ГГц / ΔRI и 251 ГГц / ΔRI. Напротив, S для планарного поглотителя ограничен до 90 ГГц / ΔRI и 137 ГГц / ΔRI. Почти половина отсечки чувствительности демонстрирует, что чувствительность сенсора может быть увеличена почти в два раза за счет преобразования плоского резонатора в предлагаемый трехмерный резонатор. Очевидно, что S at f 2 для обоих поглотителей очень чувствительна к изменениям RI.

Рисунок 7 . Сдвиги спектров поглощения аналитов с разными показателями преломления (A), мета-поглотитель и (B) планарный поглотитель. Сдвиг частоты / FWHM как функция показателя преломления (C), мета-поглотителя и (D) планарного поглотителя. Толщина аналита h здесь установлена ​​как 8 мкм m .

С учетом влияния резонансной частоты на спектры поглощения, FOM вводится для более практической оценки способности, которую можно записать как [26]

FOM = FSFWHM · 1ΔRI.(2)

Как показано на рисунке 7C, подобранная линия мета-поглотителя f 1 наклонена более наклонно, чем линия f 2 , что указывает на то, что f 1 имеет более высокий FOM (6,344 ), чем f 2 (5,446). Меньший FOM на f 2 может быть отнесен к тому факту, что ширина полосы спектров поглощения расширяется, когда резонансные частоты испытывают синее смещение. Для плоского поглотителя, показанного на рисунке 7D, f 1 и f 2 почти параллельны друг другу с близкими FOM, а именно 2.412 и 2.274 соответственно, что указывает на то, что влиянием резонансной частоты на спектры поглощения можно пренебречь. Изменение FOM предполагает, что чувствительность FOM мета-поглотителя была эффективно улучшена в 2,6 раза по сравнению с плоским поглотителем.

Чтобы исследовать преимущества мета-поглотителя, сравнение характеристик восприятия мета-поглотителя и планарного аналога, вместе с некоторыми предыдущими работами, приведено в таблице 1.Как показано в Таблице 1, предлагаемый мета-поглотитель демонстрирует значительный FOM среди его конкурентов; однако можно также заметить, что чувствительность этой работы демонстрирует недостаточное превосходство, которое можно объяснить тем, что более заметный сдвиг частоты будет легко достигнут, если резонансная частота выше. Резонансные частоты мета-поглотителя, очевидно, ниже, что приводит к меньшей чувствительности; тем не менее, улучшение чувствительности почти в два раза может быть реализовано по сравнению с его планарным аналогом, что указывает на то, что мета-поглотитель достигает эффективного улучшения FOM, а также чувствительности.

Таблица 1 . Сравнение чувствительности.

Для дальнейшего изучения влияния толщины аналита на FOM, t A на Рисунке 8 сместился с 5 мкм м до 17 мкм м . Для обоих поглотителей FOM на f 1 и f 2 будет усилен, когда t A увеличится с 5 μ m до 11 μ m . Однако, как показано на рисунках 8B, D, особенности FOM на f 2 указывают на то, что спектры поглощения на f 1 могут быть более подходящими для предоставления ценных данных зондирования.Беспорядок FOM на f 2 сильно подавлен в мета-поглотителе; следовательно, он показывает лучший FOM, чем у плоской структуры. Таким образом, спектры поглощения при f, , , 1, для мета-поглотителя являются более подходящими для оценки чувствительности анализируемого вещества.

Рисунок 8 . Сдвиг частоты / FWHM как функция показателя преломления при f 1 (A) и f 2 (B) планарного поглотителя и (C, D) мета -абсорбент, толщина анализируемого вещества t A изменяется от 5 до 17 мкм м с шагом 3 мкм м .

При тестировании аналита с различным RI и толщиной было обнаружено, что предлагаемый метаабсорбент демонстрирует значительное увеличение FOM, что можно объяснить следующими причинами. Во-первых, форма диэлектрического слоя играет решающую роль в потерях на рассеяние энергии. Рисунки 3A, B показывают, что электромагнитное поле в основном ограничено областями между диэлектриком и металлом на резонансной частоте, что хорошо согласуется с предыдущими исследованиями [32]. Когда плоский диэлектрик разбивается на куски, площадь межфазного контакта значительно увеличивается, что приводит к значительному усилению взаимодействия между аналитами и поглотителем.Другими словами, больше падающей энергии, удерживаемой на внутренней стороне поглотителя, будет просачиваться и передаваться аналитам. Следовательно, на спектры поглощения будет существенно влиять трехмерная структура, недоступная для традиционного планарного поглотителя. Во-вторых, из рисунка 7 видно, что больший RI приведет к красному смещению резонансного пика, а маленький RI, в свою очередь, приведет к синему смещению резонансного пика. Что касается мета-поглотителя без каких-либо аналитов, эквивалентный RI можно рассматривать как комбинацию RI воздуха и поглотителя.Поскольку степень заполнения диэлектрика меньше, но больше воздуха в мета-поглотителе, его RI ниже, чем у планарного поглотителя, что может дополнительно объяснить, почему резонансные частоты мета-поглотителя выше, чем у планарного поглотителя. поглотитель, как показано на рисунке 2А. Кроме того, когда аналит полностью покрывает мета-поглотитель, заменяя существующий воздух, RI значительно увеличивается и проявляет высокую чувствительность к изменению RI.

Заключение

В заключение, мы предложили двухзонный поглотитель ТГц диапазона, близкий к идеальному, с элементарной ячейкой, состоящей из неплоскостного квадратного кольца и четырех неплоскостных треугольников.Амплитуды поглощения могут достигать 99,0 и 97,0% на частотах 1,125 и 1,626 ТГц соответственно. Резонансные частоты мета-поглотителя допускают независимую модуляцию, регулируя геометрические параметры для разных резонаторов. Кроме того, поглотитель нечувствителен к поляризации и нормально работает в широком диапазоне углов падения до 40 °. По сравнению с традиционным планарным поглотителем, чувствительность и FOM предлагаемого мета-сенсора к обнаружению аналита сильно увеличены в два раза из-за увеличенной площади контакта между анализируемыми веществами и поглотителем.Можно предположить, что предложенный мета-поглотитель в ТГц режиме будет способствовать значительным перспективам в области высокочувствительного зондирования и прольет свет на новые функциональные устройства ТГц диапазона.

Заявление о доступности данных

Необработанные данные, подтверждающие выводы этой статьи, будут предоставлены авторами без излишних оговорок.

Авторские взносы

WY выполнил численный расчет и написал рукопись. ZS и SL провели анализ данных и предоставили конструктивные обсуждения.LZ и XC являются основными руководителями, они обеспечивали контроль, обратную связь и анализировали исследования.

Финансирование

Эта работа была поддержана Комитетом по науке и технологическим инновациям муниципалитета Шэньчжэнь (грант № JCYJ20180306170652664 для LZ), Национальным фондом естественных наук Китая (грант № 51805414) и Китайским фондом естественных наук провинции Чжэцзян (грант № . LZ19A020002).

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Дополнительные материалы

Дополнительные материалы к этой статье можно найти в Интернете по адресу: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fphy.2021.665280/full#supplementary-material

Список литературы

2. Ли Б, Ван Р., Ма Дж.Дж., Сюй WH. Исследования по мониторингу и диагностике состояния воды сельскохозяйственных культур с помощью терагерцовых изображений. Фронт. Phys. (2020) 8: 571628. DOI: 10.3389 / fphy.2020.571628

CrossRef Полный текст | Google Scholar

3.Li JT, Li J, Zheng CL, Wang SL, Li MY, Zhao HL и др. Динамическое управление отражающей киральной метаповерхностью терагерцового диапазона с помощью нового приложения, предназначенного для создания изображений ближнего поля в оттенках серого. Карбон. (2021) 172: 189–99. DOI: 10.1016 / j.carbon.2020.09.090

CrossRef Полный текст | Google Scholar

4. Джорнет Дж. М., Акылдыз ИФ. Плазмонная наноантенна на основе графена для связи в наносетях в терагерцовом диапазоне. IEEE J Sel Area Commun. (2013) 31: 685–94. DOI: 10.1109 / JSAC.2013.SUP2.1213001

CrossRef Полный текст | Google Scholar

5. Нагацума Т., Хоригути С., Минамиката Ю., Йошимидзу Ю., Хисатаке С., Кувано С. и др. Беспроводная связь в терагерцовом диапазоне на основе технологий фотоники. Опт Экспресс. (2013) 21: 23736–47. DOI: 10.1364 / OE.21.023736

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

6. Даш С., Лиаскос С., Акылдиз И.Ф., Питциллидес А. Дизайн наноантенн для связи в ТГц диапазоне: выбор материала и повышение производительности.В: Труды 7-й Международной конференции ACM по наноразмерным вычислениям и коммуникациям . (Катания) (2020). DOI: 10.1145 / 3411295.3411312

CrossRef Полный текст | Google Scholar

7. Драгоман М., Альдриго М. Графеновая ректенна для эффективного сбора энергии на терагерцовых частотах. Appl Phys Lett. (2016) 109: 113105. DOI: 10.1063 / 1.4962642

CrossRef Полный текст | Google Scholar

8. Пьеробон М., Джорнет Дж. М., Аккари Н., Алмасри С., Акылдиз И. Ф.Платформа маршрутизации для беспроводных сетей с наносенсорами со сбором энергии в терагерцовом диапазоне. Wirel Netw. (2014) 20: 1169–83. DOI: 10.1007 / s11276-013-0665-y

CrossRef Полный текст | Google Scholar

9. Ши Э, Чо Ш, Икес Н., Мин Р., Синха А., Ван А. и др. Протокол и алгоритм, управляемый физическим уровнем, для энергосберегающих беспроводных сенсорных сетей. В: Труды 7-й ежегодной международной конференции по мобильным вычислениям и сетям .(Рим) (2001). DOI: 10.1145 / 381677.381703

CrossRef Полный текст | Google Scholar

10. Шен З.Л., Бектон М., Хан Д.Х., Фанг XD, Ван XQ, Чжан Л.Й. и др. Плазмонный нанозахват терагерцового диапазона с коаксиальными отверстиями в графене. Phys Rev A. (2020) 102: 053507. DOI: 10.1103 / PhysRevA.102.053507

CrossRef Полный текст | Google Scholar

11. Ван Б.Х. Четырехдиапазонный терагерцовый поглотитель из метаматериала, основанный на сочетании дипольного и квадрупольного резонансов двух SRR. IEEE J Sel Top Quantum Electr. (2017) 23: 1–7. DOI: 10.1109 / JSTQE.2016.2547325

CrossRef Полный текст | Google Scholar

12. Ван Б.Х., Хэ Й.Х., Лу ПК, Чжу Х.Х. Многодиапазонные суперабсорберы терагерцового диапазона на основе перфорированных метаматериалов квадратного сечения. Nanoscale Adv. (2021) 3: 455–62. DOI: 10.1039 / D0NA00903B

CrossRef Полный текст | Google Scholar

13. Ван Б.Х., Хэ Й.Х., Лу ПК, Хуанг В.К., Пи Ф.В. Пятидиапазонный поглотитель терагерцового света, использующий пять локализованных резонансных откликов трех узорчатых резонаторов. Результаты Phys. (2020) 16: 102930. DOI: 10.1016 / j.rinp.2020.102930

CrossRef Полный текст | Google Scholar

14. Ван Б.Х., Тан Ч., Ниу К., Хе И, Чен Т. Конструирование узких дискретных расстояний двух- / трехдиапазонных поглотителей из метаматериала терагерцового диапазона. Nanoscale Res Lett. (2019) 14:64. DOI: 10.1186 / s11671-019-2876-3

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

15. Дуан Г.В., Шальч Дж., Чжао XG, Ли А.Б., Чен С.Х., Аверитт Р.Д. и др.Обзор теоретических моделей поглотителей электромагнитных метаматериалов терагерцового диапазона. Датчик Актуатор A Phys. (2019) 287: 21–8. DOI: 10.1016 / j.sna.2018.12.039

CrossRef Полный текст | Google Scholar

19. Xu WD, Xie LJ, Zhu JF, Tang LH, Singh R, Wang C и др. Терагерцовый биосенсор с платформой гетероструктуры графен-метаматериал. Карбон. (2019) 141: 247–52. DOI: 10.1016 / j.carbon.2018.09.050

CrossRef Полный текст | Google Scholar

20.Чен X, Фан WH, Сонг С. Множественные возбуждения плазмонного резонанса на графеновых метаматериалах для сверхчувствительного терагерцового зондирования. Карбон. (2018) 133: 416–22. DOI: 10.1016 / j.carbon.2018.03.051

CrossRef Полный текст | Google Scholar

21. Ван Б.Х., Чжай Х, Ван Г.З., Хуанг В.К., Ван LL. Новый двухдиапазонный поглотитель из метаматериала терагерцового диапазона для сенсорного применения. J Appl Phys. (2015) 117: 014504. DOI: 10.1063 / 1.41

CrossRef Полный текст | Google Scholar

22.Ван Б.Х., Ван Г.З., Санг Т. Простая конструкция нового трехдиапазонного поглотителя из метаматериала терагерцового диапазона для измерения. J Phys D Appl Phys. (2016) 49: 7. DOI: 10.1088 / 0022-3727 / 49/16/165307

CrossRef Полный текст | Google Scholar

23. Ван Б.Х., Хэ Й.Х., Лу П.С., Син WH. Конструкция двухдиапазонного поглотителя из метаматериала терагерцового диапазона с использованием двух идентичных квадратных участков для измерения. Nanoscale Adv. (2020) 2: 763–9. DOI: 10.1039 / C9NA00770A

CrossRef Полный текст | Google Scholar

24.Ван В., Ян Ф. П., Тан С.Ю., Чжоу Х., Хоу Ю.Ф. Сверхчувствительный терагерцовый датчик из метаматериала на основе вертикальных разъемных кольцевых резонаторов. Photonics Res. (2017) 5: 571–7. DOI: 10.1364 / PRJ.5.000571

CrossRef Полный текст | Google Scholar

25. Чжоу Х., Ян Ц., Ху Д.Л., Ли Д.Х., Хуэй Х.Д., Чжан Ф. и др. Терагерцовый биосенсор на основе двухслойных поглотителей из метаматериала, обеспечивающий сверхвысокую чувствительность и простоту изготовления. Appl Phys Lett. (2019) 115: 143507. DOI: 10,1063 / 1.5111584

CrossRef Полный текст | Google Scholar

26. Кан М., Чжан Х.Ф., Чжан XQ, Ян К.Л., Чжан В.Л., Хан Дж. Интерферометрический контроль двухдиапазонного идеального поглощения терагерцового диапазона с использованием разработанной метаповерхности. Phys Rev Appl . (2018) 9: 054018. DOI: 10.1103 / PhysRevApplied.9.054018

CrossRef Полный текст | Google Scholar

27. Смит Д.Р., Виер Д.К., Кошный Т., Сукулис К.М. Восстановление электромагнитных параметров из неоднородных метаматериалов. Phys Rev E Stat Nonlin Soft Matter Phys. (2005) 71: 036617. DOI: 10.1103 / PhysRevE.71.036617

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

29. Ли Дж., Ляо К. Х., Ли Х. М., Лю В. X., Ю ТБ, Ван ТБ. Настраиваемый двухдиапазонный поглотитель из совершенного метаматериала на основе массивов однослойного графена в качестве датчика показателя преломления. Jpn J Appl Phys. (2020) 59: 095002. DOI: 10.35848 / 1347-4065 / aba9a5

CrossRef Полный текст | Google Scholar

30. Ху X, Xu GQ, Wen L, Wang HC, Zhao YC, Zhang YX и др.Поглотитель из метаматериала, встроенные микрофлюидные терагерцовые датчики. Laser Photonics Rev. (2016) 10: 962–9. DOI: 10.1002 / lpor.201600064

CrossRef Полный текст | Google Scholar

31. Саадельдин А.С., Хамид МФО, Элькарамани ЭМА, Обайя ССА. Высокочувствительный терагерцовый датчик из метаматериала. IEEE Sens J. (2019) 19: 7993–9. DOI: 10.1109 / JSEN.2019.2918214

CrossRef Полный текст | Google Scholar

32. Wang W, Yan FP, Tan SY, Li HS, Du XM, Zhang LN, et al.Повышение чувствительности поглотителей терагерцового диапазона из метаматериалов с рельефной поверхностью. Photonics Res. (2020) 8: 519–27. DOI: 10.1364 / PRJ.386040

CrossRef Полный текст | Google Scholar

СВЧ-поглотитель из метаматериала для неразрушающего зондирования зерен

Abstract

В этой работе мы предлагаем поглотитель из метаматериала на микроволновых частотах со значительной чувствительностью и возможностью неразрушающего зондирования для образцов зерен.Этот поглотитель состоит из поперечных резонаторов, периодически расположенных на ультратонкой подложке, чувствительного слоя, заполненного образцами зерен, и металлической земли. Решетка поперечных резонаторов изготовлена ​​с использованием процесса печатной платы на плате FR-4. Характеристики предложенного метаматериала демонстрируются результатами двухполупериодного моделирования и измерений, а рабочий механизм раскрывается с помощью теории интерференции множественных отражений. Он может служить бесконтактным датчиком для контроля качества пищевых продуктов, таких как фальсификация, разнообразие и т. Д.путем обнаружения сдвигов резонансных частот. В качестве прямого приложения показано, что резонансная частота демонстрирует значительный синий сдвиг от 7,11 ГГц до 7,52 ГГц, когда массовая доля черствого риса в смеси свежего и черствого риса изменяется с 0% до 100%. Кроме того, поглотитель демонстрирует отчетливую разницу в резонансной частоте поглощения для разных сортов зерна, что также делает его кандидатом в датчик классификации зерна. Представленная схема может открыть возможности для использования поглотителей микроволнового излучения из метаматериалов в качестве эффективных датчиков при неразрушающей оценке качества сельскохозяйственных и пищевых продуктов.

Ключевые слова: поглотитель из метаматериала , резонансная частота, зондирование, эффективная диэлектрическая проницаемость, зерно, неразрушающая оценка

1. Введение

В последние несколько десятилетий метаматериалы представляют собой новый тип синтетических электромагнитных (ЭМ) сред. с периодическими или квазипериодическими структурами, изготовленными или синтезированными искусственными методами, привлекли значительное внимание из-за их удивительных возможностей, недоступных для природных материалов, и их необычных способностей, связанных с манипулированием электромагнитными волнами [1,2,3,4,5 , 6].Одним из больших преимуществ метаматериалов является то, что взаимодействие между электромагнитными волнами и веществами может быть успешно адаптировано путем искусственного проектирования или изменения элементарных ячеек, что дает большие возможности для обнаружения приложений метаматериалов [7,8,9]. Фактически, с постоянным прогрессом в разработке и производстве метаматериалов, междисциплинарная область между метаматериалами и сенсорной техникой стала благодатной почвой для развития новой науки и техники [10,11,12,13].В настоящее время существенные успехи были достигнуты в датчиках на основе метаматериалов с уровнем производительности, позволяющим обнаруживать информацию о веществах, а также были продемонстрированы интересные и полезные приложения для датчиков для таких приложений, как химические, пищевые и биосенсорные устройства [14,15 , 16,17,18,19,20,21]. Среди этих сенсоров поглотители из метаматериалов демонстрируют многообещающие перспективы и большой потенциал применения при разработке высокопроизводительных сенсорных устройств [22,23,24].

Поглотители из метаматериалов в первую очередь зависят от их сильных резонансных характеристик, чтобы получить значительное преимущество, поскольку этот тип датчика может производить сильный и измеримый сигнал считывания с пиком резонансного поглощения, который достаточно силен для точного отслеживания сдвига параметров в спектрах отражения [25 , 26,27].Когда диэлектрическая подложка или геометрическая структура изменяются под действием внешнего привода, эквивалентные электромагнитные параметры метаматериала изменяются соответствующим образом, что приводит к изменению резонансной частоты и амплитуды поглощения. Если существует взаимно однозначная взаимосвязь между изменением частоты или поглощения и внешним приводом, поглотители из метаматериалов могут использоваться для обнаружения изменений в параметрах привода, таких как диэлектрическая проницаемость, толщина подложки, биологические особенности и т. Д. и Т. Д.[28,29,30]. Тем не менее, исследования в области применения метаматериала в области зондирования в основном сосредоточены на терагерцовом и инфракрасном диапазонах [31,32,33,34], в то время как работы в диапазоне микроволновых волн все еще относительно отстают, ограничивая более широкие применения. Кроме того, для большинства датчиков на основе поглотителей микроволн и метаматериалов обычно требуются специальные образцы, предварительно обработанные разрушающими методами, или жидкие образцы из-за узкой чувствительной области, что также ограничивает их пригодность для неразрушающего контроля твердых пищевых продуктов.

Безопасность пищевых продуктов — важная проблема общественного здравоохранения, которая в последние годы вызывает все большую озабоченность у правительств, потребителей и пищевой промышленности. В частности, нельзя игнорировать контроль качества зерна, как важнейшего компонента пищевых продуктов сельского хозяйства [35]. Традиционные аналитические методы контроля качества зерна в основном полагаются на органический контроль или химический анализ, что неизбежно приводит к высокой погрешности или повреждению исследуемых образцов [36]. Таким образом, методы неразрушающего обнаружения пользуются большим спросом, и прогресс в неразрушающей оценке качества пищевых продуктов был достигнут благодаря постоянному развитию современных аналитических методов и инструментов, например.ж., газовая хроматография, масс-спектрометрия, электронные носы и электронные языки [37]. Однако эти методы обычно требуют сложной предварительной обработки образцов и обработки данных, а также сложной аппаратуры [38], что может занять много времени и относительно дорого в повседневном использовании.

В настоящем исследовании мы представляем поглотитель из метаматериала для датчиков гранулированного зерна с неразрушающим подходом в микроволновом диапазоне. Предлагаемый поглотитель из метаматериала в основном состоит из решетки поперечных резонаторов (CRA), образца зерна и металлической пластины, микроструктура которой изготовлена ​​с использованием процесса печатной платы (PCB).Предлагаемый поглотитель может использоваться как бесконтактный датчик для оценки качества зерна, в том числе фальсификации и сорта. В качестве конкретного примера мы используем как численное моделирование, так и эксперименты, чтобы продемонстрировать, что поглотитель может количественно определять фальсификацию риса (массовая доля несвежего риса в смеси свежего и несвежего риса) путем измерения изменений резонансных частот. На резонансной частоте наблюдается значительный пик поглощения энергии падающей электромагнитной волны, поэтому массовая доля несвежего риса может быть определена путем подтверждения частоты поглощения.В качестве другого примера, этот поглотитель может различать разновидности зерна в соответствии с различиями в резонансной частоте поглощения, соответствующей разным образцам зерна. Мы также использовали теорию интерференции множественных отражений, чтобы исследовать физические особенности нашей конструкции. Предлагаемый поглотитель из метаматериала обладает такими преимуществами, как быстрота, значительная чувствительность и возможность неразрушающего зондирования, а также может расширить диапазон применения поглотителей из метаматериала на микроволновых частотах.

2. Структура и методы

2.1. Расчет структуры и метод моделирования

Предлагаемый поглотитель из метаматериала состоит из трех слоев, а именно из CRA со сверхтонкой подложкой наверху, образца зерна в качестве диэлектрического слоя в середине и металлической заземленной пластины внизу. Чтобы ясно показать конструкцию элементарной ячейки, верхний слой отделен от слоя зерен и схематично показан на a. Элементарная ячейка поглотителя из метаматериала формируется после плотного наложения всех слоев вместе, как показано на b.Примыкающий к зерну металлический поперечный резонатор выполнен на диэлектрической подложке FR-4 с диэлектрической проницаемостью ε = 4,4 — 0,02 j и толщиной T F = 1 мм. И металлический поперечный резонатор, и нижняя пластина заземления моделируются из листа меди с проводимостью 5,8 × 10 7 См / м и толщиной T c = 0,017 мм. Толщина используемого здесь медного листа намного больше, чем типичная толщина скин-слоя в микроволновом режиме, так что отражение является единственным фактором, ограничивающим поглощение.Геометрические параметры элементарной ячейки определяются после оптимизации производительности посредством электромагнитного моделирования. Ширина W и длина L медной перемычки составляют 1 мм и 4,5 мм соответственно. Период P элементарной квадратной ячейки равен 5 мм. Толщина слоя зерен T R составляет 26 мм. Этот поглотитель может определять изменения эффективной диэлектрической проницаемости для различных образцов зерна, обнаруживая сдвиги в резонансных частотах, и эффективная диэлектрическая проницаемость зерна будет изменяться в зависимости от разницы в качестве зерна.Таким образом, его можно использовать в качестве бесконтактного датчика при контроле качества зерна.

Схема элементарной ячейки ( a ); ( b ) установка для моделирования.

Для подтверждения эффективности предложенного поглотителя были проведены эксперименты по моделированию на основе CST MICROWAVE STUDIO ® . b показывает настройку моделирования в программном обеспечении. Элементарная ячейка считается бесконечной периодической структурой, которая применяется с граничными условиями элементарной ячейки как вдоль направлений x , так и y , оставаясь открытой (добавляйте пространство) для направления z в свободном пространстве.Возбуждения порта Флоке с поляризацией x или y используются в качестве источника или детектора энергии электромагнитных волн. Расстояние между источником волны и конструкцией 6,5 мм. Решатель частотной области используется для выполнения конкретных расчетов и, соответственно, получения требуемых результатов имитационной модели при освещении линейно поляризованными микроволнами, распространяющимися вдоль направления z .

2.2. Схема и метод эксперимента

CRA на верхнем слое изготавливается с помощью процесса печатной платы на плате FR-4 с субволновой толщиной примерно 1/41 центральной длины волны, и соответствующая пластина для образца показана на рисунке a.Перед началом экспериментальных измерений пластину из метаматериала, образец зерна и металлическую пластину заземления необходимо упаковать в коробку из полиметилметакрилата (ПММА), чтобы сформировать измерительную экспериментальную установку с однородной квадратной слоистой структурой, в которой область, заполненная зерном, служит в качестве чувствительный слой. Схема процесса упаковки и зондирования экспериментальной установки показаны на. Сначала на дно корпуса коробки из ПММА наклеивается односторонняя пластина, плакированная медью (медным слоем вверх), в качестве металлического заземления.Затем зерна медленно загружаются в корпус ящика через воронку до тех пор, пока они полностью не заполнят пространство корпуса ящика и не выйдут за верхние края. Твердая доска прямоугольной формы используется для очистки лишних зерен вдоль параллельной пары верхних краев корпуса коробки, что делает верхнюю поверхность зерен плоской и заподлицо с верхними краями корпуса коробки. Таким образом, зерна находятся в естественном наполненном состоянии без какого-либо уплотнения в чувствительной области. При этом внутри крышки коробки наклеивается пластина из метаматериала (КРА вниз).Наконец, корпус коробки плотно закрывается крышкой коробки, чтобы сформировать поглотитель из метаматериала в качестве экспериментальной установки для зондирования, как показано на рисунке b, который показывает более подробную информацию о способе, посредством которого верхний слой датчика соединяется с нижним слоем. Таким образом, объем образцов зерна является фиксированным для всех испытаний и зависит от внутреннего объема упаковочной коробки из ПММА, который составляет примерно 300 мм × 300 мм × 24 мм.

( a ) Пластина из метаматериала и ее частичное увеличенное изображение под микроскопом, а также схематическое изображение процесса упаковки измерительной экспериментальной установки; ( b ) метод, при котором верхний слой датчика соединяется с нижним слоем датчика.

Чтобы исследовать характеристики предложенного поглотителя из метаматериала в ходе эксперимента, спектры отражения были измерены с использованием метода свободного пространства, схема которого представлена ​​в a. Вся упакованная конструкция помещается на предметный столик над большой площадью клиновидных поглощающих материалов, которые могут предотвратить нежелательные сигналы отражения. Две стандартные рупорные антенны размещены на расстоянии около 200 см от поглотителя волн. Ширина, глубина и высота рупорной антенны равны 24.4 см, 27,9 см и 15,9 см, а углы падения двух рупорных антенн составляют ± 5 ° соответственно. Процесс измерения будет проводиться в системе испытаний арочного каркаса, показанной на b. Тестовый поток выполняется в соответствии с конфигурацией системы. Сначала микроволновый сигнал с частотой f генерируется источником развертки, предоставленным векторным анализатором цепей, и подается из порта 1 в рупорную антенну источника по коаксиальной линии передачи. Затем плоская волна с линейной поляризацией излучается в пространство антенной источника и сразу же падает на образец.Наконец, отраженный сигнал поступает в порт 2 векторного анализатора цепей по коаксиальной линии передачи после приема рупорной антенной детектора, а спектры отражения получают через векторный анализатор цепей. Перед измерением спектров отражения образца пустой ящик из ПММА с металлической пластиной заземления внизу используется для нормализации данных по отражению.

( a ) Схема измерения; ( b ) испытательная система арочного каркаса.

3.Результаты и обсуждения

3.1. Приложение неразрушающего контроля загрязнения зерна

В качестве примера, подтверждающего концепцию, мы исследовали смешанные образцы свежего и несвежего риса с различными массовыми долями несвежего риса, используя разработанный поглотитель, чтобы выявить способность неразрушающего распознавания Предлагаемый поглотитель из метаматериала. При моделировании мы сначала предполагаем, что плоская волна обычно падает на поглотитель из метаматериала. Используя CST MICROWAVE STUDIO ® для двухволнового численного моделирования, были рассчитаны спектры отражения для поглотителя, заполненного различными образцами риса, и они отображаются в a.Кроме того, измеренные спектры отражения, соответствующие различным образцам риса, были получены с помощью микроволновых экспериментов и показаны на b. Мы наблюдаем, что измеренные спектры отражения демонстрируют увеличение резонансной частоты с 7,11 ГГц до 7,52 ГГц, когда массовая доля черствого риса в смеси свежего и черствого риса изменяется от 0% до 100%, что примерно соответствует результатам моделирования. Из, мы можем видеть, что есть некоторые различия между результатами эксперимента и моделирования, особенно в резонансной амплитуде, что в основном связано с тем, что моделирование достигается на приблизительной эквивалентной диэлектрической проницаемости зерна, реальная и мнимая части которой немного отличаются от реальной значения, что приводит к разнице согласования импеданса и потерь между моделированием и экспериментом.Однако диапазон частотного сдвига эксперимента и результатов моделирования в основном одинаков. Кроме того, как показано в результатах экспериментов, существуют значительные пики поглощения с уменьшением отражения ниже -10 дБ на разных резонансных частотах, соответствующих разным массовым долям несвежего риса, которые обеспечивают сильный и измеримый сигнал датчика для точного отслеживания сдвига частоты в рисе. спектры отражения. Резонансное поглощение должно быть поляризационно-независимым из-за симметрии C 4 структуры элементарной ячейки [39].

( a ) Моделированные спектры отражения; ( b ) измерили спектры отражения для предложенного поглотителя, заполненного образцами риса с различными массовыми долями несвежего риса. Стоит отметить, что образцы риса с разным массовым содержанием черствого риса имеют разные эффективные диэлектрические постоянные.

Чтобы выявить взаимосвязь между процентом черствого риса и частотой, мы построили график измеренных резонансных частот представленных поглотителей для различных массовых долей черствого риса в, где черная линия показывает линейную аппроксимацию экспериментальных данных.Подгоночная функция описывается формулой F = 0,3742 м + 7,0869, где зависимая переменная F представляет собой резонансную частоту, а независимая переменная м представляет массовый процент черствого риса. Из этого видно, что экспериментальные данные примерно соответствуют линейной функции. Как показано на фиг.1, экспериментальные результаты имеют относительно большое отклонение от аппроксимирующей кривой при массовых долях 0% и 100%. Однако измеренное соотношение очень похоже на линейную функцию, когда массовая доля изменяется с 10% до 90%.Кроме того, чтобы исследовать реальное минимальное разрешение предлагаемого поглотителя, мы измерили сдвиг частоты при меньшем изменении массовой доли. Когда единичное изменение массовой доли составляет менее 5%, сдвиг частоты незначителен, и трудно точно охарактеризовать небольшие изменения массовой доли. Следовательно, минимальное разрешение предлагаемого датчика составляет 5% по массе. В целом, отслеживая резонансную частоту по спектрам отражения, можно определить массовый процент черствого риса по изменению резонансной частоты.Это говорит о том, что предложенный поглотитель из метаматериала может использоваться в качестве датчика зерна для неразрушающей оценки фальсификации.

Зависимость резонансной частоты от массовой доли черствого риса.

3.2. Приложение неразрушающего зондирования для классификации зерен

Чтобы дополнительно продемонстрировать возможности неразрушающего зондирования зерен предлагаемого поглотителя из метаматериалов, мы также исследовали другой прямой пример применения сенсора классификации зерен.В этом случае поглотитель был заполнен образцами различных сортов зерна, включая рис, кукурузу, пшеницу, сою и очищенный арахис, а затем соответствующие спектры отражения были отдельно измерены с использованием тестовой системы арочного обрамления. Как показано на рисунке a, поглотитель показывает очевидные различия в резонансной частоте поглощения для разных сортов зерна, что делает его потенциальным кандидатом в датчик классификации зерна. Была предпринята простая попытка классифицировать зерно с характеристическими резонансными частотами, соответствующими различным образцам, как показано на рисунке b.Было обнаружено, что удовлетворительные результаты классификации были представлены для образцов риса, кукурузы, пшеницы, сои и очищенного арахиса. Таким образом, с использованием сигналов резонансной частоты, быстрая и неразрушающая классификация зерен была достигнута за счет использования предложенного поглотителя из метаматериала.

( a ) Измерены спектры отражения предлагаемого поглотителя, заполненного различными видами образцов зерен; ( b ) результаты классификации зерен на основе резонансной частоты поглотителя метаматериала.

3.3. Рабочий механизм поглотителя из метаматериала

Чтобы пояснить рабочий механизм предлагаемого датчика на основе метаматериала на примере приложения для измерения фальсификации зерна, мы рассмотрели всю структуру как модель полости, содержащую два интерфейса: верхний слой CRA и верхний слой CRA. нижняя медная пластина, как показано на. На границе воздух-рис с CRA падающая микроволновая печь частично отражается обратно в воздух и частично передается в рис.Переданная волна продолжает распространяться, пока не достигнет медной пластины. После того, как отражение достигает медной пластины и распространяется на рис, частичное отражение и пропускание снова происходят на границе воздух-рис с CRA [40]. Согласно теории интерференции многократного отражения [40], электромагнитные волны будут перемещаться вперед и назад между верхней и нижней границами раздела, образуя резонатор, подобный Фабри – Перо, и приводя к множественным лучам, отражающим назад всю структуру. Таким образом, полное отражение представляет собой наложение нескольких лучей, отраженных назад.На резонансных частотах деструктивная интерференция многократно отраженных лучей приводит к почти нулевому общему отражению и, следовательно, является эффектом сильно резонансного поглощения на этих конкретных частотах [41]. Частоту резонансного поглощения можно оценить из условия резонанса полости Фабри – Перо с помощью следующего выражения:

где n — положительное целое число, n = 2 для предлагаемого поглотителя из метаматериала, c относится к скорости света в вакууме, а d и ε r — толщина и эффективный диэлектрический постоянная рисового слоя соответственно.Из приведенного выше выражения видно, что резонансная частота отрицательно коррелирует с эффективной диэлектрической проницаемостью образца риса. Следовательно, уменьшение эффективной диэлектрической проницаемости приведет к увеличению резонансной частоты. В соответствии с изменениями диэлектрической проницаемости образцов риса с различными массовыми процентами несвежего риса, показанными на b, эффективная диэлектрическая проницаемость ε r будет уменьшаться по мере увеличения массовой доли.Здесь диэлектрическая проницаемость различных образцов риса измеряется с помощью метода передачи микроволн в свободном пространстве, описанного Trabelsi et al. [42] Следовательно, увеличение массового процента несвежего риса приведет к увеличению резонансной частоты и наоборот. Теоретический анализ и экспериментальное измерение резонансной частоты сравниваются на графике b, который демонстрирует аналогичную тенденцию изменения, а расхождение между ними всегда меньше 5%. Следовательно, фальсификацию риса можно определить, обнаружив сдвиги резонансных частот.

( a ) Множественные отражения и интерференционная модель резонатора типа Фабри – Перо, образованного поглотителем из метаматериала; ( b ) эквивалентная диэлектрическая проницаемость различных образцов риса на соответствующих частотах резонансного поглощения, а также измеренные (черный цвет) и проанализированные частоты резонансного поглощения (красный цвет) поглотителя как функция массовой доли черствого риса.

4. Выводы

Таким образом, мы предложили общую схему разработки датчика на основе поглотителя из метаматериала для неразрушающего зондирования зерен на микроволновых частотах.Физическая структура состоит из решетки поперечных резонаторов, образца зерна, металлической земли и коробки из ПММА. Чтобы продемонстрировать характеристики датчика, верхний CRA был изготовлен на плате FR-4 с использованием процесса печатной платы и упакован с двумя другими слоями в коробку из ПММА. Это устройство из метаматериала может удобно обеспечить неразрушающее зондирование при контроле качества зерна, такое как определение фальсификации и разнообразия, путем измерения резонансной частоты. В качестве примеров подтверждения концепции абсорбер был заполнен смесью свежего и несвежего риса и исследован с помощью численного моделирования и экспериментов.Результаты показывают, что резонансная частота поглотителя изменяется с изменением эффективной диэлектрической проницаемости чувствительного слоя, которая определяется массовой долей черствого риса в образце начинки. Теория интерференции многократных отражений и эффективная диэлектрическая проницаемость образцов риса были использованы для объяснения механизма работы предложенного поглотителя из метаматериала. Наконец, способность датчика классифицировать различные сорта зерна также была продемонстрирована посредством экспериментальных измерений.Наша конструкция сенсора может предоставить привлекательные возможности для применения поглотителей из метаматериалов для неразрушающего контроля качества пищевых продуктов и может стать полезным дополнением к сенсорным устройствам в микроволновом режиме.

Ультра-узкополосный поглотитель инфракрасного излучения в качестве плазмонного датчика | Письма о наноразмерных исследованиях

  • 1.

    Тан Л., Коджабас С.Е., Латиф С., Окьяй А.К., Ли-Ганьон Д.С., Сарасват К.С., Миллер Д.А.Б. (2008) Германиевый фотодетектор нанометрового масштаба, усиленный дипольной антенной в ближнем инфракрасном диапазоне.Nat Photon 2: 226–229

    Статья Google Scholar

  • 2.

    Chu Y, Schonbrun E, Yang T, Crozier KB (2008) Экспериментальное наблюдение узких поверхностных плазмонных резонансов в массивах наночастиц золота. Appl Phys Lett 93: 181108

    Статья Google Scholar

  • 3.

    Огюи Б., Барнс В.Л. (2008) Коллективные резонансы в массивах наночастиц золота. Phys Rev Lett 101: 143902

    Статья Google Scholar

  • 4.

    Anker JN, Hall WP, Lyandres O, Shah NC, Zhao J, VanDuyne RP (2008) Биосенсор с плазмонными наносенсорами. Nat Mater 7: 442–453

    Статья Google Scholar

  • 5.

    Brolo AG (2012) Плазмоника для будущих биосенсоров. Nat Photonics 6: 709–713

    Статья Google Scholar

  • 6.

    Стюарт М.Э., Андертон Ч.Р., Томпсон Л.Б., Мария Дж., Грей С.К., Роджерс Дж.А., Нуццо Р.Г. (2008) Наноструктурированные плазмонные сенсоры.Chem Rev 108: 494–521

    Артикул Google Scholar

  • 7.

    Кабашин А.В., Эванс П., Пастковский С., Хендрен В., Вюрц Г.А., Аткинсон Р., Поллард Р., Подольский В.А., Заяц А.В. (2009) Плазмонные наностержневые метаматериалы для биодатчика. Nat Mater 8: 867–871

    Статья Google Scholar

  • 8.

    Gao YK, Gan QQ, Xin ZM, Cheng XH, Bartoli FJ (2011) Плазмонный интерферометр Маха-Цендера для сверхчувствительного биосенсора на кристалле.ACS Nano 5: 9836–9844

    Артикул Google Scholar

  • 9.

    Vora A, Gwamuri J, Pala N, Kulkarni A, Pearce JM, Güney DO (2014) Обмен омических потерь в поглотителях из метаматериалов с полезным оптическим поглощением для фотовольтаики. Sci Rep 4: 4901

    Статья Google Scholar

  • 10.

    Ван И, Сан Т., Паудель Т., Чжан И, Рен З, Кемпа К. (2012) Структура метаматериала-плазмонного поглотителя для высокоэффективных солнечных элементов из аморфного кремния.Nano Lett 12: 440–445

    Статья Google Scholar

  • 11.

    Guo CF, Sun T, Cao F, Liu Q, Ren Z (2014) Металлические наноструктуры для захвата света в устройствах сбора энергии. Light Sci Appl 3, e161

    Статья Google Scholar

  • 12.

    Atwater HA, Polman A (2010) Плазмоника для улучшенных фотоэлектрических устройств. Nat Mater 9: 205–213

    Статья Google Scholar

  • 13.

    Peng Y, Jiang W, Eric A, Alexander G, Zhiming W (2016) Двухдиапазонный поглотитель для многоспектрального инфракрасного фотодетектирования с усилением плазмонов. J Phys D Appl Phys 49: 365101

    Статья Google Scholar

  • 14.

    Guanhai L, Xiaoshuang C, Oupeng L, Chengxue S, Yuan J, Lujun H, Bo N, Weida H, Wei L (2012) Новый датчик плазмонного резонанса на основе идеального поглотителя инфракрасного излучения. J Phys D Appl Phys 45: 205102

    Статья Google Scholar

  • 15.

    Лю X, Тайлер Т., Старр Т., Старр А.Ф., Джокерст Н.М., Падилла В.Дж. (2011) Укрощение черного тела с помощью инфракрасных метаматериалов в качестве селективных тепловых излучателей. Phys Rev Lett 107: 045901

    Статья Google Scholar

  • 16.

    Argyropoulos C, Le KQ, Mattiucci N, Aguanno GD, Alu A (2013) Широкополосные поглотители и селективные излучатели на основе плазмонных метаповерхностей Брюстера. Phys Rev B 87: 205112

    Артикул Google Scholar

  • 17.

    Li Z, Butun S, Aydin K (2014) Поглотители с ультратонкими полосами, основанные на резонансах поверхностной решетки в наноструктурированных металлических поверхностях. ACS Nano 8: 8242–8248

    Артикул Google Scholar

  • 18.

    Чанда Д., Шигета К., Чыонг Т., Луи Э., Михи А., Шульмерих М., Браун П. В., Бхаргава Р., Роджерс Дж. А. (2011) Сочетание плазмонных и оптических мод резонатора в квазитрехмерных плазмонных кристаллах . Nat Commun 2: 479

    Статья Google Scholar

  • 19.

    Лэнди Н.И., Саджуйигбе С., Мок Дж. Дж., Смит Д. Р., Падилла В. Дж. (2008) Идеальный поглотитель из метаматериалов. Phys Rev Lett 100: 207402

    Статья Google Scholar

  • 20.

    Tao H, Bingham CM, Strikwerda AC, Pilon D, Shrekenhamer D, Landy NI, Fan K, Zhang X, Padilla WJ, Averitt RD (2008) Очень гибкий терагерцовый поглотитель из метаматериала с широким углом падения: конструкция, изготовление и характеристика. Phys Rev B 78: 241103

    Артикул Google Scholar

  • 21.

    Hedayati MK, Javaherirahim M, Mozooni B, Abdelaziz R, Tavassolizadeh A, Chakravadhanula VSK, Zaporojtchenko V, Strunkus T, Faupel F, Elbahri M (2011) Дизайн идеального черного поглотителя на видимых частотах с использованием плазмонных метаматериалов. Adv Mater 23: 5410–5414

    Статья Google Scholar

  • 22.

    Shen Y, Zhou J, Liu T, Tao Y, Jiang R, Liu M, Xiao G, Zhu J, Zhou ZK, Wang X, Jin C, Wang J (2013) Плазмонные золотые грибовидные матрицы с рефракцией показатели качества индекса чувствительности приближаются к теоретическому пределу.Нац Коммуна 4: 2381

    Google Scholar

  • 23.

    Лю Н., Меш М., Вайс Т., Хентшель М., Гиссен Х. (2010) Совершенный инфракрасный поглотитель и его применение в качестве плазмонного датчика. Nano Lett 10: 2342–2348

    Статья Google Scholar

  • 24.

    Линь Л.Х., Чжэн Ю.Б. (2015) Оптимизация плазмонных наноантенн посредством скоординированного множественного взаимодействия. Sci Rep 5: 14788

    Статья Google Scholar

  • 25.

    Лу Х, Чжан Л., Чжан Т. (2015) Узкополосный поглотитель на основе нанощелевых микрополостей для датчиков. Opt Express 23: 20715–20720

    Статья Google Scholar

  • 26.

    Li YL, An BW, Jiang SM, Gao J, Chen YL, Pan SD (2015) Плазмонно-индуцированный трехзонный поглотитель для сенсорного применения. Opt Express 23: 17607–17612

    Статья Google Scholar

  • 27.

    Sreekanth KV, Alapan Y, ElKabbash M, Ilker E, Hinczewski M, Gurkan UA, De Luca A, Strangi G (2016) Платформа биосенсорного анализа высокой чувствительности на основе гиперболических метаматериалов.Nat Mater 6: 4609

    Google Scholar

  • 28.

    Лю SD, Qi X, Zhai WC, Chen ZH, Wang WJ, Han JB (2015) Определение показателя преломления на основе состояния поляризации с помощью плазмонных наноструктур. Наноразмер 7: 20171–20179

    Статья Google Scholar

  • 29.

    Кубо В., Фудзикава С. (2011) Двойные наностолбики золота с нанозазором для плазмонного сенсора. Nano Lett 11: 8–15

    Статья Google Scholar

  • 30.

    Fang JH, Levchenko I, Yan W, Aharonovich I, Aramesh M, Prawer S, Ostrikov K (2015) Плазмонный датчик из метаматериала со сверхвысокой чувствительностью в видимом спектральном диапазоне. Adv Optical Mater 3 (6): 750–755

    Статья Google Scholar

  • 31.

    Вереллен Н., Ван Дорп П., Хуанг С.Дж., Лодевийкс К., Ванденбош Г.А.Э., Лагае Л., Мощалков В.В. (2011) Формирование плазмонных линий с использованием нанокрестов для высокочувствительного измерения локализованного поверхностного плазмонного резонанса.Nano Lett 11: 391–397

    Статья Google Scholar

  • 32.

    Liu ZQ, Liu GQ, Huang S, Liu XS, Pan PP, Wang Y, Gu G (2015) Многоспектральное пространственное и частотно-избирательное зондирование с помощью сверхкомпактных плазмонных кристаллов крестообразной антенны. Sens Actuator B-Chem 215: 480–488

    Артикул Google Scholar

  • 33.

    Xiong X, Jiang SC, Hu YH, Peng RW, Wang M (2013) Структурированная металлическая пленка как идеальный поглотитель.Adv Mater 25: 3994–4000

    Статья Google Scholar

  • 34.

    Le Perchec J, Quémerais P, Barbara A, López-Ríos T (2008) Почему металлические поверхности с канавками глубиной и шириной в несколько нанометров могут сильно поглощать видимый свет. Phys Rev Lett 100: 066408

    Статья Google Scholar

  • 35.

    Pardo F, Bouchon P, Haïdar R, Pelouard JL (2011) Механизм световой воронки, объясняемый магнитоэлектрической интерференцией.Phys Rev Lett 107: 093902

    Статья Google Scholar

  • 36.

    Поляков А., Томпсон К.Ф., Дьюи С.Д., Олиник Д.Л., Кабрини С., Шак П.Дж., Падмор Х.А. (2012) Настройка плазмонного резонанса в металлических нанополостях. Sci Rep 2: 933

    Статья Google Scholar

  • 37.

    Aydin K, Ferry VE, Briggs RM, Atwater HA (2011) Широкополосное поляризационно-независимое резонансное поглощение света с использованием ультратонких плазмонных суперпоглотителей.Nat Commun 2: 517

    Статья Google Scholar

  • 38.

    Бутун С., Айдын К. (2014) Структурно перестраиваемые резонансные полосы поглощения в ультратонких широкополосных плазмонных поглотителях. Opt Express 22: 19457–19468

    Артикул Google Scholar

  • 39.

    Shiwen Luo, Jun Zhao, Duluo Zuo, Xinbing Wang (2016) Идеальный узкополосный поглотитель для датчиков. ОПТИКА ЭКСПРЕСС 24: 9288–9294

  • 40.

    Лю Н., Вайс Т., Меш М., Ланггут Л., Эйгенталер У., Хиршер М., Сонничсен С., Гиссен Х. (2010) Планарный аналог метаматериала электромагнитно индуцированной прозрачности для плазмонного зондирования. Nano Lett 10 (4): 1103–1107

    Статья Google Scholar

  • 41.

    Sreekanth KV, ElKabbash M, Alapan Y, Rashed AR, Gurkan UA, Strangi G (2016) Многополосный идеальный поглотитель на основе гиперболических метаматериалов. Sci Rep 6: 26272

    Статья Google Scholar

  • 42.

    Wang H, Wang LP (2015) Настройка тепловых излучательных свойств с использованием метаматериалов с вогнутой решеткой, связанной с пленкой. J Quant Spectrosc Radiat Transfer 158: 127–135

    Артикул Google Scholar

  • 43.

    Bai Y, Zhao L, Ju DQ, Jiang YY, Liu LH (2015) Широкоугольный, независимый от поляризации и двухдиапазонный идеальный поглотитель инфракрасного излучения на основе L-образного метаматериала. Opt Express 23 (7): 8670–8680

    Статья Google Scholar

  • 44.

    Feng R, Qiu J, Liu LH, Ding WQ, Chen LX (2014) Модель параллельной LC-цепи для многополосного поглощения и предварительный дизайн радиационного охлаждения. Opt Express 22 (25): A1713 – A1724

    Артикул Google Scholar

  • 45.

    Wang H, Wang LP (2013) Совершенные селективные солнечные поглотители из метаматериалов. Opt Express 21 (22): A1078 – A1093

    Статья Google Scholar

  • 46.

    El-Aasser MA (2014) Оптимизация конструкции совершенных поглотителей из нанополосковых метаматериалов.J Nanophotonics 8: 083085

    Статья Google Scholar

  • Датчики | Бесплатный полнотекстовый | Гидравлически настраиваемый метаповерхностный абсорбер для гибких крупномасштабных приложений беспроводного датчика этанола

    1. Введение

    Различные химические вещества, используемые в современной промышленности и исследованиях, регулируются листами данных по безопасности материалов (MSDS) и Согласованной на глобальном уровне системой (GHS) классификации и маркировка химикатов. Несмотря на эти стандарты, иногда в результате сложных экспериментальных процессов образуются неидентифицированные химические вещества.Некоторые из этих химикатов вредны для человеческого организма. Например, метанол влияет на центральную нервную систему и может вызвать серьезный ущерб, ведущий к слепоте, коме или смерти при попадании внутрь [1]. Следовательно, процесс обнаружения и количественной оценки химических веществ, используемых в различных средах, имеет важное значение. Проницаемость и проницаемость метаматериала можно искусственно изменять с помощью проводящих рисунков. Кроме того, метаповерхность может быть реализована с помощью двумерных периодических проводящих рисунков на плоской диэлектрической подложке.Метаповерхность может использоваться в качестве поглотителя электромагнитных (ЭМ) волн с помощью ЭМ резонаторов, таких как разъемные кольцевые резонаторы (SRR) [2]. Кроме того, схема поглощения сильно зависит от наличия диэлектрической пластины с металлическими проводами заземляющей пластины [3]. Метаповерхность, включающая поглотитель электромагнитных волн, может быть реализована на тонкой пленке, поэтому она обладает высокой гибкостью [4,5,6,7]. Резонансная частота метаповерхности очень чувствительна к индуктивной и емкостной составляющим резонатора [8,9].Эта функция предполагает возможность использования метаповерхности в сенсорных приложениях. Например, введен датчик деформации на метаповерхности [10]. Датчик может определять деформацию, измеряя сдвиги резонансной частоты. Была предложена концепция использования резонаторов из метаматериалов в качестве тонкопленочных чувствительных устройств [11,12,13,14]. Например, резонансная частота массива резонаторов с разъемным кольцом может быть изменена путем добавления на поверхность твердых материалов, таких как кремниевые наносферы [11].Предлагается концепция тонкопленочного сенсора с использованием микроволнового метаматериального резонатора в направленной волне, хотя его чувствительность не продемонстрирована на материалах [12]. Его чувствительность повышается за счет добавления наконечников, ограничивающих поле, к концам плеч резонатора. Кроме того, было исследовано применение датчиков с использованием поглотителя из метаматериала в ТГц режиме [13,14,15,16,17]. Например, терагерцовая плазмонная структура используется для расширения возможностей восприятия [15]. Микрофлюидика — это метод анализа жидкости с использованием жидкости только в микролитровом масштабе.Следовательно, он может уменьшить минимально необходимое количество жидкости для анализа по сравнению с традиционными методами анализа [18,19]. Кроме того, он обладает преимуществом миниатюризации. В последние годы микрофлюидика использовалась в различных приложениях, таких как биопробы, анализ крови и контроль качества производства [20,21,22,23,24]. Недавние исследования микрофлюидики были расширены до регулируемых радиочастотных (RF) систем и микроволновых систем обнаружения жидкостей [24,25]. В большинстве исследований RF-микрофлюидики жидкость использовалась в качестве замещающего диэлектрического материала для микроволновых резонаторов, антенн или линий передачи [26,27,28].

    В настоящем исследовании мы представляем микрожидкостный метаповерхностный поглотитель для гибких крупномасштабных сенсоров этанола. Предлагаемый метаповерхностный поглотитель может определять концентрацию этанола по изменяющейся резонансной частоте поглотителя. На резонансной частоте метаповерхность поглощает энергию падающей электромагнитной волны, поэтому мы можем определить концентрацию этанола, измерив частоту поглощения. Метаповерхность состоит из резонаторов с разрезным кольцом (SRCR). Мы использовали технологию струйной печати, чтобы реализовать проводящие узоры SRCR на фотобумаге.Следовательно, предлагаемая метаповерхность имеет преимущество гибкости по сравнению с метаповерхностью на основе традиционных печатных плат (PCB). Кроме того, мы реализовали микрофлюидные каналы на подложке из полидиметилсилоксана (PDMS) с помощью техники лазерного травления, поэтому микрофлюидный канал также обладает гибкостью. Эффективность предлагаемого гибкого поглотителя подтверждена результатами моделирования и измерений.

    2. Конструкция и структура

    На рисунке 1 показан трехмерный вид окончательной конструкции элементарной ячейки метаповерхности.Предлагаемая метаповерхность состоит из трех слоев. Верхний слой имеет микрофлюидные каналы на подложке PDMS. Средний слой имеет проводящий рисунок SRCR, напечатанный струйной печатью на фотобумаге Kodak премиум-класса. Нижний слой имеет дополнительную подложку PDMS, чтобы минимизировать коэффициент передачи за счет увеличения толщины подложек. Высокая степень поглощения может быть достигнута за счет минимизации коэффициентов передачи и отражения. Кроме того, нижняя сторона метаповерхности полностью покрыта медным листом.Геометрия предлагаемой элементарной ячейки метаповерхности показана на рисунке 2а. Элементарная ячейка состоит из SRCR из-за ее простой и симметричной конструкции. На рис. 2б показана схема предлагаемой метаповерхности с микрофлюидными каналами. Чтобы максимизировать частотный сдвиг, микрожидкостные каналы должны быть загружены там, где электрическое поле сильно связано, как показано на рисунке 2b. Метаповерхность показывает частотно-зависимое комплексное число диэлектрической проницаемости и проницаемости в приближении эффективной среды [29].Когда электромагнитная волна обычно падает на метаповерхность, собственный импеданс метаповерхности Z (ω) определяется следующим соотношением между относительной проницаемостью μ r и диэлектрической проницаемостью ε r метаповерхности:

    Z (ω) = μ0μr (ω) ε0εr (ω)

    (1)

    где μ 0 и ε 0 — проницаемость и диэлектрическая проницаемость свободного пространства соответственно.

    Из уравнения (1), если мы приведем μ r и ε r к одному и тому же значению, внутренний импеданс метаповерхности может быть согласован с импедансом свободного пространства; следовательно, отраженные волны можно свести к минимуму.Кроме того, показатель преломления n метаповерхности имеет высокое значение для ее мнимой составляющей и будет рассеивать энергию падающей электромагнитной волны. Следовательно, метаповерхность может достигать высокой скорости поглощения, несмотря на ее низкий профиль.

    Резонанс SRCR создается индуктивной и емкостной составляющими проводящего рисунка. Поперечный провод SRCR создает индуктивность, а зазор в круглом кольце и между соседними элементарными ячейками создает емкость. Емкость SRCR определяется по [30]:

    C≅εeff10−318πK (k) K ′ (k) l

    (2)

    где ε eff , K (k) / K ’(k) и l — эффективная диэлектрическая проницаемость, приблизительное соотношение между эллиптическими интегралами и шириной емкостного зазора соответственно.Из уравнения (2) резонансная частота SRCR зависит от геометрического размера, а также от эффективной диэлектрической проницаемости. Поэтому в этом исследовании мы адаптировали микрожидкостный канал для изменения диэлектрической проницаемости и, таким образом, для определения сдвига резонансной частоты. В качестве первого шага в проектировании микрожидкостного канала мы проверили распределение электрического поля SRCR с помощью метода конечных элементов. имитатор высокочастотной структуры (HFSS) ANSYS на основе метода (FEM). Предлагаемая элементарная ячейка моделировалась как бесконечная периодическая структура.Мы устанавливаем граничные условия ведущий / ведомый и возбуждения порта Флоке для моделирования на рисунке 3a. Как показано на рисунке 3b, сильное электрическое поле создается вокруг двух емкостных промежутков между соседними элементарными ячейками и четырех промежутков SRCR. Однако загрузить микрожидкостный канал на зазоры SRR затруднительно. Таким образом, микрожидкостный канал помещается в зазор между соседними элементарными ячейками. На Рисунке 4 показан смоделированный импеданс предложенной метаповерхности после нормализации на импеданс свободного пространства.Предлагаемая метаповерхность резонирует на частотах 10,49 ГГц, 10,04 ГГц и 8,9 ГГц, когда канал пуст, заполнен 100% этанолом и заполнен деионизированной (ДИ) водой соответственно. Комплексная диэлектрическая проницаемость деионизированной воды и этанола составляет 76 + j21 и 24 + j8.16 соответственно. Хотя их диэлектрическая проницаемость зависит от частоты, мы использовали постоянную диэлектрическую проницаемость, поскольку диапазон рабочих частот узок. На каждой резонансной частоте действительные части близки к единице; следовательно, импеданс предложенной метаповерхности согласован с импедансом свободного пространства.Для проверки электрического и магнитного резонанса в состоянии пустого канала и состоянии DI, заполненного водой, распределение электрического поля и распределение вектора тока показаны на рисунке 5. Шаблон SRCR обеспечивает электрический отклик, как показано на рисунке 5a. Для состояний пустого канала и состояния DI, заполненного водой, сильное электрическое поле создается на частотах 10,49 ГГц и 8,9 ГГц соответственно. Магнитный резонанс возникает из-за протекания встречно-параллельного тока, как показано на рисунке 5b.

    3. Результаты и обсуждение

    Для проверки характеристик предложенного метаповерхностного поглотителя, элементарные ячейки 15 × 15 были напечатаны три раза на фотобумаге Kodak премиум-класса.Относительная диэлектрическая проницаемость, диэлектрические потери и толщина бумаги составляли 2,35, 0,11 и 0,22 мм соответственно. Мы использовали принтер для материалов DMP 2800 (Dimatix, Санта-Клара, Калифорния, США), оснащенный картриджем Dimatix 10 pL (DMC-11610). Как правило, для струйной печати доступны чернила с наночастицами серебра и меди. Чернила с наночастицами серебра обладают более высокой проводимостью, чем чернила с наночастицами меди, хотя серебро дороже меди. В данной работе используются чернила с наночастицами серебра ANP DGP 40LT-15C из-за их высокой проводимости.После печати образец спекали в печи в течение 5 мин при 180 ° C. В процессе спекания проводимость чернил с наночастицами серебра увеличилась с 9 × 10 6 См / м до 1,1 × 10 7 См / м [31]. Верхний и нижний слои состояли из ПДМС. Относительная диэлектрическая проницаемость, диэлектрические потери и толщина PDMS составляли 4,44, 0,075 и 1 мм соответственно. Микрожидкостный канал был реализован на подложке PDMS с использованием техники лазерного травления, глубина канала равна 0.3 мм. Каждый слой был склеен адгезивной пленкой (ARcare ® 92561, Adhesives Research, Glen Rock, PA, USA) после плазменной обработки поверхности. Изготовленный образец прототипа показан на рисунке 6. Чтобы упростить проверку микрожидкостного канала, мы смешали деионизированную воду с красными чернилами и впрыснули ее в канал. Чтобы исследовать характеристики предложенного метаповерхностного поглотителя, были измерены коэффициенты отражения с использованием установка для измерения поперечного сечения бистатического радара (RCS) [32]. Схема измерения показана на рисунке 7.Мы измерили S-параметры с помощью векторного анализатора цепей MS2038C (Anritsu, Morgan Hill, CA, USA). Изготовленный образец окружен клиновидным поглотителем для предотвращения нежелательных сигналов отражения, а две рупорные антенны со стандартным усилением размещены на расстоянии 1 м от образца, чтобы удовлетворить условиям дальнего поля. Для измерения только отраженных сигналов от образца использовалась функция временного стробирования в векторном анализаторе цепей. Перед измерением коэффициента отражения образца мы измерили коэффициент отражения медной пластины для эталона измерения Γ = -1, с теми же размерами, что и образец.Для измерения скорости поглощения при разных углах поляризации образец вращался на угол ϕ. Чтобы измерить коэффициент поглощения для разных углов падения, приемная антенна поворачивалась на угол θ, а передающая антенна располагалась так, чтобы обеспечить зеркальное отражение. Для метаповерхности без лепестков решетки необходимо учитывать только зеркальное отражение.

    Во время измерения абсорбции мы закрывали вход и выход микрофлюидного канала пластиковой лентой, чтобы предотвратить испарение этанола.Время эксперимента для одного цикла (например, каждой концентрации этанола) занимает не более 3 минут, поэтому эффекты диффузии не учитываются при измерении.

    Скорость поглощения A (ω) может быть рассчитана на основе отражения R (ω) и пропускания T (ω) и определяется по формуле:

    А (ω) = 1 − R (ω) −T (ω)

    (3)

    Однако предлагаемый поглотитель имеет металлический лист на нижней стороне, поэтому электромагнитная волна не может пройти через предлагаемый датчик. Следовательно, мы можем пренебречь пропусканием и рассчитать коэффициент поглощения, измерив только коэффициент отражения.

    На рис. 8 показаны смоделированные и измеренные скорости поглощения предлагаемого поглотителя. Предлагаемый поглотитель демонстрирует степень поглощения 99,8% на частоте 10,49 ГГц в пустом состоянии микрожидкостного канала. Когда канал заполнен этанолом, предлагаемый датчик показывает степень поглощения 99,4% на частоте 10,04 ГГц, а для деионизированной воды скорость поглощения составляет 99,8% на частоте 8,9 ГГц. Относительно более широкая полоса пропускания обусловлена ​​низкой добротностью предлагаемого поглотителя, что является результатом использования бумаги с потерями и струйной печати.Его добротность может быть улучшена с помощью печатной платы и химического травления. Тем не менее, технология струйной печати имеет преимущества быстрого, недорогого, низкотемпературного и нулевого химического процесса обработки. Зависимость предлагаемого поглотителя от поляризации и угла падения также исследуется на основе результатов измерений. На рис. 9а показаны измеренные скорости поглощения для различных углов поляризации (ϕ) предлагаемого поглотителя с пустыми каналами. При изменении угла поляризации от 0 ° до 90 ° предлагаемый поглотитель показывает почти такие же результаты.На рисунке 9b показаны результаты измерений для различных углов падения (θ) предлагаемого датчика. Когда угол падения θ меньше 50 °, предлагаемый поглотитель демонстрирует коэффициент поглощения более 99% на частоте 10,49 ГГц, а при угле падения 60 ° его коэффициент поглощения превышает 85% на частоте 10,49 ГГц. скорости абсорбции при различных концентрациях этанола, а на Фигуре 10b показано соотношение резонансной частоты и концентрации этанола. Этанол разбавляют деионизированной водой.Когда концентрация этанола изменяется от 5% до 100%, резонансная частота смещается с 10,04 ГГц до 8,95 ГГц.

    Чтобы увидеть минимальное разрешение предлагаемого абсорбера в качестве датчика этанола, мы измерили коэффициент поглощения для более низкой концентрации этанола. При концентрации этанола ниже 5% очень трудно обнаружить изменения частоты. Следовательно, концентрация 5% — это минимальное разрешение датчика этанола.

    Чтобы увидеть линейность предлагаемого поглотителя в качестве датчика этанола, кривая зависимости концентрации и резонансной частоты построена с калибровочными кривыми на рисунке 10b.Измеренное соотношение аналогично y = 7,65 × 10 -3 x + 8,817 для концентраций от 20% до 80%. Кроме того, чувствительность датчика этанола определяется углом наклона калибровочной кривой. Следовательно, чувствительность различных концентраций этанола составляет 7,65 × 10 −3 ГГц / процент. Кроме того, предложенный абсорбер, использующий микрожидкостный канал, может использоваться в качестве беспроводного датчика этанола. Например, предлагаемый поглотитель принимает широкополосный опросный сигнал, резонансная частота может быть определена по отраженной частотной характеристике [33].Следовательно, концентрацию этанола можно контролировать беспроводным способом по изменению резонансной частоты.

    4. Выводы

    В заключение мы предложили новый гибкий метаповерхностный поглотитель для крупномасштабных применений датчиков этанола. Предлагаемая метаповерхность состоит из канального слоя PDMS, проводящего слоя рисунка SRCR и нижнего слоя PDMS, и каждый слой скреплен адгезивной ламинирующей пленкой. Для демонстрации его характеристик были изготовлены элементарные ячейки размером 15 × 15.Технология струйной печати была использована для реализации проводящих узоров SRCR с чернилами из наночастиц серебра на гибкой фотобумаге. Микрожидкостные каналы были вытравлены лазером на гибкой подложке PDMS. Предлагаемый метаповерхностный поглотитель может определять концентрацию этанола путем измерения резонансной частоты. При заполнении канала жидкостью эффективная диэлектрическая проницаемость резко меняется. Следовательно, резонансная частота предлагаемого поглотителя смещается. Результаты экспериментов показывают, что резонансная частота увеличивается с 8.От 9 ГГц до 10,04 ГГц при изменении концентрации этанола с 0% до 100%. Минимальная определяемая концентрация для этанола составляет 5%. Чувствительность датчика этанола составляет 7,65 × 10 −3 ГГц / процент. Для концентрации этанола наблюдается линейность от 2% до 80%.

    Предлагаемый метаповерхностный поглотитель основан на электромагнитном резонансе и не требует химической реакции, никаких химических материалов для аналитических процедур не требуется. Из-за преимуществ микрофлюидных каналов и бумаги предлагаемый абсорбер дешев и пригоден для вторичной переработки для сенсорных приложений.Кроме того, предлагаемый микроволновый датчик может без проводов обнаруживать и контролировать химические материалы с помощью недорогого радиочастотного оборудования. Однако, чтобы определить концентрацию этанола, пользователь должен знать тип раствора. В качестве следующего шага будет разработана платформа полной радиочастотной идентификации (RFID) с аналоговыми / цифровыми схемами.

    Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

    Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности.Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.


    Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

    Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

    • В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
    • Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались.Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
    • Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
    • Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
    • Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie.Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

    Почему этому сайту требуются файлы cookie?

    Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.


    Что сохраняется в файле cookie?

    Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

    Как правило, в файле cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.