基于SWCNT/g-C3N4纳米复合功能化CSRR加载天线的高灵敏度双频段微波CO2传感

《Materials Today Communications》：High-sensitivity dual-band microwave CO? sensing using SWCNT/g-C?N? nanocomposite-functionalized CSRR-loaded antennas

　　

二氧化碳（CO₂）监测对于环境保护、工业过程控制和室内空气质量评估至关重要，推动了紧凑、高灵敏度和低功耗传感技术的发展。本文提出了基于互补开环谐振器（CSRR）加载贴片天线的双频段微波CO₂传感器，该天线采用超薄氧化单壁碳纳米管/石墨相氮化碳（o-SWCNT/g-C₃N₄）纳米复合薄膜进行功能化。设计了两种天线配置，将CSRR分别集成到辐射贴片（A/Front/CSRR）或接地平面（A/Ground/CSRR）中，并对其进行了制造和实验评估，以研究谐振器位置对传感性能的影响。这些传感器同时在X和Ku频段（8–18 GHz）工作，即（i）贴片中加载CSRR的天线（ACNT/Front/CSRR）在9.09 GHz和16.74 GHz附近呈现双谐振，以及（ii）接地平面中集成CSRR的天线（ACNT/Ground/CSRR）在10.65 GHz和16.04 GHz附近呈现双谐振，并在真空辅助（理想）和常压条件下测试了1800至7200 ppm的CO₂浓度。接地CSRR配置表现出更优性能，在低CO₂浓度下实现了8.89 kHz ppm^-1的最大灵敏度，并在约6分钟内完全恢复。与以往采用较厚传感层的传感器相比，优化的超薄纳米复合薄膜（727–997 nm）显著增强了电磁场–材料相互作用，降低了介电屏蔽，并改善了吸附/脱附动力学。传感机制归因于吸附引起的o-SWCNT/g-C₃N₄层有效介电常数的变化，通过局部电磁场的介电微扰产生可测量的谐振频率偏移。所提出的传感器表现出更高的灵敏度、更快的响应、减小的屏蔽效应以及稳定的双频段工作，凸显了其在低功耗实时环境监测应用中的潜力。

来自罗马尼亚IMT Bucharest的Alina Cismaru、Cosmin Obreja、Mircea Dragoman、Catalin Parvulescu、Valentin Buiculescu、Silviu Vulpe、Oana Brincoveanu等研究人员在《Materials Today Communications》发表了题为“High-sensitivity dual-band microwave CO₂ sensing using SWCNT/g-C₃N₄ nanocomposite-functionalized CSRR-loaded antennas”的论文。CO₂浓度监测对室内空气质量、工业安全和气候评估具有重要意义。现有非色散红外、电化学和金属氧化物半导体传感器分别存在体积大、功耗高、易老化或需高温工作等局限。微波传感具有室温工作、紧凑和电学直读等优势，但需增强电磁场与敏感材料的作用。为此，研究人员采用互补开环谐振器（CSRR）加载微带贴片天线，并结合超薄氧化单壁碳纳米管/石墨相氮化碳（o-SWCNT/g-C₃N₄）纳米复合薄膜，提出紧凑双频段CO₂传感器。该研究旨在克服此前较厚敏感层导致的介电屏蔽和扩散慢问题，同时实现X/Ku波段双频工作。

研究的关键技术方法包括：在高阻硅衬底上通过光刻、剥离和电子束蒸发Ti/Au工艺制备CSRR加载天线，并用CST Studio Suite进行电磁仿真优化；通过液相混合制备o-SWCNT/g-C₃N₄复合分散液，经掩模辅助沉积将超薄薄膜定位至CSRR区域，扫描电子显微镜（SEM）表征其多孔网络形貌；使用矢量网络分析仪（VNA）在真空辅助（理想）和常压环境下，测量1800–7200 ppm CO₂浓度下的反射系数|S₁₁|谐振频移，并利用介电微扰模型提取有效介电常数变化。

研究结果如下：

4.1 微波表征与功能化影响：VNA测量表明，未涂覆的A/Front/CSRR和A/Ground/CSRR天线在X/Ku波段存在多个谐振；沉积o-SWCNT/g-C₃N₄薄膜后谐振频率发生偏移，说明纳米复合层改变了天线表面的有效介电性质，且CNT导电网络增强了电磁耦合、降低了谐振区损耗。

4.2 实验CO₂传感测量：在0–7200 ppm浓度范围内逐步通入CO₂，所有天线构型的谐振频率均随浓度增加单调下移，原因是CO₂吸附使敏感层有效介电常数增大。理想条件下的灵敏度普遍高于常压条件，表明湿度和背景气体会竞争吸附位点。接地平面CSRR配置比贴片CSRR配置呈现更强的频移和灵敏度。

5.1 介电微扰分析：根据谐振频率与有效介电常数的关系f_r∝1/√ε_eff，从实测频移提取相对介电常数变化。结果显示，相对介电微扰随CO₂浓度单调增加；ACNT/Ground/CSRR在16.04 GHz处达到最大相对介电微扰Δε/ε_eff,0=0.0045（7200 ppm），与其最强的电磁场约束和高灵敏度一致。

5.2 与已报道微波CO₂传感器比较：与RFID天线传感器、平面微波谐振器和超表面吸收体等方案相比，本工作兼具紧凑尺寸、双频段工作、室温运行、快速恢复和kHz/ppm级灵敏度。ACNT/Ground/CSRR在16.04 GHz、1800 ppm下达到8.89 kHz/ppm理想灵敏度，明显优于研究人员此前采用32–48 μm厚膜器件的2.7–8.3 kHz/ppm。厚度降至727–997 nm后，按Fick扩散模型τ≈L²/D，敏感层厚度L减小可显著缩短响应时间，同时减少介电屏蔽，增强电磁场–材料相互作用。

讨论部分进一步指出，接地平面CSRR构型因缺陷地结构形成更强的局域电场和更尖锐的谐振，使单位CO₂浓度产生的频移更明显；贴片集成CSRR虽与敏感层直接接触，但辐射阻尼较大，灵敏度略低。超薄敏感层使传感器在暴露7200 ppm CO₂后约6分钟完全恢复，验证了吸附/脱附动力学的改善。

研究结论（翻译自原文Conclusions）：研究人员成功设计、制造并实验验证了基于CSRR加载微带贴片天线、功能化超薄o-SWCNT/g-C₃N₄纳米复合薄膜的紧凑双频段微波CO₂传感器。研究了CSRR位于辐射贴片或接地平面的两种配置对传感性能的影响。传感器在理想和常压条件下、1800–7200 ppm CO₂浓度范围内表现出稳定且可逆的谐振频移。ACNT/Ground/CSRR配置在16.04 GHz附近性能最佳，理想条件下最大灵敏度为8.89 kHz ppm^-1。改进的传感性能归因于增强的电磁场约束和CO₂吸附引起的更强介电微扰。此外，将传感层厚度降至727–997 nm改善了场–材料相互作用，加速了吸附/脱附过程，并实现了约6分钟的完全恢复。与以往设计相比，优化的三CSRR天线架构和超薄o-SWCNT/g-C₃N₄传感层显著提高了灵敏度、恢复特性和双频段工作能力。未来研究将评估混合气体和可控湿度条件下的长期稳定性、重复性和选择性。该平台在环境传感和物联网（IoT）应用中具有紧凑、低功耗CO₂监测潜力。