用于监测电动汽车POWER-SONIC蓄电池薄膜的双频自参考太赫兹超材料传感器
2026-10-20 10:29:17 点击： 次
摘要
太赫兹超材料传感器为电动汽车电池相关薄膜的非接触式监测提供了潜力。本研究提出了一种基于金属-电介质-金属结构的双频自参考太赫兹超材料传感器，该结构包含开口环谐振器、I型谐振器、TOPAS电介质层和连续金属反射器。在未加载薄膜的情况下，该传感器在0.8354和1.3250 THz处表现出近乎完美的吸收峰，吸收率分别为99.95%和99.99%。场与电流分析确定低频I型谐振器模式为参考通道，高频开口环谐振器模式为传感通道。折射率传感的薄膜厚度根据厚度响应分析选定为4 μm。对于1.30–1.60的等效折射率，低频和高频峰值灵敏度分别为96.43和272.57 GHz/RIU。双峰频率间隔的拟合灵敏度为176。14 GHz/RIU，并提供针对共模扰动的增强稳定性，而非更高的原始折射率灵敏度。在±3%和±5%的TOPAS介电常数扰动下，间隔漂移（1.8–25.2 GHz）低于高频峰值漂移（12.6–39.6 GHz），抑制比为36.36–85.71%。所提出的数值设计为电动汽车电池相关薄膜中的等效介电扰动提供了一种潜在的自参考传感方法。
电动汽车（EV）行业的快速发展凸显了对安全、可靠且耐用的锂离子动力电池的需求。在服役过程中，电池面临温度变化、振动、过充/过放、潮湿和老化等问题，这些因素可能导致电解液泄漏、绝缘性能下降、副产物积累以及热失控。因此，电池技术的进步取决于化学/设计以及安全监测/状态估计[1因此，非接触式、稳健的材料状态检测对于早期预警至关重要。传统的电池管理系统（BMS）通过监测电压、电流和温度来获取整体状态和故障[2]，但其检测局部非电变化的能力有限，例如薄膜污染、电解液残留、水分和涂层降解。传感器故障也可能损害可靠性[3]。因此，需要新的传感方法来检测局部材料变化。薄膜传感器已展现出应用前景，例如用于原位电池监测的嵌入式压力传感器[4]。热失控研究证实了电池故障的渐进性和多因素性质，强调了早期检测的重要性[5]。然而，接触式传感器面临集成和稳定性挑战，而非接触式光谱方法则可以在无侵入的情况下探测介电状态。
太赫兹（THz）辐射具有非电离性和介电敏感性，适用于聚合物和薄膜检测。太赫兹光谱技术已被用于分析电极材料[6]然而电池薄膜通常只有微米厚度，与自由空间太赫兹波的相互作用较弱，因此需要场增强结构来提高灵敏度。太赫兹超材料在谐振结构处产生强烈的局域场，将细微的介电变化转化为可测量的频率偏移。然而，传感响应受限于近场穿透深度[7]，且场分布会影响灵敏度和FOM [8] 因此，在进行折射率传感前必须分析薄膜-近场耦合。金属-绝缘体-金属（MIM）吸收结构通过阻抗匹配抑制透射并实现近乎完美的吸收 [9,10]。超材料也被用于探索EV无线能量传输 [11]，但这项工作转而针对电池薄膜介电扰动的太赫兹传感。尽管已有大量研究，电动汽车电池薄膜监测仍存在若干问题：(i) 工作厚度往往随意选择，未考虑近场穿透；(ii) 单峰读数易受环境和制造干扰；(iii) 针对这一特定场景，很少有设计提供“参考与传感”的相对读数。微波波段超材料传感器在介电常数和折射率传感应用方面已得到广泛研究。典型示例包括一种四频带极化不敏感的方形开口环谐振器超材料吸收体，工作在Ku和K波段，用于固态和液态烃介电传感[11]，以及其他用于材料介电特性表征的微波超材料传感架构[12然而，微波超材料传感器在针对微米级薄膜分析物时存在固有缺陷。其相对较长的波长会产生穿透深度较大的消逝近场，导致与微米级目标薄膜的电磁场重叠较弱。因此，在薄膜发生微小介电扰动时，只能获得较小的谐振频率偏移。此外，微波超材料的单元尺寸通常在毫米量级，这阻碍了紧凑的片上集成。太赫兹波段超材料为克服上述限制提供了一种可行的解决方案。得益于较短的波长，太赫兹谐振器能够产生强局域化的近场，改善与微米厚介电薄膜的场重叠，并在相同的介电扰动下产生更大的可测量光谱偏移。这种能力对于监测电池相关的薄聚合物薄膜非常重要。尽管已有大量关于太赫兹超材料传感器的报道，但很少有设计采用内置差分自参考读出技术，以抑制电池相关薄膜检测场景中的共模环境漂移。已有研究提出自参考方案来减轻共模扰动[13,14].
为解决这些问题，本文提出了一种用于电动汽车电池薄膜监测的双频自参考太赫兹超材料传感器。与单峰传感器不同，它利用两个空间分离的局域模式作为参考和传感通道，并通过双峰频率间隔进行读取，从而提高稳定性。该设计在金属-绝缘体-金属结构中结合了I型谐振器和开口环谐振器。通过阻抗匹配、子结构对比以及场/电流分析，确定了低频参考模式和高频传感模式。膜厚响应分析确定了实现有效近场耦合的工作厚度，随后在该厚度下进行折射率传感。最后，利用双峰间隔定义了一个相对自参考参数，并通过TOPAS介电扰动模拟验证了其对共模漂移的抑制作用。本研究为太赫兹超材料传感电动汽车电池相关薄膜的等效介电状态变化提供了一种概念设计。
2. 传感器结构与模拟方法
2.1. 单元设计
所提出的双频太赫兹超材料传感器采用金属-绝缘体-金属（MIM）结构。周期性单元由顶部图案化金属谐振器、环烯烃共聚物（TOPAS）介电层和底部连续金属反射器组成。顶部金属图案由外侧开口环谐振器和中心I型谐振器组成。这两种谐振元件旨在激发不同频段的局域模式。图1a展示了太赫兹波入射下传感器周期阵列的示意图，图1b展示了单个晶胞的三维视图，并且图1c、d分别提供了俯视图尺寸和分层截面结构。周期性用P表示，环尺寸由R1和R2表征，开口间隙宽度为W。对于I型谐振器，横向长度、纵向长度和金属线宽分别为L1，L2分别为Wc。在垂直方向上，底部金属层、TOPAS介电层和顶部金属层的厚度分别为h1，h2，和h3。底部连续金属层抑制了传输，确保S21在工作频带内被强烈衰减，从而形成反射式传感配置。
图1。传感器结构示意图：() 周期性阵列，太赫兹波入射；() 单个单元格的三维视图；() 单元格的顶视图；() 晶胞的横截面侧视图。c) top view of the unit cell; (d) cross-sectional side view of the unit cell.
优化后的传感器单元格主要几何参数列于表1中，包括周期长度、环尺寸、I型谐振器尺寸和层厚度。所有参数均与图1中提供的结构定义一致。.
表1。传感器结构的几何参数。
2.2. 电池相关薄膜的材料参数与等效模型
顶部图案谐振器和底部连续反射器均被建模为金，在模拟的0.2–2.0 THz范围内具有与频率无关的电导率σ = 4.56 × 107S/m。该值是CST材料库中列出的有效金电导率，并被Duan等人[用于太赫兹超材料吸收器的模拟15,16]。因此，它是一个数值材料参数，而非对制备金属薄膜的测量值。电介质间隔层采用TOPAS，这是一种循环烯烃共聚物，具有低吸收、低色散和稳定的太赫兹（THz）折射率特性，使其成为低损耗太赫兹器件中广泛采用的材料[17,18]。其相对介电常数为εr= 2.35 且损耗角正切 tan δ = 0.0007。在此概念验证模型中，这两个参数在 0.2–2.0 THz 范围内均被视为与频率无关；未考虑材料色散和制造工艺导致的差异。使用 TOPAS 有效地最小化了基底引起的谐振峰宽度展宽和 Q 值退化，确保观测到的频率偏移主要源自待测薄膜引起的局部介电变化。
为了系统地评估传感器对介电环境变化的响应，测试薄膜被建模为覆盖在图案化谐振器顶表面的均匀等效介电层。这种概念性表征对应于电动汽车电池系统中可能发生的微米级介电扰动，例如多孔隔膜的表面状态变化、聚合物涂层残留、水分污染层、电解液残留薄膜或绝缘表面污染物。该等效薄膜模型并非局限于特定的电池材料，而是用于评估传感器对谐振结构附近通用介电变化的灵敏度。
锂离子电池隔膜通常由多孔聚乙烯（PE）或聚丙烯（PP）制成，其孔隙可能充满空气、电解质或污染残留物[19]。先前的太赫兹光谱研究表明，低损耗聚合物在太赫兹频段通常表现出稳定的折射率和低吸收损耗。例如，Cunningham等人报道了各种聚合物和有机材料的折射率和吸收特性[20]；Nielsen等人表明TOPAS具有低损耗和稳定的折射率，使其适用于太赫兹器件[21]; 此外，D’Angelo等人进一步测量了低密度聚乙烯（LDPE）、TOPAS、聚酰胺6（PA6）和聚四氟乙烯（PTFE）在宽带太赫兹范围内的介电响应[18]。此外，聚偏二氟乙烯（PVDF）型聚合物常用于电池电极粘结剂或涂层系统，Kalel和Wang报告了聚偏二氟乙烯-共-三氟乙烯（PVDF-TrFE）和聚偏二氟乙烯-共-三氟乙烯-共-三氟氯乙烯（PVDF-TrFE-CTFE）薄膜在太赫兹波段的平均折射率大约在1.45–1.50范围内[21].
因此，待测等效薄膜的折射率按参数变化为= 1.30, 1.35, 1.40, 1.45, 1.50, 1.55 和 1.60。该范围涵盖了由多孔隔膜、低损耗聚合物涂层、轻微污染薄膜以及高介电常数残留层可能引起的等效介电变化区间。需要强调的是，该范围并不代表任何特定电解质、隔膜或涂层材料的固定测量折射率。相反，它是作为电池相关薄膜的等效介电扰动模型构建的，基于聚烯烃隔膜、多孔聚合物薄膜和PVDF型聚合物的典型太赫兹（THz）范围参数，旨在参数化评估传感器对介电环境变化的响应能力。 = 1.30, 1.35, 1.40, 1.45, 1.50, 1.55 and 1.60. This range covers equivalent dielectric variation intervals that may arise from porous separators, low-loss polymer coatings, weakly contaminated films, and higher-permittivity residual layers. It is important to emphasize that this range does not represent the fixed measured refractive index of any specific electrolyte, separator, or coating material. Rather, it is constructed as an equivalent dielectric perturbation model for battery-related films, grounded in typical THz-range parameters of polyolefin separators, porous polymer films, and PVDF-type polymers, with the aim of parametrically evaluating the sensor’s responsiveness to dielectric environmental changes.
在厚度响应分析中，薄膜折射率固定为n = 1.32，作为后期折射率范围下限附近具有代表性的低折射率等效介质条件；该值仅用于分离厚度依赖性。厚度设定为t = 0, 2, 4, 6, 8, 10和12 μm。随后的折射率扫描在所选厚度下独立使用n = 1.30–1.60，因此厚度扫描中的n = 1.32并非旨在替代或重新定义下限n = 1.30。
2.3. 模拟设置与性能评估指标
使用CST Studio Suite 2022进行了数值模拟。为了模拟无限周期阵列，在x和y方向应用了单元格边界条件。太赫兹波沿z方向正入射，电场极化沿x方向，磁场极化沿y方向。底部连续金属反射器抑制了透射，并在z方向应用了开放边界条件。通过波导端口提取了0.2–2.0 THz频率扫描范围内的反射参数。模拟结果包括S11, S21, 吸收率、归一化阻抗、电场分布和表面电流分布。
吸收率用于评估结构耗散的入射太赫兹能量比例。它通过公式(1)根据反射和透射系数计算得出，其中A(ω)是频率ω处的吸收率，S和S分别表示反射和透射系数。1121
A(ω) = 1 − |S11|2− |S21|2
由于底部连续金属层强烈抑制了透射，S在工作频带内≈0，方程(1)简化为方程(2)。21
A(ω) ≈ 1 − |S11|2
从S参数中提取归一化阻抗，以评估传感器与自由空间在谐振时的阻抗匹配情况。当实部趋于1且虚部趋于0时，界面反射显著降低，从而实现近乎完美的吸收。
折射率灵敏度S表征了谐振频率对被测薄膜折射率变化的响应程度。在线性拟合条件下，其单位为GHz/RIU。
S = |Δfr|/Δn
品质因数Q描述了共振峰的锐度，其中f为共振频率，FWHM为吸收峰的半高全宽。较小的FWHM和较大的Q值意味着更窄的共振峰，这通常能实现更高精度的峰值频率提取。在本研究中，Q和FWHM均从未加载传感器的吸收光谱中提取。0
Q = f0/半高全宽
品质因数（FOM）综合反映了灵敏度和线宽的影响，单位为RIU.−1
FOM = S/FWHM
为了评估双频相对读取能力，双峰频率间隔由公式(6)定义，其中f和f分别是低频参考峰和高频传感峰。两个折射率状态n和n之间对应的频率间隔灵敏度由公式(7)定义。这种限制级端点形式避免了与双增量符号相关的歧义，并量化了间隔读取的变化。12aβ
Δf(n) = f2(n) − f1(n)