本发明属于太赫兹低损耗样本介电常数的无损测量，具体涉及一种e型连接结构石墨烯太赫兹超材料传感器及其测量介电常数的方法。
背景技术：
1、介电特性主要是指在电场作用下产生的一种响应特性，是表征电介质样本电性能的一个重要参数。介电常数是描述材料对电场保持能力的物理量，它与材料的组成、结构和环境条件密切相关。因此通过介电常数与样本其他非电参数的联系，可以实现对样本品类、成分、状态及质量等指标的快速识别和检测。例如，在医疗领域，通过测定组织介电常数变化，判断肿瘤良/恶性；在材料领域，对未知新型材料的介电常数测量，有助于高性能电子材料的研发；在化学领域，了解电解质溶液的介电常数有助于分析和优化电池、燃料电池和其他电化学设备的性能；在农业领域，介电常数与作物叶片、粮食等含水率显著相关，因此介电常数可间接反映作物叶片、粮食等的水分状况。
2、太赫兹（terahertz，thz）波是指频率在0.1-10thz范围内的电磁波，介于微波（mw）与红外（ir）区域之间，具有低能性，瞬态性，指纹性等特点，由于许多物质的分子间或分子内振动都在太赫兹波段，利用太赫兹光谱技术获取物质材料内部信息的研究已经成为热点。使用太赫兹光谱检测技术测量太赫兹低损耗材料的介电常数，对太赫兹传输，探测，成像设备的设计具有重要意义，不过利用自由空间太赫兹光谱检测技术对一些太赫光谱响应微弱的材料检测时会出现信噪比弱和灵敏度低的情况。基于此情况，太赫兹超材料被提出并广泛研究，太赫兹超材料是一种可以在太赫兹波段具有特殊电磁响应的人工合成材料，太赫兹时域光谱技术与超材料传感器件相结合，主要用途就是实现太赫兹电磁波的调控，这些器件包括：太赫兹超表面，超材料吸收传感器以及超材料调制器等。超材料吸收传感器是一种对特定频率的入射电磁波反射及透射现象很弱，将特定频率的电磁波最大程度的损耗在结构内部的特殊材料。超材料吸收传感器的谐振腔结构对于外界环境变化极其敏感，施加检测物质在吸收传感器上，通过吸收器的局部电场增强可使得待检测物质与太赫兹波相互作用加强，极大的提高了信号强度以及检测灵敏度。现如今，研究学者已设计出大量不同结构的窄/宽频超材料吸收传感器，而在检测应用时，大多是利用窄频吸收传感器结合太赫兹时域光谱技术对物质的材料特性进行检测，虽然在很窄的频率范围内有较高的检测灵敏度，不过窄频吸收传感器检测范围较窄且固定，能检测到的信号变化较少，且容易受到干扰。
技术实现思路
1、针对上述技术问题，本发明提供一种e型连接结构石墨烯太赫兹超材料传感器及其测量介电常数的方法，提高检测信号强度和灵敏度。
2、本发明结合太赫兹超材料吸收传感器进行检测时，特定的传感器结构可以增强局部电磁场响应，此时外界介质环境的变化可以反复影响传感器谐振腔内谐振的太赫兹波，谐振腔对于介质的环境变化极其敏感，进而可使得对物质材料检测灵敏度及准确度大大提高。本发明设计一种e型连接结构石墨烯太赫兹超材料传感器，并提出了一种基于该传感器的样本介电常数测量方法。
3、本发明基于e型连接结构石墨烯太赫兹超材料传感器测量介电常数的方法，包括构建一种轻薄柔性、宽频、可调谐的e型连接结构石墨烯太赫兹超材料传感器，其通过图案化的石墨烯层、电介质层和金属底板层由上至下叠成，图案化的石墨烯层为二维镜像e型正交结构；对其结构参数进行优化设计，确定最优结构参数；分析谐振频率处表面电场分布；从调节极化角、入射角、介质层损耗角正切值、石墨烯化学势等方面，验证传感器吸收性能和工作带宽的稳定性；施加已知介电常数的样本，根据谐振频率频移量计算灵敏度，并分别建立谐振频率、谐振频率吸收率与介电常数关系模型，构建三者的数据集；利用bp神经网络进行训练，进而实现对未知介电常数的预测，可用于太赫兹低损耗样本介电常数的无损测量。
4、注意，这些目的的记载并不妨碍其他目的的存在。本发明的一个方式并不需要实现所有上述目的。可以从说明书、附图、权利要求书的记载中抽取上述目的以外的目的。
5、本发明目的通过以下技术方案实现的：
6、一种e型连接结构石墨烯太赫兹超材料传感器，包括从上至下设置的石墨烯层、聚酰亚胺电介质层和金属底板层；所述石墨烯层为二维镜像e型正交结构，具有四个e形图案，四个e形图案的开口朝外，镜像布置的e形图案之间分别通过石墨烯中间条带连接，两条石墨烯中间条带呈十字型布置。
7、上述方案中，所述石墨烯层为单层石墨烯堆叠。
8、上述方案中，所述的二维镜像e型正交结构的单个e形图案的横向石墨烯条长 wx=35μm，宽 ny=6μm，单个e形图案的纵向石墨烯条长度 my=11μm，宽 nx=7μm，两镜像e形图案中间的石墨烯条长 dy=40μm。
9、上述方案中，所述传感器的结构单元参数为：结构周期 px=86μm， py=86μm，石墨烯层的厚度 k=4.4μm，石墨烯的驰豫时间为 τ=0.1ps，化学势 μc=1.5ev，中间的聚酰亚胺电介质层的厚度 h=14.5μm，其相对介电常数为3.5，损耗角正切值为0.0027，金属底板层为有耗金属金膜，金膜的厚度 t=0.5μm，电导率为4.561×107s/m。
10、一种利用所述e型连接结构石墨烯太赫兹超材料传感器测量介电常数的方法，包括以下步骤：
11、构建e型连接结构石墨烯太赫兹超材料传感器；
12、建立谐振频率、谐振频率吸收率与已知介电常数关系模型；
13、测量未知介电常数。
14、上述方案中，所述构建e型连接结构石墨烯太赫兹超材料传感器包括e型连接结构石墨烯太赫兹超材料传感器的结构设计、e型连接结构石墨烯太赫兹超材料传感器结构参数的优化、分析谐振频率处的表面电场分布和传感器吸收性能和工作带宽的稳定性的验证。
15、进一步的，所述工作带宽的稳定性的验证是通过调节极化角、入射角、介质层损耗角正切值、石墨烯化学势，验证传感器吸收性能和工作带宽的稳定性。
16、上述方案中，所述建立谐振频率、谐振频率吸收率与已知介电常数关系模型具体为：在基于e型连接结构石墨烯太赫兹超材料传感器表面放置介电常数（εr）可变的分析物，在cst电磁软件中进行仿真分析，得到基于e型连接结构石墨烯太赫兹超材料传感器在2-11介电常数的分析物下的吸收曲线图，从吸收曲线图中每个介电常数下吸收曲线的n个特征频段内确定谐振频率及该处吸收率，并对谐振频率及其吸收率的数据进行origin曲线拟合，最后分别建立出n个谐振频率及其吸收率与介电常数关系模型。
17、上述方案中，所述测量未知介电常数，包括以下步骤：
18、从介电常数2开始到11，设置步长，分别代入谐振频率与介电常数关系模型及吸收率与介电常数关系模型，得到n组数据集；
19、将谐振频率、谐振频率吸收率作为神经网络输入，介电常数作为神经网络输出，分别对n组数据集进行训练，得到n个训练模型；
20、将未知样本的谐振频率及其吸收率分别代入n个训练模型，从而获得n个介电常数，取其均值作为该未知样本的介电常数。
21、进一步的，所述神经网络的训练：采用bp神经网络训练，设置训练次数、学习速率和训练目标最小误差。
22、与现有技术相比，本发明的有益效果是：
23、 本发明e型连接结构石墨烯太赫兹超材料传感器采用了轻质柔性材料：石墨烯和聚酰亚胺，传感器整体厚度很薄小于四分之一波长厚度，符合亚波长尺寸要求， 本发明传感器宽频可调谐：在2.15-3.26thz频率内，实现了90%以上的近完美吸收，并且调节石墨烯化学势可以实现传感器吸收率动态调谐，传感器计算灵敏度值为3.26%，介电常数平均预测精度高达98.49%。本发明基于e型连接结构石墨烯太赫兹超材料传感器为宽频吸收器可以与更广频率范围的太赫兹电磁波响应，可检测到频率范围内多个信号变化，使得在对复杂物质检测时获得更多的光谱特征信息，有助于实现对复杂物质介电常数等材料特性更准确的分析，利用太赫兹光谱技术结合设计的超材料传感器有利于提高灵敏度和增强信噪比。该传感器可用于太赫兹低损耗样本介电常数的无损测量，提高检测信号强度和灵敏度，有利于在农业领域中的农作物含水率及成分高效检测、土壤含水量及水位评价、农药溶剂化能力等方面提供研究基础。注意，这些效果的记载不妨碍其他效果的存在。本发明的一个方式并不一定必须具有所有上述效果。可以从说明书、附图、权利要求书等的记载显而易见地看出并抽出上述以外的效果。
1.一种e型连接结构石墨烯太赫兹超材料传感器，其特征在于，包括从上至下设置的石墨烯层(1)、聚酰亚胺电介质层(2)和金属底板层(3)；所述石墨烯层(1)为二维镜像e型正交结构，具有四个e形图案，四个e形图案的开口朝外，镜像布置的e形图案之间分别通过石墨烯中间条带连接，两条石墨烯中间条带呈十字型布置。
2.根据权利要求1所述的e型连接结构石墨烯太赫兹超材料传感器，其特征在于，所述石墨烯层(1)为单层石墨烯堆叠。
3.根据权利要求1所述的e型连接结构石墨烯太赫兹超材料传感器，其特征在于，所述的二维镜像e型正交结构的单个e形图案的横向石墨烯条长wx＝35μm，宽ny＝6μm，单个e形图案的纵向石墨烯条长度my＝11μm，宽nx＝7μm，两镜像e形图案中间的石墨烯条长dy＝40μm。
4.根据权利要求1所述的e型连接结构石墨烯太赫兹超材料传感器，其特征在于，所述传感器的结构单元参数为：结构周期px＝86μm，py＝86μm，石墨烯层(1)的厚度k＝4.4μm，石墨烯的驰豫时间为τ＝0.1ps，化学势μc＝1.5ev，中间的聚酰亚胺电介质层(2)的厚度h＝14.5μm，其相对介电常数为3.5，损耗角正切值为0.0027，金属底板层(3)为有耗金属金膜，金膜的厚度t＝0.5μm，电导率为4.561×107s/m。
5.一种利用权利要求1-4任意一项所述的e型连接结构石墨烯太赫兹超材料传感器测量介电常数的方法，其特征在于，包括以下步骤：
6.根据权利要求5所述的e型连接结构石墨烯太赫兹超材料传感器测量介电常数的方法，其特征在于，所述构建e型连接结构石墨烯太赫兹超材料传感器包括e型连接结构石墨烯太赫兹超材料传感器的结构设计、e型连接结构石墨烯太赫兹超材料传感器结构参数的优化、分析谐振频率处的表面电场分布和传感器吸收性能和工作带宽的稳定性的验证。
7.根据权利要求6所述的e型连接结构石墨烯太赫兹超材料传感器测量介电常数的方法，其特征在于，所述工作带宽的稳定性的验证是通过调节极化角、入射角、介质层损耗角正切值、石墨烯化学势，验证传感器吸收性能和工作带宽的稳定性。
8.根据权利要求5所述的e型连接结构石墨烯太赫兹超材料传感器测量介电常数的方法，其特征在于，所述建立谐振频率、谐振频率吸收率与已知介电常数关系模型具体为：在e型连接结构石墨烯太赫兹超材料传感器表面放置介电常数(εr)可变的分析物，在cst电磁软件中进行仿真分析，得到e型连接结构石墨烯太赫兹超材料传感器在2-11介电常数的分析物下的吸收曲线图，从吸收曲线图中每个介电常数下吸收曲线的n个特征频段内确定谐振频率及该处吸收率，并对谐振频率及其吸收率的数据进行origin曲线拟合，最后分别建立出n个谐振频率及其吸收率与介电常数关系模型。
9.根据权利要求5所述的e型连接结构石墨烯太赫兹超材料传感器测量介电常数的方法，其特征在于，所述测量未知介电常数，包括以下步骤：
10.根据权利要求9所述的e型连接结构石墨烯太赫兹超材料传感器测量介电常数的方法，其特征在于，所述神经网络的训练：采用bp神经网络训练，设置训练次数、学习速率和训练目标最小误差。
