基于双层金属超表面离子液体及水分检测双功能传感器

杨富龙; 郭志涛; 冯喆; 魏金艳; 崔梦瑶; 齐雨晴; 王玉瑞

doi:10.3788/gzxb20265503.0355112

Chinese

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

基于双层金属超表面离子液体及水分检测双功能传感器

“微波光子学”专题 | 更新时间：2026-04-21

- 基于双层金属超表面离子液体及水分检测双功能传感器
- Double-layered Metasurface-based Dual-function Sensor for Detecting Ionic Liquids and Moisture
- 光子学报 2026年55卷第3期页码：180-193
- 作者机构：
  
  1.兰州理工大学微电子现代产业学院，兰州 730050
  2.兰州理工大学自动化与电气工程学院，兰州 730050
  3.兰州理工大学酒泉先进技术研究院，兰州 730050
- 作者简介：
  
  杨富龙，yangfulong1982@126.com
- 基金信息：
  
  甘肃省重大科技项目(25ZDGE003;25ZDWA001;25ZDGE0004;25ZDGA005);联合科研基金一般项目(24JRRA829);甘肃省重点研发计划——工业项目(25YFGA033);甘肃省教育厅青年博士基金项目（2024QB‒036）
- DOI：10.3788/gzxb20265503.0355112
  中图分类号： O436
- CSTR：32255.14.gzxb20265503.0355112
- 收稿：2025-09-11，
  
  修回：2026-01-26，
  
  录用：2026-01-26，
  
  纸质出版：2026-03-25
- 稿件说明：
移动端阅览
杨富龙，郭志涛，冯喆，等. 基于双层金属超表面离子液体及水分检测双功能传感器［J］.光子学报，2026，55（3）：0355112

YANG Fulong， GUO Zhitao， FENG Zhe， et al. Double-layered Metasurface-based Dual-function Sensor for Detecting Ionic Liquids and Moisture［J］. Acta Photonica Sinica， 2026， 55（3）：0355112
杨富龙，郭志涛，冯喆，等. 基于双层金属超表面离子液体及水分检测双功能传感器［J］.光子学报，2026，55（3）：0355112 DOI： 10.3788/gzxb20265503.0355112. CSTR： 32255.14.gzxb20265503.0355112.

YANG Fulong， GUO Zhitao， FENG Zhe， et al. Double-layered Metasurface-based Dual-function Sensor for Detecting Ionic Liquids and Moisture［J］. Acta Photonica Sinica， 2026， 55（3）：0355112 DOI： 10.3788/gzxb20265503.0355112. CSTR： 32255.14.gzxb20265503.0355112.

摘要

提出了一种基于双层金属谐振单元的超表面微波传感器。传感器由双层金属谐振单元、开放式样品架和全覆铜底板三层结构组成，双层谐振提高了传感器的灵敏度，开放式样品架设计便于样品装载与检测，全覆铜底板提升了电磁屏蔽性能。仿真与实验结果表明，在工作频段内，传感器对不同种类的离子液体表现出不同的特征频率响应，不同种离子液体之间的最大频率偏移量可达490 MHz，检测灵敏度达到185.42 MHz/ε′。对于含微量水分的1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐溶液（［EMIm］［BF

］），水分含量从0增加到10%时，可产生180 MHz的频率偏移量。该传感器具有结构紧凑、制作工艺简单等技术优势，为离子液体质量监测提供了高效方案。

Abstract

Ionic liquids， as a new type of molten salts with high thermal stability， low vapor pressure， and strong designability， have important application value in cutting-edge fields such as electrochemistry， catalytic synthesis， and biomedicine. However， the accuracy and efficiency of ionic liquid type identification still need to be continuously explored and optimized. Traditional characterization methods， such as infrared spectroscopy and nuclear magnetic resonance， usually rely on large precision instruments， which have limitations such as complex operating procedures， high equipment costs， and long analysis cycles. At the same time， the inherent strong hygroscopicity of ionic liquids makes the control of sample purity more stringent， and existing moisture detection methods find it difficult to achieve rapid and precise measurement. Against this background， metasurfaces， as two-dimensional artificial materials that can flexibly control the amplitude， phase， and polarization of electromagnetic waves， provide a new technical path for the development of high-performance sensing technologies. This type of structure has both high sensitivity and non-contact detection advantages， and has shown significant potential in dielectric property analysis and substance identification. However， existing metasurface sensors still have certain limitations in practical applications， such as being easily affected by external electromagnetic interference or requiring direct contact with samples. These issues not only reduce measurement accuracy but may also cause sensor contamination， thereby limiting their widespread application in practical scenarios.

Aiming at the technical bottlenecks of ionic liquid type identification and moisture content detection mentioned above， this paper proposes a metasurface microwave sensor based on a dielectric substrate integrated with a double-layer metal resonant structure. The sensor converts the dielectric properties of ionic liquids into significant changes in resonant frequency shift and resonance linearity through its unique electromagnetic field localization and enhancement mechanism， providing a new way to achieve rapid and precise sensing analysis. To deeply study the working mechanism of the sensor， this study adopted a multi-level research method： from the physical mechanism level， the formation and energy distribution of electromagnetic resonance were intuitively presented through surface current distribution analysis； from the model construction level， the physical structure was transformed into circuit parameters through equivalent circuit analysis， and the regulation law of resonant frequency was quantitatively revealed； from the performance prediction level， the electromagnetic response characteristics of the sensor were accurately obtained through full-wave numerical simulation， and the structure was optimized； from the final verification level， experimental tests confirmed that the sensor can not only accurately distinguish six different types of ionic liquids but also achieve high-precision detection of trace moisture content.

Before conducting experimental characterization， this study first compared and analyzed the reflection characteristic changes of the sensor before and after loading ionic liquids in the 7~10 GHz frequency band based on electromagnetic simulation software. The simulation results show that the introduction of ionic liquids not only changed the original resonant mode of the sensor but also induced a stronger electromagnetic response through the dielectric regulation mechanism， thereby verifying that the metasurface sensor has excellent dielectric sensitivity and electromagnetic regulation capabilities. Subsequently， six representative ionic liquids were selected as the measured samples for actual measurement analysis. The experimental measurement results show that when the sample to be tested in the sample holder is changed from ［EMIm］［BF₄］ to ［OMIm］［BF₄］， the resonant peak position of the reflection spectrum shifts from 8.37 GHz to 8.86 GHz， resulting in a significant frequency shift of 490 MHz. Calculations show that the sensor's average sensitivity to dielectric constant changes can reach 185.42 MHz/ε′. In addition， this study systematically evaluated the sensor's ability to detect trace moisture content. Experimental data show that when the water content increases from 0% to 10%， the resonant peak of the reflection spectrum shows a significant frequency shift of 180 MHz （8.22 GHz→8.40 GHz）， proving that the sensor can effectively detect moisture changes in ionic liquids at the ppm level.

In summary， this paper successfully designed and verified a metasurface microwave sensor based on a double-layer metal resonant unit. By using a three-layer structure constructed with an FR4 epoxy resin substrate， combined with an open sample holder and a fully copper-plated bottom p

late design， the sensor exhibits excellent detection performance in the 7~10 GHz working frequency band， achieving non-contact and high-precision detection of ionic liquid types and their moisture content. Simulation and experimentalresults show that the sensor has different characteristic frequency responses for six typical ionic liquids （including ［EMIm］［BF

］，［BMIm］［SCN］，［BMIm］［OTf］，［BMIm］［BF

］，［HMIm］［NTf₂］， and ［OMIm］［BF

］）， with a maximum frequency shift of 490 MHz and a detection sensitivity of 185.42 MHz/ε′. In terms of moisture detection， the sensor shows a good resonant response to 0~10% moisture content changes in ［EMIm］［BF

］ solutions， with a resonant frequency shift of 180 MHz. The metasurface sensor designed in this study has high sensitivity and good measurement repeatability， providing an effective technical means for ionic liquid purity detection and deterioration monitoring， and has important engineering application prospects in fields such as chemical process control and real-time monitoring in hazardous environments.

关键词

Keywords

references

LUO J ， LIN F ， YUAN J ， et al . Application of ionic liquids and derived materials to high-efficiency and stable perovskite solar cells ［J］. ACS Materials Letters ， 2022 ， 4 （ 9 ）： 1684 - 1715 .

KIM JY ， LEE JW ， JUNG HS ， et al . High-efficiency perovskite solar cells ［J］. Chemical Reviews ， 2020 ， 120 （ 15 ）： 7867 - 7918 .

DENG X ， XIE L ， WANG S ， et al . Ionic liquids engineering for high-efficiency and stable perovskite solar cells ［J］. Chemical Engineering Journal ， 2020 ， 398 ： 125594 .

YE Y S ， RICK J ， HWANG B J . Ionic liquid polymer electrolytes ［J］. Journal of Materials Chemistry A ， 2013 ， 1 （ 8 ）： 2719 - 2743 .

ZHANG W X ， GAO Y R ， XUE R ， et al . Liquid formulations based on ionic liquids in biomedicine ［J］. Materials Today Physics ， 2023 ， 30 ： 100925 .

CHEN Y ， HAN X ， LIU Z ， et al . Thermal decomposition and volatility of ionic liquids： Factors， evaluation and strategies ［J］. Journal of Molecular Liquids ， 2022 ， 366 ： 120336 .

YANG F ， GONG J ， YANG E ， et al . Microwave-absorbing properties of room-temperature ionic liquids ［J］. Journal of Physics D： Applied Physics ， 2019 ， 52 （ 15 ）： 155302 .

BUFFETEAU T ， GRONDIN J ， LASSEGUES JC . Infrared spectroscopy of ionic liquids： quantitative aspects and determination of optical constants ［J］. Applied Spectroscopy ， 2010 ， 64 （ 1 ）： 112 - 119 .

DAMODARAN K . Recent advances in NMR spectroscopy of ionic liquids ［J］. Progress in Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy ， 2022 ， 129 ： 1 - 27 .

BENNETT E L ， SONG C ， HUANG Y ， et al . Measured relative complex permittivities for multiple series of ionic liquids ［J］. Journal of Molecular Liquids ， 2019 ， 294 ： 111571 .

WEI Q ， SHU-YUE A ， SHUAI C ， et al . A method of measuring complex ermittivity of nonmagnetic materials and selecting its initial value based on iterative inversion ［J］. Acta Physica Sinica ， 2023 ， 72 （ 7 ）： 070601 .

覃维，安书悦，陈帅，等 . 基于迭代反演的非磁性材料复介电常数测量及初值选取方法［J］. 物理学报， 2023 ， 72 （ 7 ）： 070601 . DOI: 10.7498/aps.72.20222224 http://dx.doi.org/10.7498/aps.72.20222224

ABDULKARIM Y I ， DENG L ， ALTINTAŞ O ， et al . Metamaterial absorber sensor design by incorporating swastika shaped resonator to determination of the liquid chemicals depending on electrical characteristics ［J］. Physica E： Low-dimensional systems and Nanostructures ， 2019 ， 114 ： 113593 .

RADCHENKO O B ， RADCHENKO D S ， KONOVETS A I ， et al . Water determination in aromatic sulfonyl chlorides using the Karl Fischer titration method： scope and limitations ［J］. ChemistrySelect ， 2022 ， 7 （ 2 ）： e202102749 .

PENG L ， YIN T ， SONG Z ， et al . Superior ammonia nitrogen adsorption capacity and reusability biochar microsphere applied in live fish transportation ［J］. Chemical Engineering Journal ， 2025 ： 163261 .

VEGA-CASTELLOTE M ， PÉREZ-MARÍN D ， TORRES-RODRÍGUEZ I ， et al . Implementing near infrared spectroscopy for the online internal quality and maturity stage classification of intact watermelons at industry level ［J］. Spectrochimica Acta Part A： Molecular and Biomolecular Spectroscopy ， 2025 ： 126254 .

MEI Zhonglei ， ZHANG Li ， CUI Tiejun . Research progress of electromagnetic metamaterials ［J］. Science & Technology Review ， 2016 ， 34 （ 18 ）： 27 - 39 .

梅中磊，张黎，崔铁军 . 电磁超材料研究进展［J］. 科技导报， 2016 ， 34 （ 18 ）： 27 - 39 .

TANG Wenxuan ， CUI Tiejun . Development and Application of Electromagnetic Metamaterials ［J］. Optoelectronic Technology ， 2024 ， 44 （ 2 ）： 85 - 93 .

汤文轩，崔铁军 . 电磁超材料的发展与应用［J］. 光电子技术， 2024 ， 44 （ 2 ）： 85 - 93 . DOI: 10.12450/j.gdzjs.202402001 http://dx.doi.org/10.12450/j.gdzjs.202402001

LIU Junfeng ， LIU Shuo ， FU Xiaojian ， et al . Terahertz information metamaterials and metasurfaces ［J］. Journal of Radars ， 2018 ， 7 （ 1 ）： 46 - 55 .

刘峻峰，刘硕，傅晓建，等 . 太赫兹信息超材料与超表面［J］. 雷达学报， 2018 ， 7 （ 1 ）： 46 - 55 . DOI: 10.12000/JR17100 http://dx.doi.org/10.12000/JR17100

QIU T ， SHI X ， WANG J ， et al . Deep learning： a rapid and efficient route to automatic metasurface design ［J］. Advanc Science ， 2019 ， 6 （ 12 ）： 1900128 .

CAO L ， YANG Z ， XU Y J J O S ， et al . Steering elastic SH waves in an anomalous way by metasurface ［J］. Journal of Sound and Vibration ， 2018 ， 418 ： 1 - 14 .

ZHANG Lei ， LIU Shuo ， CUI Tiejun . Theory and Applications of Electromagnetic Coding Metamaterials ［J］. Chinese Optics ， 2017 ， 10 （ 1 ）： 1 - 12 .

张磊，刘硕，崔铁军 . 电磁编码超材料的理论与应用［J］. 中国光学， 2017 ， 10 （ 1 ）： 1 - 12 . DOI: 10.3788/co.20171001.0001b http://dx.doi.org/10.3788/co.20171001.0001b

CHEN Ying ， ZHANG Min ， DING Zhixin ， et al . Microfluidic refractive index sensor based on all-dielectric metasurface ［J］. Chinese Journal of Lasers ， 2022 ， 49 （ 6 ）： 0613001 .

陈颖，张敏，丁志欣，等 . 基于全介质超表面的微流体折射率传感器［J］. 中国激光， 2022 ， 49 （ 6 ）： 0613001 . DOI: 10.3788/cjl202249.0613001 http://dx.doi.org/10.3788/cjl202249.0613001

LIU Hai ， REN Ziyan ， CHEN Cong ， et al . Design of multifunctional sensor based on fano resonance metasurface ［J］. Chinese Journal of Lasers ， 2023 ， 50 （ 10 ）： 1010001 .

刘海，任紫燕，陈聪，等 . 基于 Fano 共振超表面的多功能传感器设计［J］. 中国激光， 2023 ， 50 （ 10 ）： 1010001 . DOI: 10.3788/CJL220850 http://dx.doi.org/10.3788/CJL220850

ZHU R ， WANG J ， HAN Y ， et al . Virtual metasurfaces： reshaping electromagnetic waves in distance ［J］. Photonics Research ， 2023 ， 11 （ 2 ）： 203 - 211 .

LU X ， GE H ， JIANG Y ， et al . A dual-band high-sensitivity THz metamaterial sensor based on split metal stacking ring ［J］. Biosensors ， 2022 ， 12 （ 7 ）： 471 .

QI Meiqing . Regulation and application of electromagnetic waves by metamaterial lenses and metasurfaces ［D］. Nanjing ： Southeast University ， 2016 .

齐美清 . 超材料透镜和超表面对电磁波的调控及应用［D］. 南京：东南大学， 2016 . DOI: 10.7666/d.Y3141031 http://dx.doi.org/10.7666/d.Y3141031

DAI Junyan ， CUI Tiejun . New mode of nonlinear metasurfaces： space-time-coding digital metasurfaces ［J］. Physics ， 2021 ， 50 （ 5 ）： 293 - 299 .

戴俊彦，崔铁军 . 非线性超表面新模式：时空编码数字超表面［J］. 物理， 2021 ， 50 （ 5 ）： 293 - 299 .

SUN Shulin ， HE Qiong ， ZHOU Lei . Electromagnetic Metasurfaces ［J］. Physics ， 2015 ， 44 （ 06 ）： 366 - 376 .

孙树林，何琼，周磊 . 电磁超表面［J］. 物理， 2015 ， 44 （ 6 ）： 366 - 376 .

ZHANG Y ， ZHAO J ， CAO J ， et al . Microwave metamaterial absorber for non-destructive sensing applications of grain ［J］. Sensors ， 2018 ， 18 （ 6 ）： 1912 .

TIWARI NK ， SINGH SP ， AKHTAR MJ . Novel improved sensitivity planar microwave probe for adulteration detection in edible oils ［J］. IEEE Microwave and Wireless Components Letters ， 2018 ， 29 （ 2 ）： 164 - 166 .

BAGCI F ， GULSU M S ， AKAOGLU B . Dual-band measurement of complex permittivity in a microwave waveguide with a flexible， thin and sensitive metamaterial-based sensor ［J］. Sensors and Actuators A： Physical ， 2022 ， 338 ： 113480 .

YUAN Tingting ， WU Jingwen ， BO Yanhua ， et al . Trace detection of nitrofuran drugs based on terahertz metasurface sensor ［J］. Acta Optica Sinica ， 2023 ， 43 （ 7 ）： 0717001 .

袁婷婷，吴靖文，薄艳华，等 . 基于太赫兹超表面传感器的硝基呋喃类药物痕量检测［J］. 光学学报， 2023 ， 43 （ 7 ）： 0717001 . DOI: 10.3788/AOS221571 http://dx.doi.org/10.3788/AOS221571

ZHANG X ， RUAN C ， CAO Y . A dual-mode microwave sensor for edible oil characterization using magnetic-LC Resonators ［J］. Sensors and Actuators A： Physical ， 2022 ， 333 ： 113275 .

ZHOU H ， HU D ， YANG C ， et al . Multi-band sensing for dielectric property of chemicals using metamaterial integrated microfluidic sensor ［J］. Scientific Reports ， 2018 ， 8 （ 1 ）： 14801 .

ZUBIN C ， SHUYUN M ， WEI M . Synthesis of chloroaluminate ionic liquids and use for olefin reduction in FCC gasoline ［J］. Petroleum Science and Technology ， 2007 ， 25 （ 9 ）： 1173 - 1184 .

XU Y ， ZHANG R ， ZHOU Y ， et al . Tuning ionic liquid-based functional deep eutectic solvents and other functional mixtures for CO2 capture ［J］. Chemical Engineering Journal ， 2023 ， 463 ： 142298 .

BILOTTI F ， TOSCANO A ， VEGNI L ， et al . Equivalent-circuit models for the design of metamaterials based on artificial magnetic inclusions ［J］. IEEE transactions on microwave theory and techniques ， 2007 ， 55 （ 12 ）： 2865 - 2873 .

HAN X ， LIU K ， ZHANG S ， et al . CSRR metamaterial microwave sensor for measuring dielectric constants of solids and liquids ［J］. IEEE Sensors Journal ， 2024 ， 24 （ 9 ）： 14167 - 14176 .

BURAGOHAIN A ， DAS G S ， BERIA Y ， et al . Highly sensitive DS-CSRR based microwave sensor for permittivity measurement of liquids ［J］. Measurement Science and Technology ， 2023 ， 34 （ 12 ）： 125134 .

BURAGOHAIN A ， MOSTAKO A T T ， DAS G S . Low-cost CSRR based sensor for determination of dielectric constant of liquid samples ［J］. IEEE Sensors Journal ， 2021 ， 21 （ 24 ）： 27450 - 27457 .

CHRETIENNOT T ， DUBUC D ， GRENIER K . A microwave and microfluidic planar resonator for efficient and accurate complex permittivity characterization of aqueous solutions ［J］. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques ， 2012 ， 61 （ 2 ）： 972 - 978 .

SU L ， MATA-CONTRERAS J ， VÉLEZ P ， et al . Analytical method to estimate the complex permittivity of oil samples ［J］. Sensors ， 2018 ， 18 （ 4 ）： 984 .

VARSHNEY P K ， KAPOOR A ， AKHTAR M J . Highly sensitive ELC resonator based differential sensor ［J］. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement ， 2021 ， 70 ： 1 - 10 .

GULSU M S ， BAGCI F ， CAN S ， et al . Metamaterial-based sensor with a polycarbonate substrate for sensing the permittivity of alcoholic liquids in a WR-229 waveguide ［J］. Sensors and Actuators A： Physical ， 2020 ， 312 ： 112139 .

BAO J Z ， SWICORD M L ， DAVIS C C . Microwave dielectric characterization of binary mixtures of water， methanol， and ethanol ［J］. The Journal of chemical physics ， 1996 ， 104 （ 12 ）： 4441 - 4450 .

浏览量

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

基于硅六方晶体超表面Fano共振的1 550 nm光学开关和传感器

光电融合微波毫米波相控阵天线技术：三类典型架构综述（特邀）

P型基底不同掺杂结构对EBCMOS噪声特性的影响

SwinUNet：基于多尺度特征融合的超表面多维电磁响应预测方法（特邀）

大规模集成光学微腔传感研究进展（特邀）